ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ, наблюдения астрономических объектов с помощью приборов, поднятых за пределы земной атмосферы на борту геофизических ракет или искусственных спутников. Ее основные разделы – это астрономия высоких энергий (в рентгеновских и гамма-лучах), оптическая и ультрафиолетовая астрономия, инфракрасная астрономия и родившаяся совсем недавно космическая интерферометрия со сверхдлинной базой (см. РАДИОАСТРОНОМИЯ). О прямом изучении объектов Солнечной системы и межпланетного пространства рассказано в статье КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД.
.
КОНСТРУКЦИИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ
Системы.
Астрономические спутники во многом похожи на спутники других типов. Источником электроэнергии служат солнечные батареи, а стабилизация поддерживается либо закруткой спутника, либо гироскопами (трехосная стабилизация), которые позволяют лучше управлять ориентацией. Связь с Землей осуществляется по радио либо напрямую, либо через спутник-ретранслятор на геостационарной орбите. Некоторые спутники имеют ракетные двигатели и могут изменять свою орбиту.
Современные астрономические обсерватории (наземные и космические) имеют телескопы для сбора и фокусировки света, а также набор приборов, регистрирующих свойства света в виде цифрового изображения или спектра. К тому же орбитальная обсерватория должна иметь систему наведения и удержания телескопа в нужном направлении, для чего используют несколько оптических датчиков (т.е. вспомогательных телескопов), фиксирующих положение спутника относительно звезд.
Сканирование или наведение.
Астрономические спутники обычно работают в одном из двух режимов. Они могут систематически сканировать все небо, проводя его полный обзор, а могут по многу часов быть нацелены на один объект, переходя затем к изучению следующего. В первые годы спутниковой астрономии выбором объектов изучения занимался коллектив, создающий спутник, но с конца 1970-х годов программы наблюдений составляются по конкурирующим заявкам астрономов, как это принято в наземных обсерваториях.
Выбор орбиты.
Орбиты большинства спутников проходят либо в нескольких сотнях километров от поверхности Земли, либо на расстоянии в десятки тысяч километров, чтобы избежать самых интенсивных областей радиационных поясов Земли. Поскольку астрономические детекторы чрезвычайно чувствительны к радиационной обстановке, их отключают, когда спутник проходит сквозь области высокой радиации. Для спутников на низких орбитах наибольшую проблему представляет район Южной атлантической аномалии, где радиационный пояс ближе всего подходит к поверхности Земли.
Другим фактором при выборе орбиты является удобство наблюдений иобслуживания. Спутником на низкой орбите сложнее управлять, поскольку Земля часто закрывает от него объект наблюдения. С другой стороны, для вывода спутника на высокую орбиту нужна более мощная ракета, и оттуда его нельзя вернуть илиотремонтировать с помощью космического челнока.
Контроль наведения.
Астрономический спутник, предназначенный для получения изображений с разрешением лучше одной угловой секунды, требует значительно более точного управления наведением, чем большинство других космических аппаратов. Когда, переходя к наблюдению следующей цели, спутник поворачивается вокруг осей ориентации, система контроля должна следить, чтобы в поле зрения телескопа не попали Солнце или Луна, которые могут оказаться слишком яркими для бортовых чувствительных приборов. В то же время панели солнечных батарей должны быть постоянно ориентированы на Солнце. Наконец, в поле зрения оптических датчиков должно попадать достаточно известных звезд, чтобы можно было убедиться в правильности наведения на цель главного телескопа. Выполнение всех этих требований заметно ограничивает периоды времени, когда можно наблюдать тот или иной объект.
.
НАБЛЮДЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНАХ
Оптическая и ультрафиолетовая астрономия.
IUE.
Расцвет ультрафиолетовой астрономии, исследующей излучение в диапазоне от 100 до 3000 Å, начался с запуска 26 января 1978 спутника IUE (International Ultraviolet Explorer), созданного НАСА, Европейским космическим агентством (EКA) и Великобританией. Спутник имел телескоп с диаметром зеркала 45 см и четыре ультрафиолетовых спектрографа и мог изучать объекты до 16-й звездной величины. Близкая к геостационарной орбита IUE обеспечивала сканирование Атлантики; до 1995 управление спутником 16 ч в сутки шло из Годдардского космического центра в Гринбелте (шт. Мэриленд, США), а оставшиеся 8 ч – с радиоастрономической станции EКA под Мадридом (Испания). 1 октября 1995 управление полностью перешло к EКA. Поскольку имелся постоянный контакт со спутником, астрономы могли управлять наблюдениями в реальном времени, выбирать время экспозиции и порядок наблюдения объектов. Такой гибкости обычно не бывает при работе со спутниками на низких орбитах, для которых требуется заранее составлять программу наблюдений.
