Запущен космический телескоп Гершель
Космический телескоп «Гершель», созданный Европейским космическим агентством, был запущен на околоземную орбиту 14 мая 2009 года с космодрома Куру с помощью ракеты-носителя «Ариан-5». Миссия получила название в честь сэра Уильяма Гершеля, первого исследователя инфракрасного спектра.
Телескоп был размещен на гелиоцентрической орбите вблизи второй точки Лагранжа системы Земля — Солнце. Вместе с телескопом этой же ракетой-носителем был выведен на орбиту астрономический спутник «Планк». Стоимость проекта со стоимостью объединенного запуска составила примерно 1,1 миллиарда евро.
Телескоп «Гершель» стал первой космической обсерваторией для полномасштабного изучения инфракрасного излучения в космосе. Телескоп с зеркалом диаметром 3,5 метра — самый крупный космический телескоп, работающий в инфракрасном спектре, из когда-либо запущенных. Зеркало отполировано в мастерской обсерватории Туорла в Финляндии фирмой Opteon.
Материалом для зеркала послужил карбид кремния — благодаря этому его вес составил лишь 300 килограмм при толщине 20 сантиметров. Зеркало из традиционных материалов весило бы 1,5 тонны. Кроме того, физические свойства карбида кремния позволяют контролировать форму зеркала с точностью до 10 микрометров. Зеркало склеено из 12 элементов. Излучение фокусируется на три прибора с датчиками, имеющими температуру ниже 2 Кельвин.
Датчики охлаждаются жидким гелием при низком давлении, что позволяет понизить его температуру кипения до 1,4 Кельвин, по сравнению с 4,2 Кельвин при атмосферном давлении. Время работы спутника на орбите ограничено количеством гелия на его борту, которое составляет 2 300 литров.
Телескоп предназначен для изучения инфракрасной части излучения от объектов в Солнечной системе, в Млечном пути, а также от внегалактических объектов, находящихся в миллиардах световых лет от Земли, например, новорожденных галактик. Также предполагались исследования по следующим темам: формирование и развитие галактик в ранней вселенной, образование звезд и их взаимодействие с межзвездной средой, химический состав атмосфер и поверхности тел Солнечной системы, включая планеты, кометы и спутники планет.
Во время сеанса связи с «Гершелем» 29 апреля 2013 года с помощью станции дальней космической связи в западной Австралии, ученые получили данные о том, что запас жидкого гелия, необходимого для охлаждения инфракрасной ПЗС-матрицы, который четыре года медленно испарялся, удерживая температуру камер на уровне 271 градус Цельсия ниже нуля, закончился.
Специалисты Европейского космического агентства рассматривали две возможности: отправить «Гершель» на гелиоцентрическую орбиту, где он не встретится с Землей еще несколько сотен лет, или разбить его о лунную поверхность. Последний вариант был бы повторением эксперимента, проведенного с аппаратом LCROSS и разгонным блоком «Центавр», которые специально разбили о лунную поверхность в районе южного полюса.
В результате падения поднялся бы шлейф газа и обломков, который позволил бы получить новые данные о составе поверхности Луны в области вечной тени, и в частности, определить наличие там воды и других летучих веществ. Этот проект прорабатывался группой из 30 ученых, работу которых координировал Нил Боулз из Оксфордского университета. В ноябре 2012 года планировалось начать выбирать возможные места для удара, но в итоге было выбрано первое решение, как более дешевое.
«Гершель» официально завершил свою научную миссию 17 июня 2013 года. Инженеры получили информацию о том, что обсерватория исчерпала большую часть своего топлива, и в 16:25 по московскому времени «Гершель» получил свою последнюю команду, после которой был выведен на орбиту вокруг Солнца, на которой он останется навсегда.
Оборудование
Телескоп «Гершель» — первая космическая обсерватория для полномасштабного изучения инфракрасного излучения в космосе. Телескоп с зеркалом диаметром 3,5 метра — самый крупный космический телескоп, работающий в инфракрасном спектре, из когда-либо запущенных (на 2014 год). Зеркало отполировано в мастерской обсерватории Туорла в Финляндии фирмой Opteon[fi][3]. Материалом для зеркала послужил карбид кремния — благодаря этому его вес составил лишь 300 при толщине 20 см (зеркало из традиционных материалов весило бы 1,5 тонны). Кроме того, физические свойства карбида кремния позволяют контролировать форму зеркала с точностью до 10 мкм. Зеркало «склеено» из 12 элементов[4]. Излучение фокусируется на три прибора с датчиками, имеющими температуру ниже 2 . Датчики охлаждаются жидким гелием при низком давлении, что позволяет понизить его температуру кипения до 1,4 K (по сравнению с 4,2 K при атмосферном давлении). Время работы спутника на орбите ограничено количеством гелия на его борту (2300 литров).
