Тепловая картина вселенной: иеехладнокровные наблюдатели

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) будет первым внеземным астрономическим инструментом с зеркалом, размер которого только немногим уступит апертуре рефлекторов наибольших наземных телескопов. Двойной телескоп «Кек» гавайской обсерватории имеет диаметр 10 м, телескоп «Хобби-Эберли» техасской обсерватории Макдоналда — 9,2 м, телескоп «Субару» Национальной астрономической обсерватории Японии — 8,3 м, четверка самых замечательных телескопов Южной европейской обсерватории, установленная на вершине горы Серро Параналь на севере Чили, — 8,2 м, аналогичные Северный (Гаваи) и Южный (Чили) телескопы интернациональной обсерватории «Джемини» — 8,1 м, а диаметр зеркала JWST образовывает 6,5 м. «Хаббл» если сравнивать с ним — легко карлик: диаметр его главного зеркала всего лишь 2,4 м.

Но главное различие между «Хабблом» и JWST — вовсе не в размере. Устройства «Хаббла» собирают данные в инфракрасных лучах, в видимом свете и в ультрафиолете, а «Уэбб» будет трудиться только в инфракрасном диапазоне. Исходя из этого вернее вычислять его преемником «Спитцера», наибольшей в мире инфракрасной обсерватории космического базирования, которая вот уже 2,5 года трудится в космосе во славу науки.

Ответ NASA послать в космос огромный инфракрасный телескоп говорит о явном росте престижа инфракрасной астрономии, которая до сих пор не имела возможности похвалиться столь масштабными внеземными аппаратами.

Ниже красного

Не смотря на то, что открытие инфракрасного излучения в большинстве случаев относят на счет физики, совершил его один из самых известных звездочетов. В 1800 году первооткрыватель планеты признанный отец и Уран звездной астрономии господин Уильям Гершель увидел, что солнечный свет, пройдя через цветной фильтр, меняет собственную нагревающую свойство. Он разложил солнечные лучи в спектр посредством стеклянной призмы и поместил в каждую цветовую территорию однообразные термометры.

Столбик термометра, освещенного красными лучами, встал выше остальных, а самым низким выяснилось показание термометра, освещенного фиолетовым светом. Для контроля Гершель поставил термометры и по обе стороны границ видимого светового поля. К его удивлению, максимально нагрелся термометр в чёрной территории вблизи красного участка. Гершель осознал, что нашёл невидимые глазу лучи, и скоро установил, что они отражаются и преломляются подобно видимому свету.

Он назвал это излучение калорифическим, другими словами тепловым; позднее его переименовали в инфракрасное (infra по латыни свидетельствует «ниже»).

Основателем ИК-астрономии считается Смит ученый и британский Чарльз, что во второй половине 50-ых годов девятнадцатого века посредством термопары зарегистрировал тепловое излучение Луны. Он кроме этого в первый раз увидел, что земная воздух не пропускает кое-какие частоты ИК-диапазона. Во второй половине 70-ых годов XIX века физик и американский астроном Сэмюел Лэнгли изобрел болометр — тепловой детектор, принимающий трансформации электрического сопротивления термочувствительного элемента, на что падает излучение.

Болометр Лэнгли различал перепады температур около стотысячной доли градуса и исходя из этого скоро отыскал использование в науке о небесных явлениях. С его помощью астрологи измерили тепловое излучение Солнца, Сатурна и юпитера, а после этого и самых Арктура и — ярких звёзд Веги. Но, термоэлектрические сенсоры также не остались без дела.

В 1915 году сотрудник американского Национального бюро стандартов Уильям Коблентц так повысил их чувствительность, что смог детектировать ИК-излучение более чем много светил отечественной Галактики. Позднее он заложил фундамент ИК-спектроскопии, которая со временем превратилась в замечательнейшее оружие астрономии. И наконец, в 1920-е годы американские астрологи, в первую очередь Сет Николсон и Эдисон Петтит, приступили к первому систематическому инфракрасному мониторингу ночного неба.

Потомки ракет

И все же успехи ИК-астрономии в начале ее первого столетия были очень скромны. Главная причина этого — атмосферные помехи. кислород и Азот всего лишь рассеивают инфракрасное излучение, причем не сильный, нежели видимый свет. А вот углекислый газ, озон и в особенности пары воды его еще и поглощают, причем очень деятельно.