IUE предназначался для работы в течение шести месяцев, но успешно функционировал более 18 лет, до 30 сентября 1996, когда был отключен из-за финансовых проблем EКA. Спутник провел около 100 тыс. наблюдений 9300 объектов, архив которых доступен по компьютерным сетям всем астрономам мира. Среди важнейших результатов IUE – изучение хромосфер горячих звезд, измерение скорости потери вещества массивными звездами, определение температуры белых карликов, изучение квазаров и скорости звездообразования в галактиках.
«Хаббл».
Когда IUE еще только был запущен, НАСА и EКA уже готовили ему значительно более мощного преемника – космический телескоп им. Хаббла. Имея зеркало диаметром 2,4 м, он должен был получать изображения объектов и проводить их спектральные измерения. Запланированный на 1983 запуск был отложен на 7 лет, вначале из-за задержки проекта, а затем из-за катастрофы космического корабля «Челленджер» в 1986. Вскоре после того, как 25 апреля 1990 КК «Дискавери» был выведен на орбиту, астрономы выяснили, что зеркалу телескопа придана неправильная форма, что оно имеет сильную сферическую аберрацию и дает размытые изображения. Были и другие серьезные проблемы. Неверно спроектированные солнечные батареи каждый раз при переходе спутника с теневого участка орбиты на солнечный начинали вибрировать, вызывая дрожания телескопа, которые система его наведения не могла компенсировать.
От большинства запланированных для «Хаббла» программ пришлось отказаться или урезать их. Спектральные измерения требовали времени в несколько раз больше расчетного. Четкость некоторых изображений удавалось доводить до расчетной в 0,1 угловой секунды, но только после сложной компьютерной обработки. Способность «Хаббла» получать изображения слабых звезд в других галактиках была под сомнением. Во время ремонтной экспедиции 2–13 декабря 1993 четверо астронавтов заменили панели солнечных батарей и установили новую камеру и корректирующие линзы.См. такжеКОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ «ШАТТЛ».
После этого телескоп стал получать данные, недоступные любому другому инструменту. До 1997 на «Хаббле» использовались широкоугольная (планетная) камера и камера слабых объектов (FOC), а также спектрограф слабых объектов и Годдардовский спектрограф высокого разрешения (GHRS). Камера FOC получает ультрафиолетовые изображения, а прибор GHRS – спектры сверхвысокого разрешения. Во время второго полета к телескопу (11–21 февраля 1997) астронавты «Дискавери» взамен спектрографа слабых объектов и GHRS установили инфракрасную камеру с многообъектным спектрометром и полевой спектрограф, работающий в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Следующий полет к «Хабблу» для установки на нем нового оборудования планируется в районе 2000, чтобы обеспечить ему лидирующее положение и в 21 в.
«Эйнштейн».
Спутник HEAO-2, известный как обсерватория «Эйнштейн» (НАСА, 13 ноября 1978), имел первый фокусирующий рентгеновский телескоп для исследования объектов вне Солнечной системы. Излучение фокусировалось при косом падении на зеркало, составленное из гиперболоидов и параболоидов. Сфокусированное ими излучение в большинстве наблюдений направлялось на изображающий пропорциональный счетчик (IPC), имевший проволочную сетку. Попавший в счетчик рентгеновский квант рождал облачко электронов, положение и мощность которого определялись по току в сетке. На «Эйнштейне»был и другой детектор изображений, а также спектрометры, но высокая чувствительность IPC сделала его самым полезным прибором. «Эйнштейн» исследовал структуру обнаруженных до него скоплений галактик и остатков сверхновых, а также открыл значительно более слабые рентгеновские источники, например, обычные звезды. Благодаря «Эйнштейну», получившему более 4000 изображений источников, рентгеновская астрономия стала зрелой наукой.