Датчики телескопа:
- Фотокамера со спектрометром низкого разрешения (англ. Photodetecting Array Camera and Spectrometer
,
PACS
). Диапазон спектрометра по длине волны — от 55 до 210 микрометров; спектральное разрешение R — от 1000 до 5000; чувствительность — на уровне −63 . Фотокамера способна давать одновременно изображения в двух диапазонах: 60—85/85—130 мкм и 130—210 мкм при спектральной плотности потока излучения в несколько миллиянских. - Приёмник спектральных и фотометрических изображений (англ. Spectral and Photometric Imaging Receiver
,
SPIRE
). Спектрометр низкого разрешения на диапазон длин волн 194—672 мкм. Спектральное разрешение R — от 40 до 1000 (на длине волны 250 мкм). Спектрометр способен фиксировать объекты со спектральной плотностью потока 100 мЯн для точечных источников и 500 мЯн — для протяжённых. Фотокамера имеет три элемента на длины волн 250, 350 и 500 мкм, с числом точек (пикселей) 139, 88 и 43, соответственно. Она способна фиксировать точечные объекты с плотностью потока 2 мЯн и протяжённые объекты с плотностью потока 4—9 мЯн. Прототип этого устройства прошёл проверку на высотном стратостате «BLAST»[en]. - Гетеродинный датчик для излучения в дальнем инфракрасном диапазоне (англ. Heterodyne Instrument for the Far Infrared
,
HIFI
). Этот спектрограф имеет очень высокое спектральное разрешение — на уровне R=107. Имеет два рабочих диапазона: от 157 до 212 мкм и от 240 до 625 мкм.
Космическая обсерватория «Гершель» завершила свою работу
Обсерватория «Гершель» и туманность Розетта. Рисунок с сайта Европейского космического агенства www.esa.int
29 апреля 2013 года космическая инфракрасная обсерватория «Гершель» истощила запас гелиевого охладителя, и самый полномасштабный проект по исследованию Вселенной в инфракрасном диапазоне был официально завершен. В силу особенностей исследуемых объектов, причина завершения работы обсерватории «Гершель», как и в случае с предшествующими миссиями, — невозможность её дальнейшего охлаждения.
Запущенная почти четыре года назад, 14 мая 2009 года, космическая обсерватория за время своей работы в полной мере оправдала имя, данное ей в честь первого исследователя недоступной человеческому глазу инфракрасной области спектра — Уильяма Гершеля.
Обсерватория «Гершель» не была первой в своем роде. Её предшественниками в исследовании инфракрасной картины неба были обсерватории IRAS, запущенная в 1983 году, и ISO, запущенная в 1995 году, а также телескопы «Спитцер» и Akari, начавшие свою работу соответственно в 2003-м и 2006 годах. Однако «Гершель» представлял собой не просто очередной шаг вперед, а настоящий прорыв: телескоп «Гершеля» с диаметром зеркала 3,5 метра, наибольший среди космических обсерваторий, по своим техническим характеристикам значительно превосходил телескопы предшественников, что позволило получить более точные и детализированные данные. Широта спектрального охвата делала «Гершель» своеобразным мостом, перекрывающим оба диапазона — инфракрасный диапазон космических обсерваторий-предшественников и субмиллиметровый диапазон наземных телескопов. «Гершель» работал в диапазоне от субмиллиметрового до дальнего инфракрасного (672–55 микрон) и был единственной полноценной космической обсерваторией, исследования которой были посвящены данной части спектра, что сделало полученные с его помощью данные уникальными.
Космические объекты являются источниками излучения в различных областях спектра, от длинноволнового радиоизлучения до коротковолнового рентгеновского и гамма-излучения. Один и тот же объект может оказаться доступным для исследования в различных областях спектра, однако процессы, индикаторами которых является излучение в той или иной области, различны. Инфракрасный и субмиллиметровый диапазоны позволяют получить информацию о холодных объектах, излучение которых представляет собой либо переизлучение поглощенных фотонов внешних источников, либо собственное тепловое излучение. Такие объекты либо не излучают в диапазонах более высоких энергий, например оптическом или ультрафиолетовом, либо излучают очень слабо, и их обнаружение и исследование оптическими и ультрафиолетовыми телескопами затруднено, а то и вовсе невозможно. Так, основной «специализацией» инфракрасных телескопов являются галактики, области звездообразования и протозвезды, пылевые диски, астероиды. В инфракрасном диапазоне наблюдаются и холодные звезды — коричневые карлики. Термоядерные процессы в коричневых карликах не нагревают звезду достаточно для яркого излучения в оптическом диапазоне, и потому наблюдают их также в основном при помощи инфракрасных телескопов.
Рис. 1. Система охлаждения на «Гершеле»1.
Емкость со сверхтекучим гелием сохраняется при температуре кипения (1,65 К или –271,5°C). Гелий охлаждает расположенные в фокальной плоскости научные инструменты и три температурных экрана. В процессе кипения с поверхности жидкости испаряется газ, который медленно утекает из емкости в трубки, обвивающие полезную нагрузку, и охлаждает ее до температуры от 1,7 К до 4 К.
2.
Далее газ утекает в кольца температурных экранов, охлаждая их до 30 К, 50 К и 60 К соответственно.
3.
