Таблица. Классификация телескопов по волновому диапазону наблюдения

Астрономия дальнего космоса

Методы изучения дальнего космоса. Все космическое пространство за пределами Солнечной системы относится к дальнему космосу. Исследования дальнего космоса — это новые необычайные и удивительные открытия в области изучения небесных тел, процессов их формирования и эволюции Вселенной в целом. Результаты этих исследований позволяют делать важные выводы о прошлом, настоящем и будущем звезд и планет, галактик и нашей Вселенной. К сожалению, использование автоматических межзвездных станций для изучения таких далеких от Земли объектов пока невозможно, поэтому бóльшую часть информации о них мы можем получить только на основании наблюдений с помощью наземных и космических телескопов. Современные астрономические обсерватории (рис. 1.38), например Пулковская, позволяют получать информацию о Вселенной не только в оптическом диапазоне, но и располагают намного более широкими методами регистрации космических излучений практически во всех диапазонах электромагнитных волн: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение.

Рис. 1.38.Пулковская обсерватория

Современные космические аппараты не позволяют быстро перемещаться даже по Солнечной системе, поэтому для полета в другие галактики необходимо искать новые способы передвижения. По мнению главного редактора журнала «Новости космонавтики», академика Российской академии космонавтики имени К.Э.Циолковского Игоря Маринина, в данном случае можно рассмотреть даже такой способ перемещения, как телепортация.

Современные наземные телескопы. Современные оптические телескопы мало похожи на первый телескоп Галилея и представляют собой сложнейшие технические конструкции. Однако принцип их устройства остается прежним. С помощью линзы или параболического зеркала собирается свет от небесного объекта и строится изображение в фокусе линзы или зеркала. Здесь помещается приемник излучения, который фиксирует изображение для дальнейшего изучения. Самый крупный в России оптический телескоп — Большой телескоп азимутальный Специальной астрофизической лаборатории РАН — находится в горах Северного Кавказа. Диаметр его объектива — 6 м.

Еще одним видом телескопов являются радиотелескопы (рис. 1.39). Они нужны для исследования космических объектов в радиодиапазоне. Основными элементами радиотелескопов являются принимающая антенна и радиометр — чувствительный радиоприемник, перестраиваемый по частоте, и принимающая аппаратура. Поскольку радиодиапазон гораздо шире оптического, для регистрации радиоизлучения используют различные конструкции радиотелескопов, в зависимости от диапазона.

Рис. 1.39.Радиотелескоп

РАТАН-600 — самый крупный стационарный радиотелескоп; имеет форму кольца диаметром 600 м, расположен в Ставропольском крае.

Самый большой радиотелескоп на Земле (диаметром примерно 300 м) находится в кратере потухшего вулкана, в обсерватории Аресибо (Arecibo), близ одноименного города в Пуэрто-Рико (рис. 1.40). Обсерватория принадлежит компании SRI International, основателем которой является Стэнфордский университет. Обсерватория проводит радиоастрономические и радиолокационные наблюдения за объектами Солнечной системы, а также участвует в исследовании атмосфер других планет. Телескоп обсерватории Аресибо, построенный в 1963 г., имеет сферическую чашу диаметром 304,8 м и работает с длинами волн от 3 см до 1 м. Он был самым большим телескопом с одиночным зеркалом с 1963 по 2016 г.

Рис. 1.40.Телескоп обсерватории Аресибо

Крупнейшая радиоастрономическая обсерватория ALMA (Atacama Large Millimeter Array), или Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка, вступила в строй совсем недавно — в марте 2013 г. Она расположена в Чили на высоте 5058 м над уровнем моря. На данный момент ALMA является самым дорогим действующим наземным телескопом. Этот астрономический интерферометр состоит из 66 радиотелескопов диаметром 7 и 12 м.

Из строящихся радиотелескопов следует отметить Квадратную километровую антенную решетку (Square Kilometre Array — SKA) — международный проект по созданию крупнейшего в мире радиоинтерферометра. Название проекта отражает первоначальный план разработки (начало 1990-х гг.) — создать радиотелескоп с общей собирающей площадью антенн около 1 км². С тех пор проект телескопа был переработан, и по плану собирающая площадь должна значительно превысить 1 км² (рис. 1.41). Другим крупным проектом является Сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope — FAST) на Юге Китая в провинции Гуйчжоу (рис. 1.42).