Гамма-астрономия.
Гамма-излучение состоит из фотонов с большей энергией, чем рентгеновское. Детекторами гамма-лучей, как правило, служат либо сцинтилляторы (в которых вещество поглощает гамма-кванты, испуская оптические фотоны), либо искровые камеры (в которых высокое напряжение вызывает искровые пробои в тех местах, где гамма-квант взаимодействует с заполняющим камеру газом).
Гамма-астрономия низких энергий (от 200 кэВ до 10 МэВ) в основном изучает источники гамма-вспышек (продолжительностью несколько секунд). Эти источники были открыты спутниками «Вела» США, запущенными в 1963–1970 для контроля за Договором по ограничению ядерных испытаний (1963) и обнаружения незаконных ядерных взрывов. В 1990-х годах эксперимент BATSE на обсерватории «Комптон» (см. ниже) выявил сотни таких вспышек и показал, что они наблюдаются в произвольных местах по всему небу и, по-видимому, никогда не повторяются. Это очень затрудняет их исследование.См. также ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.
Сначала астрономы думали, что причиной этих вспышек служат взрывы на поверхности близких нейтронных звезд, но это предположение не подтвердилось. К 1995 мнения разделились: одни считают, что вспышки связаны с нейтронными звездами неизвестной ранее популяции протяженного галактического гало, простирающегося почти до галактики в Андромеде, а другие полагают, что это катастрофические события во внегалактических объектах на больших красных смещениях.
Гамма-астрономия высоких энергий (выше 10 МэВ) в основном изучает долгоживущие точечные источники и диффузное излучение. Немало таких источников открыл спутник EКA «Cos-B» (запущен 9 августа 1975), а более глубокие исследования в этой области начались после запуска 7 апреля 1991 с помощью КК «Атлантис» обсерватории «Комптон» с четырьмя комплексами приборов: BATSE, OSSE, COMPTEL и EGRET. Приборы OSSE и COMPTEL наблюдают гамма-лучи средней энергии (МэВ). Эксперимент EGRET показал, что в области энергий около 100 МэВ многие источники связаны с радиояркими квазарами, которые выбрасывают двойные струи вещества почти со скоростью света. Особенно мощными источниками жестких гамма-лучей являются квазары, выбрасывающие свои струи почти точно в направлении Земли. Точечными гамма-источниками служат также одиночные нейтронные звезды.См. такжеГАММА-АСТРОНОМИЯ.
Инфракрасная астрономия.
Инфракрасное излучение испускают холодный газ и космическая пыль при температуре от 1000 К и ниже, вплоть до нескольких градусов над абсолютным нулем. Поэтому отличительной чертой ИК-телескопов является то, что сам телескоп и его детекторы должны быть охлаждены до очень низкой температуры, часто лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это достигается применением пассивного охлаждения в дюарах с жидким гелием. Продолжительность работы астрономического ИК-спутника сейчас достигает года, максимум – двух лет, поскольку жидкий гелий испаряется.
УЧАСТОК МЛЕЧНОГО ПУТИ, сфотографированный наземным оптическим телескопом (вверху) и инфракрасным телескопом спутника IRAS (внизу).
Первый полный обзор инфракрасного неба провел астрономический ИК-спутник IRAS (запущен NASA 26 января 1983), получивший изображения неба, по которым был составлен каталог нескольких сотен тысяч инфракрасных источников. Яркость этих источников была измерена на волнах 12, 25, 60 и 100 мкм. Хотя IRAS работал недолго, его влияние на астрономию оказалось огромным, а архив его наблюдений до сих пор служит важнейшим источником данных. До IRAS инфракрасные наблюдения в основном проводили с высотных ракет, запускавшихся Геофизической лабораторией ВВС США на полигоне Уайт-Сэндс. С помощью этих наблюдений были обнаружены области звездообразования и яркие звезды нашей Галактики. Каталог точечных источников IRAS включает десятки тысяч нормальных звезд и тысячи близких спиральных галактик.
Преемником IRAS стала космическая «Инфракрасная космическая обсерватория» (ISO), запущенная ESA 17 ноября 1995 и проработавшая до апреля 1998, когда полностью исчерпался запас жидкого гелия. Этот спутник изучал отдельные источники в диапазоне от 3 до 200 мкм с более высокими чувствительностью и угловым разрешением, чем IRAS.