Криостатический сосуд Дьюара, вмещающий в себя емкость со сверхтекучим гелием. Газ выбрасывается в космическое пространство. Сосуд охлаждается до температуры около 70 К путем излучения тепла в пространство. Изображение ESA/PACS/SPIRE/Martin Hennemann & Frédérique Motte, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA/Irfu — CNRS/INSU — Univ. Paris Diderot, France
Многие холодные объекты имеют температуру, близкую к абсолютному нулю, и пытаться наблюдать их при помощи более теплого инструмента аналогично попытке увидеть звезду на залитом Солнцем полуденном небе. Потому ключевым элементом для работы инфракрасной обсерватории является охлаждение, а срок ее работы определяется запасом охладителя. Все три прибора «Гершеля» (HiFi, PACS и SPIRE) охлаждались криостатом (рис. 1). При запуске обсерватории в особый сосуд Дьюара было помещено более 2000 литров сверхтекучего гелия, имевших температуру ниже –271°C. Гелий, испаряясь с постоянной температурой, постепенно опустошал сосуд. Для определения момента достижения EoHe (end-of-helium) — исчерпания запасов гелия — на обсерватории был установлен ряд температурных датчиков. 29 апреля 2013 года превышение допустимой температуры зарегистрировали два из них, что позволило официально заявить о том, что момент EoHe достигнут.
Рис. 2.
Изображение галактики Андромеда, полученное при помощи обсерватории «Гершель». Яркие красные регионы в изображении галактики Андромеды, — это области звездообразования, которые были одним из основных объектов исследования «Гершеля». Цветовое кодирование картинки отображает температуру областей: от холодных (несколько десятков градусов Кельвина) красных до более теплых голубых. © ESA/Herschel/PACS & SPIRE Consortium, O. Krause, HSC, H. Linz
За время своей работы «Гершель» провел исследования множества объектов: галактик (рис. 2), молекулярных облаков, пылевых дисков вокруг звезд, астероидов, в том числе астероида Апофис (рис. 3), который пройдёт вблизи Земли в 2029 году, комет.
Рис. 3.
Изображение астероида Апофис, полученное при помощи обсерватории «Гершель» на трёх длинах волн: 70, 100 и 160 мкм, во время его прохождения вблизи Земли 5–6 января 2013 года. Эти изображения помогут астрономам более точно оценить траекторию астероида, который в 2029 году приблизится к Земле ближе геостационарных орбит многих спутников. © ESA/Herschel/PACS/MACH-11/MPE/B.Altieri (ESAC) and C. Kiss (Konkoly Observatory)
Уникальные изображения, полученные на «Гершеле», послужили своеобразной иллюстрированной историей звездообразования (рис. 4). Они позволили по-новому взглянуть на механизм возмущения газа турбулентностью, приводящий к образованию волокнистой структуры в холодных молекулярных облаках. Если условия подходящие, то впоследствии гравитация, начиная преобладать, дробит волокна на компактные ядра. Протозвезды, находящиеся глубоко внутри таких ядер, слегка нагревают окружающую пыль. Всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, однако достаточно для того, чтобы чувствительные приборы «Гершеля» выявили их расположение.
Рис. 4.
Область звездообразования Лебедь-Х (Cygnus-X). На снимке, полученном при помощи обсерватории «Гершель», видны хаотические пылевые и газовые сети, указывающие на точки массового звездообразования. Север находится внизу справа, восток — вверху справа. Изображение ESA/PACS/SPIRE/Martin Hennemann & Frédérique Motte, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA/Irfu – CNRS/INSU – Univ. Paris Diderot, France
Также «Гершель» обнаружил водяной пар в протопланетных дисках, окружающих новорожденные звезды, и еще большее количество воды во льдах на поверхности пылинок и в кометах. Полученные «Гершелем» сведения о составе водяного льда кометы Хартли-2, принадлежащей Солнечной системе, позволили сделать вывод о том, что изотопное отношение в воде льдов кометы почти такое же, как в водах океанов Земли.
Изучая звездообразования в далеких галактиках, обсерватория обнаружила, что в некоторых из них этот процесс происходил гораздо более интенсивно, чем в Млечном пути, даже в те времена, когда Вселенная была совсем молода. Как галактика могла поддерживать такие темпы звездообразования в первые миллиарды лет жизни Вселенной — пока неразрешенная загадка для ученых, изучающих формирование и эволюцию галактик.
Хотя обсерватория прекратила свою работу, объем данных, полученных с ее помощью, настолько велик, что астрономы еще долгие годы будут заниматься их обработкой и осмыслением. Научные данные, полученные «Гершелем», доступны на сайте Европейского космического агенства, где с ними может ознакомиться любой желающий.
Можно надеяться, что пауза в инфракрасных наблюдениях продлится недолго. Уже скоро, в 2020 году, планируется запуск новой космической инфракрасной обсерватории — телескопа имени Джеймса Вебба, который будет исследовать Вселенную в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне. В России же рассматривается проект более длинноволнового инструмента — космической обсерватории «Миллиметрон».
Источники:
1) Информация по исследованиям при помощи обсерватории «Гершель» на сайте Европейского космического агенства. 2) Сайт астрономических исследований при помощи «Гершеля» (Herschel Astronomers’ website), основанный Центром исследований при помощи «Гершеля» (Herschel Science Centre, HSC).
Ольга Кочина