Рис. 1.41.Квадратная километровая решетка (Square Kilometre Array — SKA) Рис. 1.42.Сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой (Five hundred meter Aperture Spherical Telescope — FAST)

Наземные телескопы XXI в. — это новый этап в создании оптических приборов. Во-первых, они очень большие — диаметр их главного зеркала 8…10 м. Во-вторых, они построены с использованием новых принципов. Их зеркала подстраиваются под изменения, происходящие в атмосфере, так что расфокусировка изображения, вызванная перепадами плотности воздуха и его потоками, сводится к минимуму. Такая оптика, «умеющая» приспосабливаться к быстроменяющимся условиям, называется адаптивной. У современных телескопов с адаптивной оптикой (рис. 1.43) имеется система приспособлений, которые, оказывая давление на зеркало, способны нужным образом изменять его форму, что стало возможным, когда начали изготовлять очень тонкие и легкие зеркала. Для повышения разрешающей способности телескопов применяются также методы оптической интерферометрии с большой базой.

Рис. 1.43.Схема устройства адаптивного оптического телескопа

К новому поколению телескопов относятся 10-метровые телескопы Keck-I и Keck-II (США), «Хобби-Эберли» и 8-метровые телескопы «Джемини», «Субару», телескоп VLT (Very Large Telescope — Очень большой телескоп) Европейской южной обсерватории, а также находящийся в стадии постройки Большой бинокулярный телескоп (LBT — Large Binocular Telescope) в Аризоне (США).

Следует отметить важное обстоятельство: во всех этих телескопах главное зеркало образовано отдельными зеркалами, число которых различно в разных телескопах. Так, в телескопе «Субару» смонтировано 261 зеркало, в VLT — 150 осевых и 64 боковых зеркал, в телескопе «Джемини» — 128 зеркал.

В LBT имеется два главных зеркала, состоящих также из многих элементов. Диаметр главных зеркал всех этих телескопов лежит в диапазоне 8,1…8,4 м.

Современные космические телескопы. В настоящее время на самых различных орбитах вокруг Земли и Солнца работает множество космических телескопов, покрывающих весь диапазон электромагнитных волн от радио- до гамма-излучения. Космические телескопы могут работать круглые сутки, для них не важны искажения атмосферы и погодные условия. Бо́льшая часть последних открытий в ходе исследования глубокого космоса приходится на эти обсерватории.

Млечный Путь содержит четыре спиральных рукава, а не два, как это принято считать.

Такие виды излучения, как гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное, сильно поглощаются атмосферой, поэтому их наблюдение целесообразно вести с земной орбиты.

Оптические телескопы используются для наблюдения звезд, галактик, планетарных туманностей, протопланетных дисков и других объектов. Самый известный из них телескоп «Хаббл» — совместный проект НАСА и ЕКА, запущен в 1990 г. «Кеплер» — космическая обсерватория НАСА, специально предназначенная для поиска экзопланет (планет вне Солнечной системы — у других звезд), подобных Земле, запущена в 2009 году.

Гамма-лучи излучаются сверхновыми, нейтронными звездами, пульсарами и черными дырами. Один из гамма-телескопов, предназначенных для регистрации и наблюдения космических гамма-всплесков, — «Свифт» — совместный проект США, Италии и Великобритании, запущенный в 2004 г. В гамма-диапазоне продолжает работу международный космический гамма-телескоп «Ферми», вступивший в строй в 2009 г.

Некоторые типы астрофизических объектов испускают рентгеновские лучи: скопление галактик, черные дыры, активные ядра галактик, остатки сверхновых, одиночные звезды, а также звезды в паре с белым карликом (катастрофические переменные звезды), нейтронной звездой или черной дырой (рентгеновские двойные звезды). Некоторые объекты Солнечной системы обладают рентгеновским излучением, в том числе и Луна, хотя бо́льшая часть этого излучения Луны возникает от отраженного солнечного рентгеновского излучения.

Среди рентгеновских обсерваторий выделяется космический телескоп «Чандра» (рис. 1.44), запущенный в 1999 г. Взлетная масса этого телескопа вместе с космическим аппаратом AXAF/«Чандра» составляла 22753 кг, что является абсолютным рекордом массы, когда-либо выведенной в космос космическим челноком. Один из космических рентгеновских телескопов XMM-Newton создан ЕКА совместно с НАСА (США) и введен в эксплуатацию в 2000 г.

Рис. 1.44.Телескоп «Чандра»

Объекты, излучающие ультрафиолетовое излучение, включают Солнце, звезды и галактики. GALEX — орбитальный космический телескоп, работающий в ультрафиолетовом диапазоне, который запущен в 2009 г. НАСА.