Охлаждаемый жидким гелием спутник для исследования космического фона COBE (запущен 18 ноября 1989) изучал все небо с низким угловым разрешением, но очень высокой чувствительностью и точностью. Он измерил уровень фонового излучения во всех направлениях в диапазоне волн от 2 мкм до нескольких миллиметров. COBE определил температуру микроволнового фонового излучения и подтвердил его чернотельный спектр, предсказанный космологической теорией Большого взрыва (см. ниже Результаты наблюдений).
Космическая радиоинтерферометрия.
Быстрый прогресс радиоастрономии начался после Второй мировой войны, когда радары были обращены к небу. Но для получения изображений длинноволновых радиоисточников с высоким угловым разрешением требовались гигантские радиотелескопы. Астрономы Кембриджского университета в 1950-х и 1960-х годах разработали метод апертурного синтеза, позволяющий объединить сигналы от нескольких удаленных друг от друга радиотелескопов и получить разрешающую силу как у одного огромного инструмента. К 1980-м годам телескопы разных частей света объединились в единую систему размером с Землю, работая по принципу интерферометра с очень большой базой (VLBI). Разрешение можно еще повысить, добавив к этой системе телескопы на высоких околоземных орбитах или на орбите вокруг Солнца. Первые эксперименты по космической радиоинтерферометрии VLBI проводились в 1980-х годах на советской орбитальной станции «Салют-6» и с помощью американского спутника связи TDRS-1. Первым полноценным телескопом для космической радиоинтерферометрии стал японский «Харука» (HALCA) диаметром 8 м. Он выведен на орбиту 12 февраля 1997 и используется для проведения интерферометрических наблюдений, база которых превышает диаметр Земли в 2,5 раза.
Спутники используются также для изучения очень длинных радиоволн, излучаемых Солнцем, магнитосферами планет-гигантов и межзвездной средой. Поверхности Земли эти волны не достигают, поскольку отражаются от ионосферы. Поэтому «Эксплорер-49» с аппаратурой для регистрации сверхдлинных волн был запущен 10 июня 1973 на орбиту вокруг Луны. Чтобы укрыться от помех, возможно, вскоре вся радиоастрономия переместится на обратную сторону Луны и будет использовать наш естественный спутник как экран от земных радиопередатчиков.См. такжеРАДИОАСТРОНОМИЯ.
РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Наблюдения наземных и космических обсерваторий дополняют друг друга и, как правило, совместно обеспечивают успех в каждой конкретной области астрономии. Ниже рассказано о некоторых достижениях, для которых внеатмосферные наблюдения были особенно важны.
Космология.
Космология исследует Вселенную как целое.См. такжеКОСМОЛОГИЯ В АСТРОНОМИИ.
Фоновое излучение.
Одним из важнейших результатов в космологии 1990-х годов стало исследование спутником COBE фонового микроволнового излучения. Его открыли в 1960-х годах и считали излучением, свободно распространяющимся по Вселенной с того времени, как вещество после Большого взрыва остыло и стало прозрачным (эпоха разделения вещества и излучения). Теория предсказывает, что распределение энергии этого реликтового излучения по длинам волн должно быть представлено кривой, описывающей излучение абсолютно черного тела. К тому же это излучение должно иметь одинаковую интенсивность во всех направлениях на небе, если не считать мелких флуктуаций в сотые доли процента, которые должны наблюдаться в тех местах, где в эпоху разделения уже образовались уплотнения вещества, ставшие в дальнейшем галактиками и скоплениями галактик. COBE впервые показал с высокой точностью, что спектр реликтового излучения действительно чернотельный в широком диапазоне длин волн и что небольшие флуктуации, по-видимому, существуют, как и предсказывает теория Большого взрыва.
Основные свойства Вселенной и шкала космических расстояний.
