Космический телескоп Хаббла был запущен на орбиту Земли в 1990 году — более 25 лет назад. Телескоп Спитцера, инфракрасный брат Хаббла, только что отпраздновал свое 15-летие в космосе. Несколько рентгеновских обсерваторий, в том числе Чандра, XMM-Newton и Ядерный спектроскопический телескопный массив (или NuSTAR), также исследуют космос высоко над поверхностью Земли. В следующем десятилетии НАСА планирует запустить космический телескоп Джеймса Уэбба, который будет вращаться вокруг Солнца и в будущем заменит Хаббла и Спитцера.
Основная причина, по которой мы помещаем телескопы в космос — это обход атмосферы Земли, чтобы мы могли получить более четкое представление о планетах, звездах и галактиках, которые мы изучаем. Наша атмосфера действует как защитный купол, позволяющий пропускать только излучение с определенными длинами волн, блокируя остальные.
В большинстве случаев это хорошо. Никакой крем, защищающий кожу от Солнца, не смог бы нас спасти, если бы мы подвергались бомбардировке высокоэнергетическими рентгеновскими или гамма-лучами всякий раз, когда выходили на улицу. Но это защита означает, что нам не повезло, когда дело доходит до сбора данных в этих диапазонах длин волн в наземных исследованиях. Мы не можем попросить атмосферу сделать какие-либо специальные исключения для света, который мы надеемся изучить нашими телескопами.
Длины волн в атмосфере Земли
Некоторые виды излучения, такие как вышеупомянутые гамма- и рентгеновские лучи, а также большая часть излучения в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, вообще не могут наблюдаться с Земли, потому что они полностью заблокированы атмосферой. Вывод телескопов в космос, за пределы земной атмосферы — это единственный способ увидеть, как выглядит Вселенная в этих длинах волн.
Так почему мы не можем просто наблюдать на длинах волн, которые не полностью заблокированы атмосферой? Это все равно, что пытаться собрать пазл, когда не хватает половины кусочков. Без наблюдений в инфракрасном диапазоне, например, мы бы не поняли, как формируются звезды. Они проводят большую часть своей жизни, светясь в оптическом диапазоне, который мы можем наблюдать с Земли, но вот рождаются они из коллапсирующих облаков газа и пыли, которые излучают в основном в инфракрасном диапазоне. Звезды остаются окутанными этой пылью, и, таким образом, оказываются невидимыми в оптическом диапазоне на самых ранних этапах своей жизни.
Наши исследования черных дыр были бы сильно ограничены без возможности наблюдать их на рентгеновских длинах волн. Черные дыры не могут наблюдаться напрямую, ибо от их гравитации не может вырваться даже свет — поэтому их и называют «черными». Но по мере того, как они собирают окружающий их материал во вращающийся диск, называемый аккреционным, этот материал начинает излучать на рентгеновских длинах волн. Наблюдения в этом диапазоне может дать информацию о массе и размерах черной дыры.
Что такое атмосферная турбулентность?
Но космические телескопы предназначены не только для наблюдений в тех диапазонах длин волн, которые полностью блокирует наша атмосфера. Хотя наша атмосфера позволяет видимому свету проходить сквозь нее, мы по-прежнему выводим на орбиту оптические телескопы, такие как Хаббл. А виновата в этом атмосферная турбулентность, или движения воздуха в атмосфере, которые искажают свет от далеких звезд — особенно сильно это сказывается при съемке с большой выдержкой. В итоге фотографии, сделанные на Земле, оказываются менее четкими, чем сделанные в космосе. Кстати, вы, скорее всего, не раз наблюдали эффект атмосферной турбулентности — мерцание звезд: разумеется, на самом деле они светят непрерывно.
Радиотелескоп Аресибо в Пуэрто-Рико.
Наземные телескопы также зависят от погоды. На земле мы, как правило, устанавливаем оптические и инфракрасные телескопы высоко на горных вершинах или в пустынях, где количество осадков минимально, чтобы мы могли максимизировать количество ночей с ясным небом. Также эти места помогают избежать светового загрязнения из соседних городов, и обычно воздух в них максимально чист и прозрачен. Но в любом случае будут пасмурные или дождливые ночи, когда телескопам на земле не повезет.
Существуют также некоторые длины волн, при наблюдении в которых атмосфера вообще не играет никакой роли (она в них прозрачна), и исследования могут проводиться даже в пасмурных или дождливых условиях. Например, длинные радиоволны не задерживаются атмосферой или облаками. Серьезным ограничивающим фактором для четкости изображений, получаемых радиотелескопами по сравнению с оптическими телескопами, как правило, является размер телескопа, а не атмосфера. Поэтому радиотелескопы строят там, где удобно ставить очень большие тарелки — например, в карстовых известняковых воронках в пуэрториканских джунглях.
Что такое адаптивная оптика?
Астрономы разрабатывают методы улучшения наблюдений здесь, на Земле, чтобы наши наземные телескопы могли лучше конкурировать с космическими, по крайней мере, в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне. Адаптивная оптика, например, позволяет астрономам корректировать искажения или размытия изображений атмосферой с помощью деформируемых зеркал. Наблюдая ближайшую яркую звезду к нужной астрономической цели, приборы могут моделировать движения атмосферы в режиме реального времени. Затем эта модель снова используется в реальном времени для корректировки формы зеркала телескопа, чтобы устранить атмосферные искажения.
Но что если планета или галактика, которую вы хотите наблюдать, находится на небе далеко от яркой звезды, которую можно использовать для этого моделирования? В этом случае астрономы просто стреляют гигантским лазером в небо и наблюдают за искажениями луча — достаточно круто!
Телескоп Хаббла помог нам измерить скорость расширения и возраст Вселенной, детально отобразить различные космические тела в нашей Солнечной системе и наблюдать катастрофические взрывы сверхновых, которыми заканчивается жизнь некоторых звезд. Космический телескоп Спитцера показал нам галактики со времен, когда Вселенная была еще очень молода, и рассказал нам очень много всего о звездных системах за пределами нашей собственной. Мы можем наблюдать многое с земли, но именно космические телескопы имеют решающее значение для раскрытия большей части тайн Вселенной.