Инфракрасный свет имеет меньшую энергию, чем видимый свет, следовательно, испускают его более холодные объекты. В инфракрасной (тепловой) области находится максимум излучения слабосветящегося вещества Вселенной — тусклых остывших звезд, внесолнечных планет и гигантских молекулярных облаков. Инфракрасные лучи поглощаются земной атмосферой и практически не попадают из космоса на поверхность, что делает невозможной их регистрацию наземными телескопами. И наоборот, для инфракрасных лучей прозрачны космические пылевые облака, которые скрывают от нас много интересного, например галактический центр. Один из космических телескопов, предназначенных для наблюдения космоса в инфракрасном диапазоне «Спитцер» запущен НАСА в 2003 г.

По мнению исследователей, к которому они пришли на основании данных спектрального анализа компонентов межзвездного газа, центр нашей Галактики должен иметь вкус малины и пахнуть ромом. По словам космонавтов, космос пахнет как пережаренный бифштекс, горячий металл и дым от сварки.

Летом 2011 г. российские ученые запустили космический аппарат «Спектр-Р» (рис. 1.45) как часть космического проекта «Радиоастрон». Радиотелескоп, установленный на спутнике «Спектр-Р», способен работать в связке с глобальной сетью наземных телескопов в режиме интерферометра со сверхдлинной базой. Угловое разрешение телескопа зависит от двух самых удаленных точек его зеркала или линзы. В проекте «Радиоастрон» одной из этих точек является наземный телескоп, а вторая точка — вращающийся по вытянутой орбите вокруг Земли космический аппарат «Спектр-Р» с радиоантеной. За счет того, что в апогее он удаляется от Земли на расстояние 350 тыс. км, его угловое разрешение может достигать всего лишь миллионных долей угловой секунды, что в 30 раз лучше, чем у наземных систем. Он позволяет получить самое высокое угловое разрешение за всю историю астрономии — 21 мкс дуги, что более чем в 1000 раз лучше разрешения космического телескопа «Хаббл». Оптический телескоп с таким угловым разрешением мог бы разглядеть спичечный коробок на поверхности Луны. Он является крупнейшим в мире космическим телескопом, что было отмечено в книге рекордов Гиннесса, и самым лучшим по угловому разрешению.

Рис. 1.45.Космический аппарат «Спектр-Р»

Американская компания SpaceX запустила ракету-носитель Falcon 9, которая должна вывести на орбиту аппарат НАСА для проведения астрономических наблюдений с целью поиска потенциально пригодных для жизни планет.

В настоящее время информацию о далеких объектах Вселенной можно получить не только с помощью регистрации электромагнитных волн. Регистраторы особых частиц — нейтрино — позволяют заглянуть внутрь Солнца и в ядра взрывающихся сверхновых звезд. Совершенно новое направление представляет гравитационно-волновая астрономия. Гравитационные волны теоретически могут излучать различные объекты, например сливающиеся черные дыры.

В 1977 г. исследователи поймали сигнал из глубокого космоса, который длился 72 с. Так называемый «Сигнал Вау» был единственной радиопередачей, которая, как считается, транслировалась обладателями внеземного разума. Было установлено, что источник сигнала находится вблизи звезды Тау Стрельца в созвездии Стрельца.

Резюме. Дальний космос — мир галактик и звезд. Самые далекие объекты удалены от нас на расстояние, которое свет проходит за миллиарды лет. Как с помощью машины времени, наблюдения позволяют увидеть разнообразные объекты Вселенной в различные моменты их жизни. Для изучения загадок дальнего космоса человечество непрерывно совершенствует наземные и орбитальные телескопы. Разносторонние космические исследования ведутся не только в видимом человеку оптическом диапазоне, но и во всех диапазонах электромагнитных волн: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное, микроволновое и радиоизлучение.

Контрольные вопросы

1. Какие методы используют для изучения дальнего космоса?

2. На какие виды можно разделить телескопы по типам принимаемого излучения?

3. Какова причина создания космических обсерваторий?

4. О каких современных телескопах вам известно?

5. Какое значение имеет изучение дальнего космоса для развития человеческой цивилизации и экономического развития России?

Задания для самостоятельной работы

1. Составьте список из 3—4 космических программ освоения дальнего космоса по схеме:

o название программы;

o цель программы;

o какие объекты для изучения будут включены в программу;

o знание каких дисциплин необходимо для реализации этой программы;

o какие новые знания получит человечество, реализуя эту программу.

2. Охарактеризуйте с точки зрения физики особенности современных наземных и космических радиотелескопов, заполнив таблицу.

Таблица. Классификация телескопов по волновому диапазону наблюдения

Вид

Особенности конструкции, принцип действия

Пример телескопа и его характеристика

Радиотелескопы

Инфракрасные телескопы

Рентгеновские телескопы

Гамма-телескопы

Темы докладов

1. Научное и практическое значение изучения дальнего космоса.

2. Современные исследования дальнего космоса.

3. Методы изучения дальнего космоса.