Измеряя расстояния до объектов, чей свет добирался до нас большую часть жизни Вселенной, и применяя космологическую модель Фридмана – Робертсона – Уолкера, входящую в теорию Большого взрыва, астрономы рассчитывают измерить возраст Вселенной и среднюю плотность ее вещества. В 1960-х годах, когда разворачивалась работа, решение этой классической проблемы космологии казалось в принципе простым. Но на практике оно потребовало глубоких знаний о природе тех объектов, расстояние до которых измерялось. Сначала астрономы надеялись, что космический телескоп «Хаббл» позволит быстро решить проблему, но к середине 1990-х годов выяснилось, что для окончательного решения потребуется много дополнительной работы. Тем не менее после починки в 1993 «Хаббл» позволяет очень точно измерять расстояния до близких галактик, решая таким образом важную промежуточную задачу.
Межгалактическое вещество.
Исследование поглощения света далеких квазаров (см. ниже) в газе, встречающемся по пути от квазара до Земли, стало важной областью космологии. Так, обнаружилось существование небольших облаков водорода, вероятно, находящихся в гало молодых галактик. Эти облака, принадлежащие далеким галактикам, можно наблюдать с помощью наземных телескопов, поскольку их ультрафиолетовые линии поглощения из-за красного смещения попадают в оптическую область спектра. Но менее далекие облака можно наблюдать только с орбиты; изучить их очень важно, поскольку у близких облаков легче заметить некоторые сопутствующие проявления, такие, как слабые оптические линии излучения. Поглощение в спектре далекого квазара, измеренное «Хабблом», и другого квазара, измеренное ультрафиолетовым телескопом во время полета обсерватории «Астро-2» на КК «Индевор» 2–18 марта 1995, указывает на существование межгалактического вещества, которое астрономы уже давно искали, ибо подозревали, что чистый водородо-гелиевый газ остался с эпохи Большого взрыва и сейчас равномерно заполняет Вселенную.
Квазары и активные ядра галактик.
У некоторых галактик есть компактный и мощный источник излучения в самом центре – в ядре; по своей природе он отличается от звезд, звездных скоплений и туманностей, составляющих основную часть галактики. Эти источники, названные активными галактическими ядрами (АГЯ), светят нетепловым излучением в широком диапазоне энергий, а их спектр указывает, что движение газа в них происходит со скоростью в несколько процентов от скорости света. Существует много типов АГЯ, свойства которых различаются в деталях. У сейфертовских галактик АГЯ могут излучать столько же энергии, сколько вся остальная галактика. Другие АГЯ, называемые квазарами, могут быть такими мощными, что родительская галактика почти неразличима в ярком свете ее активного ядра. Наблюдения, проведенные в 1970-х годах рентгеновскими спутниками «Ариель-5», HEAO-1 и «Эйнштейн», показали, что сейфертовские галактики и квазары являются также мощными переменными рентгеновскими источниками. Наблюдения IUE позволили изучить быстро движущийся газ вблизи АГЯ, а IRAS установил, что квазары еще и яркие инфракрасные источники. Только при помощи внеатмосферных наблюдений удалось обнаружить, в каком широком диапазоне энергий излучают активные ядра галактик, и измерить распределение их энергии вдоль этого диапазона.
Рентгеновские наблюдения позволили обнаружить многие ранее не известные АГЯ. Данные IRAS указали, что инфракрасное излучение квазаров испускает теплая межзвездная пыль, окружающая ядро. Внимательное наблюдение за вариациями ультрафиолетового излучения позволило понять, что светящиеся газовые облака, окружающие активные ядра, имеют меньший размер и более сложную структуру, чем казалось вначале. На изображениях близких АГЯ, полученных «Хабблом», центральный источник окружен диском, вдоль оси которого видны конусы излучения. Изображения и спектры радиогалактики М 87, переданные «Хабблом», показали, что из вращающегося диска, как и ожидали теоретики, с большой скоростью выбрасывается струя вещества – джет. Все это укрепляет мнение, что удивительное разнообразие наблюдаемых проявлений у АГЯ и квазаров отчасти объясняется различием в углах наклона их дисков по отношению к земному наблюдателю. Квазары, у которых джет и диск повернуты прямо на наблюдателя, выглядят иначе, чем те, у которых диск виден с ребра. Это различие отчетливо проявляется в гамма-диапазоне: открытые «Комптоном» источники, по-видимому, развернуты точно на нас и поэтому особенно ярки из-за релятивистских эффектов.
Таким образом, результаты внеатмосферных наблюдений подтверждают, хотя и не доказывают пока широко распростра
