Окно во Вселенную: 5 великих космических телескопов

Во-первых, она дрожит: турбулентные потоки воздуха постоянно искажают изображение, заставляя звезды «мерцать». Угловое разрешение даже крупного наземного телескопа намного хуже теоретического предела.

Во-вторых, атмосфера непрозрачна для большей части электромагнитного спектра. До земли свободно доходят только видимый свет и часть радиодиапазона. Ультрафиолет поглощается озоновым слоем. Рентгеновское излучение не проникает вообще — ни единого фотона. Гамма-излучение задерживается практически полностью. Огромная часть инфракрасного диапазона поглощается водяным паром.

Это значит, что с Земли принципиально невозможно увидеть горячие молодые звезды в ультрафиолете, рентгеновские двойные системы, остатки сверхновых в рентгене, аккреционные диски черных дыр, гамма-всплески — самые мощные взрывы во Вселенной. Холодная пыль и ранние галактики в инфракрасном — тоже закрыты.

Есть и третья проблема, о которой говорят реже: сама Земля. Планета заслоняет половину неба в любой момент времени. Наземный телескоп не может непрерывно наблюдать одну точку больше нескольких часов. Он не способен обозреть весь небосвод за одну кампанию наблюдений. Для создания полной карты звездного неба с земной поверхности пришлось бы потратить столетия — и все равно результат был бы испорчен атмосферными искажениями.

Выход один — вынести телескоп за пределы атмосферы — в космос. С 1990-х годов человечество открыло несколько принципиально новых окон во Вселенную — каждое в своем диапазоне, каждое с принципиально недостижимой с Земли точностью.

Запуск: апрель 1990 года. Орбита: низкая околоземная, 547 км, наклонение 28,5°. Плановый срок: 15 лет; продолжает работать уже 35 лет. Зеркало: 2,4 м. Диапазон: ультрафиолет, видимый свет, ближний инфракрасный.

Хаббл стал первым крупным космическим телескопом и символом эпохи. Его главный козырь — ультрафиолетовый диапазон. Озоновый слой поглощает ультрафиолет практически полностью: с Земли в этом диапазоне не видно ничего. Хаббл открыл ультрафиолетовую Вселенную: горячие молодые звезды, квазары, газовые туманности в излучении ионизованного водорода.

За десятилетия работы Хаббл уточнил постоянную Хаббла — скорость расширения Вселенной — до нескольких процентов точности. Его снимки «Глубокого поля» показали тысячи галактик там, где невооруженный глаз видит пустоту. Именно Хаббл подтвердил, что в центре большинства крупных галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры. После знаменитой ремонтной миссии 1993 года, исправившей дефект зеркала, телескоп дал изображения такого качества, которого раньше не видела астрономия.

Запуск: июль 1999 года. Орбита: сильно вытянутая эллиптическая, апогей ~139 000 км. Плановый срок: 5 лет; работает более 25 лет. Зеркало: 1,2 м (косопадающая оптика). Диапазон: рентгеновский (0,1–10 кэВ).

Рентгеновское излучение — единственный диапазон, который не проникает сквозь атмосферу вообще. До запуска Чандры целые классы объектов были невидимы. Рентген излучает вещество, падающее на нейтронные звезды, черные дыры, газ в скоплениях галактик при температурах в десятки миллионов градусов, остатки сверхновых. Стандартные зеркала для рентгена не работают: фотоны проходят сквозь них насквозь. Чандра использует систему косопадающих зеркал — фотоны скользят вдоль поверхности под малым углом и фокусируются.

Чандра обнаружила рентгеновское эхо взрывов вблизи черных дыр, детально картировала горячий газ в скоплениях галактик, нашла свидетельства столкновений скоплений — знаменитое «Скопление Пули», ставшее одним из лучших доказательств существования темной материи. Телескоп работает намного дольше расчетного срока и до сих пор остается главным рентгеновским глазом человечества.

Запуск: июнь 2008 года. Орбита: низкая околоземная, 550 км. Плановый срок: 5–10 лет; работает 17 лет. Диапазон: гамма-излучение (20 МэВ — более 300 ГэВ).

Гамма-излучение — самое высокоэнергетичное электромагнитное излучение. Атмосфера поглощает его почти полностью, а то, что доходит до земли, регистрируется лишь косвенно — через каскады вторичных частиц. Fermi наблюдает гамма-кванты напрямую.