В ближней ИК-области имеется три атмосферных «окна», каковые прозрачны для волн с длинами 1,2, 1,6 и 2,2 мкм, исходя из этого в этом диапазоне возможно без особенных неприятностей вести астрономические наблюдения с поверхности Почвы. «Окна» имеются и в средней ИК-территории (к примеру, 5 и 10 мкм), но «раскрываются» они только в разреженном сухом воздухе. Неслучайно мировыми центрами ИК-астрономии стали высокогорная гавайская обсерватория Мауна Кеа и расположенная на 2800-метровой отметке обсерватория Маунт Леммон в Аризоне. Дальний ИК-диапазон для наземных наблюдений по большому счету недоступен: для него остаются только космос и стратосфера.

Прогресс ИК-астрономии продолжительно сдерживался и отсутствием действенных детекторов излучения. термопары и Обычные болометры хороши для неотёсанных измерений, но для регистрации сверхслабого тепла туманностей и далёких звёзд они не хватает чувствительны. К тому же они не владеют спектральной селективностью (их показания зависят от дозы поглощенной тепловой энергии излучения, но не от его спектра).

Действительно, уже в 1980-е годы показались фотоэмульсии, допускающие съемку в ИК-лучах, но лишь с длиной волны не меньше 1,2 мкм (около верхней границы диапазона).

Как это часто не редкость, астрологам помогли армейские. По окончании Второй мировой показались полупроводниковые детекторы ИК-излучений, в базе которых лежал эффект фотопроводимости кристаллов сульфида свинца PbS. Ими оснащали боеголовки американских ракет «воздух-воздух» с тепловым наведением, опробования которых начались в первой половине 50-ых годов XX века.

А уже к середине 1950-х эти устройства стали дешёвы астрологам, каковые для увеличения чувствительности охлаждали их жидким азотом. Но настоящая революция в данной области произошла в первой половине 60-ых годов XX века, в то время, когда доктор наук астрономии Аризонского университета Фрэнк Лоу изобрел высокочувствительный полупроводниковый болометр, регистрирующий дальнее ИК-излучение на всех длинах волн. Данный прибор может трудиться только при глубоком охлаждении жидким водородом (а значительно лучше — гелием).

Новым детектором начали оснащать наземные телескопы, а с середины 1960-х — инструменты, установленные на геофизических ракетах и стратостатах. Позднее показались спектрально-селективные фотоэлектрические приемники ИК-излучения на базе антимонида индия и силицида платины на кремниевой подложке. И уже в 1980-е годы были созданы матричные ИК-детекторы, складывающиеся из тысяч фоточувствительных ячеек, информация с которых обрабатывалась процессорами.

Второе рождение

Новая детектирующая высотные платформы и аппаратура для ее размещения стали причиной стремительному прогрессу ИК-астрономии, что продолжается уже четыре десятилетия. Во Роберт и 1960-второй половине Лейтон и Джерри Нейгебауэр совершили первый детальный мониторинг большей части северного небосвода в ближнем ИК-диапазоне и распознали более 20 000 источников.

В 1967—1975 годах американские астрологи в ходе проекта Hi Star обследовали космос в средней ИК-области посредством телескопов, размещенных на высотных ракетах. В конце 1974 года приступила к двадцатилетней вахте летающая обсерватория «Койпер» — 36-дюймовый инфракрасный телескоп, размещенный на борту переоборудованного военно-транспортного самолета С-141А.

Участники этого проекта совершили много открытий, в частности нашли кольца у Урана и водяные пары в воздухах Сатурна и юпитера, и взяли данные о синтезе тяжелых ядер на протяжении взрыва сверхновой 1987А. Скоро на смену ей придет SOFIA, американо-германская аэрообсерватория с 270-см ИК-телескопом, которая начнет регулярные наблюдения уже в этом году.

Внеземная ИК-астрономия достаточно молода, ее возраст отсчитывается от 23 января 1986 года. В данный сутки ракета-носитель Delta доставила на 900-километровую орбиту спутник IRAS (Infrared Astronomical Satellite), итог сотрудничества США, Великобритании и Нидерландов. с его помощью удалось открыть пара астероидов и комет и обследовать небосвод на четырех частотах среднего и дальнего ИК-диапазона — 12, 25, 60 и 100 мкм. Данный мониторинг разрешил распознать около трехсот тысяч ранее малоизвестных источников инфракрасного излучения, открыть ранее малоизвестный класс весьма ветхих «холодных» галактик и убедительно подтвердить существование балджа — «вздутия» в центре отечественной Галактики.