Главный инструмент Fermi — LAT (Large Area Telescope) — перекрывает огромную часть неба и строит его карту в гамма-диапазоне каждые три часа. За годы работы телескоп обнаружил тысячи источников: пульсары, остатки сверхновых, активные ядра галактик, гамма-всплески — колоссальные взрывы, за секунды выделяющие больше энергии, чем Солнце за всю жизнь. Fermi ищет аннигиляционное излучение тёмной материи и проверяет фундаментальные законы физики в предельных условиях. Его данные регулярно фиксируют вспышки, недоступные ни одному наземному инструменту.

Запуск: декабрь 2013 года. Орбита: точка Лагранжа L2 (1,5 млн км от Земли). Миссия завершена: январь 2025 года (проработала 11 лет вместо запланированных 5). Зеркало: два прямоугольных зеркала по 0,7 м². Диапазон: оптический.

Гайя — принципиально иной тип телескопа. Он, вращаясь вокруг своей оси, непрерывно сканировал весь небосвод, возвращаясь к каждой точке около 70 раз за миссию. Этого невозможно добиться с Земли — не только из-за атмосферы, но и потому, что сама планета заслоняет половину неба. Полная панорамная карта неба требует наблюдателя вне планеты.

Результат работы Гайя — крупнейший астрометрический каталог в истории: координаты, параллаксы, собственные движения и яркость почти двух миллиардов звезд. Гайя обнаружила следы древних галактических столкновений — в том числе Гайя-Энцелад, галактику, поглощенную Млечным Путём десять миллиардов лет назад. Данные телескопа стали фундаментом для работы телескопов Джеймс Уэбб и Евклид. Хотя телескоп уже не работает научная программа еще далека до завершения:  четвертый каталог данных Гайя ожидается в 2026 году, а финальный — к 2030-му.

Запуск: декабрь 2021 года. Орбита: точка Лагранжа L2 (1,5 млн км от Земли). Плановый срок: 10 лет (запас топлива — более 20 лет). Зеркало: 6,5 м (18 шестиугольных сегментов). Диапазон: ближний и средний инфракрасный (0,6–28 мкм).

Инфракрасное излучение — тепловое. Земная атмосфера, насыщенная водяным паром и углекислым газом, поглощает большую его часть: наземные телескопы буквально «слепнут» от теплового свечения атмосферы. Уэбб вынесен на 1,5 млн км от Земли и охлажден до −233°С, что позволяет регистрировать излучение объектов с температурой в десятки кельвинов — холодную пыль, протопланетные диски, атмосферы экзопланет.

Инфракрасный диапазон дает еще одно преимущество: он может работать с космологическим красным смещением. Свет самых далеких галактик — тех, что возникли через сотни миллионов лет после Большого взрыва — сдвинут в инфракрасный диапазон из-за расширения Вселенной. Уэбб видит галактики, недоступные Хабблу. За три года работы он показал первые галактики, сформировавшиеся всего через 300 млн лет после Большого взрыва, детально исследовал атмосферы экзопланет и обнаружил в них молекулы, потенциально связанные с биологической активностью. По разрешению и чувствительности Уэбб превосходит Хаббл примерно в сто раз.

Эпоха космических телескопов не заканчивается. Телескоп Евклид (ESA, запуск 2023) уже работает: он картирует миллиарды галактик, чтобы понять природу темной материи и темной энергии — двух составляющих, на которые приходится 95% массы Вселенной и о которых физики пока не знают почти ничего.

Главное событие ближайших лет — запуск телескопа Nancy Grace Roman Space Telescope (NASA). Запуск запланирован на май 2027 года. Это телескоп с зеркалом 2,4 м — как у Хаббла — но с полем зрения в 100 раз шире. За один снимок Roman охватывает область неба размером с 18 полных лун. Его главные задачи: создание крупнейшего обзора галактик для изучения темной энергии, поиск экзопланет методом микролинзирования (в том числе планет без звезд — так называемых «бродячих» планет), и наблюдение за сверхновыми типа Ia по всей наблюдаемой Вселенной. Если Уэбб — это снайпер, то Roman — панорамная камера наблюдения. Вместе они решают задачи, которые ни один из них не решит в одиночку.

В более отдаленной перспективе — старт LISA (Laser Interferometer Space Antenna, ESA/NASA, который запланирован на 2035 год: три аппарата, разнесенных на 2,5 млн км, будут ловить гравитационные волны от слияний сверхмассивных черных дыр — явления, невидимого ни в каком электромагнитном диапазоне. Это уже не телескоп в традиционном смысле — это, скорее, «ухо», слушающее Вселенную.

За несколько десятилетий космической астрономии человечество открыло куда больше, чем за предшествующие три тысячи лет наземных наблюдений. И это только начало.