Станция IRAS проработала только десять месяцев, на большее не хватило запасов жидкого гелия, понижающего температуру ее 60-сантиметрового телескопа до 30 Кельвина. Любопытно, что это первенствовалуспешный опыт с выводом в космос криогенной аппаратуры. Если доверять неподтвержденным, но упорным слухам, Пентагон и до этого пробовал запускать спутники-шпионы с ИК-телескопами на гелиевом охлаждении, но успеха не добился.

18 ноября 1989 года NASA послало в космос 2,3-тонный Cosmic Background Explorer (COBE), собиравший данные в микроволновом и инфракрасном диапазонах. Один из его устройств, полный спектрометр дальней ИК-территории, потребовал сверхглубокого охлаждения и посему отключился по истощении запаса гелия в сентябре 1990 года, остальные же функционировали еще более двух лет. Этому спутнику космология и астрофизика обязаны воистину эпохальным открытием температурных флуктуаций реликтового микроволнового излучения.

В ноябре 1995 года Космическое агентство ЕС вывело на орбиту космическую инфракрасную обсерваторию ISO (Infrared Space Observatory), которая два с половиной года вела наблюдения в диапазоне длин волн от 2,5 мкм до 200 мкм.

В марте того же года Япония запустила 15-сантиметровый ИК-телескоп IRTS, что проработал только 4 семь дней, но смог засечь космические фотоны с длиной волны до 700 мкм. Двумя годами позднее американские космонавты установили на «Хаббле» аппаратный комплекс NICMOS, создающий спектральный анализ и фотосъёмку в ближней ИК-области.

Холодный глаз «Спитцера»

Окончательное слово космической ИК-астрономии — 850-килограммовая обсерватория «Спитцер» (названная в честь пионера орбитальных обсерваторий, американского физика и астролога Лаймана Спитцера), стартовавшая с мыса Канаверал 25 августа 2003 года. Она оснащена телескопом с 85-сантиметровым бериллиевым зеркалом, снабжающим разрешение до одной угловой секунды.

С ним совмещены три детектирующие совокупности: фотометрическая камера, спектрофотометр и спектроскоп (первая собирает данные в диапазоне 3−180 мкм, вторая — 5−40 мкм, а третья — 50−100 мкм), каковые действующий при 5,50 Кельвина. Охлаждение аппаратуры производится жидким гелием, запас которого на борту «Спитцера» изначально составлял 360 л (приблизительно 50 кг). Этого количества должно хватить как минимум на 2,5 года, а при определенном везении и на 5 с лишним лет.

Целый проект обошелся налогоплательщикам в $720 млн.

«Спитцер» стал первой инфракрасной обсерваторией, выведенной не на геоцентрическую (около Почвы), а на гелиоцентрическую (около Солнца) траекторию. Ее выбрали вследствие того что глубочайший космос большое количество «холоднее» околоземного пространства. Инфракрасное излучение отечественной планеты может нагреть спутник до хорошего зимнего морозца (выше 250 Кельвинов, другими словами до -200 Цельсия), тогда как в отдалении от нее спутники остывают до 30−40 Кельвинов (именно это и позволяет экономить гелий и удлинить срок функционирования станции). «Спитцер» движется по околосолнечной орбите за Почвой, но ежегодно отстает от нее примерно на 0,1 астрономической единицы (15 млн. километров).

Список достижений «Спитцера» очень впечатляет. Годом ранее он в первый раз конкретно рассмотрел (конечно, в инфракрасных лучах) две внесолнечные планеты, что ранее было не под силу ни одному инструменту. Его аппаратура разрешила открыть пара сверхмассивных черных дыр и огромные пылевые тучи, окружающие кое-какие звезды. Совсем сравнительно не так давно она нашла органические вещества в газовом окружении звезды IRS 46, отстоящей на 375 световых лет от отечественного Солнца.

Больше двух сотен докладов, заслушанных в январе на последней сессии Американского астрономического общества, содержали данные, взятую со «Спитцера».

«Джеймс Уэбб»

«Спитцер» — последняя из четырех «Громадных обсерваторий» космического базирования, запроектированных NASA еще в 1970—1980-е годы. В то время, когда первая из них, орбитальный телескоп «Хаббл», уже пять лет пребывала на орбите, в том месте начали вспоминать о ее преемнике. Летом 1996 года комитет, в который вошли ведущие астрофизики и астрономы, выступил с проектом космического телескопа нового поколения (Next Generation Space Telescope, NGST). Обращение шла о огромном инфракрасном инструменте с 8-метровым зеркалом.

Предполагалось, что его создание обойдется всего в полмиллиарда американских долларов, другими словами в три раза дешевле, нежели «Хаббл». Позднее данный проект претерпел последовательность модификаций — в частности, зеркало уменьшили до 6,5 м. 10 сентября 2002 года директор NASA Шон О Киф объявил, что новый телескоп будет носить имя одного из прошлых начальников NASA — Джеймса Уэбба. «Джеймс Уэбб» обязан будет трудиться без неестественного охлаждения, исходя из этого около Почвы ему делать нечего, но требования к его околосолнечной орбите большое количество тверже, нежели к орбите «Спитцера».

Последний может не скрываться в земную тень, его устройства надежно защищены от солнечных лучей криогенными экранами. А вот «Уэббу» предстоит все время пребывать в земной тени, вблизи второй точки Лагранжа L2, отстоящей от отечественной планеты на 1,5 млн. км. Дабы не уйти из территории радиационной безопасности, станции придется иногда включать корректирующие двигатели, исходя из этого всегда она трудиться не сможет — так как запас горючего ограничен.

Из-за чего специалисты NASA высказались в пользу инфракрасной, а не оптической обсерватории? «Новый телескоп задуман в первую очередь для поиска самых отдаленных и, следовательно, самых древних объектов Вселенной, каковые физически нереально найти в оптическом диапазоне. В следствии космологического расширения пространства их спектры очень сильно сдвигаются влево, в сторону уменьшения частот.

В то время, когда свет старейших квазаров и звёзд достигает Почвы, длины его волн из-за красного смещения возрастают в десять и более раз, так что максимум его интенсивности попадает в диапазон 1−3 микрометра. К тому же проходящий большие расстояния видимый свет полностью поглощается межзвездным водородом.

В общем, нужен телескоп с пиком именно на границе среднего и ближнего ИК-диапазонов, — говорит «ПМ» узнаваемый астрофизик, доктор наук Аризонского университета Марсия Рике, начальник группы разработки фотокамеры ближнего ИК-диапазона, одной из трех детектирующих совокупностей «Уэбба». — Само собой разумеется, нужно регистрировать кроме этого и фотоны за пределами данной территории, в другом случае пострадает точность измерений. Исходя из этого «Джеймс Уэбб» оптимизирован для достаточно узкого участка спектра, 1−5 мкм, но его рабочая область простирается от 0,6 мкм до 28 мкм.

Она не так широка, как у «Спитцера», но для отечественных целей более чем достаточна. Потому, что мы планируем работать только с коротковолновыми ИК-фотонами и пользоваться более идеальным зеркалом, разрешающая свойство «Уэбба» будет вдесятеро лучше, чем у «Спитцера», — 0,1 угловой секунды. Для наблюдений в дальней ИК-области было нужно бы охлаждать детекторы жидким гелием, а это нежелательно и по техническим, и по научным обстоятельствам.

Потому, что «Уэббу» не нужна криогенная аппаратура, минимальное время его работы образовывает 5 лет, но мы сохраняем надежду, что он прослужит не меньше десяти. Предполагаемая цена проекта уже приближается к $4 млрд., исходя из этого нам приходится быть экономными».

Точки равновесия

Великий механик и французский математик XVIII века Жозеф Луи Лагранж доказал, что в общем случае вращения двух тел различной массы около третьего, намного более массивного, в плоскости орбиты имеются пять мини-областей (в совершенстве точек), при попадании в каковые наименее массивное тело сможет все время занимать одну и ту же позицию довольно двух остальных.

Первые три точки Лагранжа лежат на линии, соединяющей Солнце и Почву, а пятая и четвёртая — в вершинах равностороннего треугольника, основанием которого помогает радиус земной орбиты. Две точки Лагранжа устойчивы — попадание в L4 и L5 снабжает сохранение всей конфигурации на веки вечные. Остальные три точки неустойчивы — тело, выведенное в любую из них, со временем обязательно ее покинет, если не будет корректировать траекторию посредством двигателей.

Точки Лагранжа употребляются космическими агентствами — около L1 курсирует американско-европейская солнечная обсерватория SOHO, а в точку L2 в 2001 году запущена обсерватория WMAP, Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, которая изучает реликтовое микроволновое излучение и испытывает недостаток в защите от излучения Солнца земной тенью. В окрестности данной же точки по той же самой причине будет выведен и «Джеймс Уэбб».

«Папа» лунной программы

Джеймс Эдвин Уэбб (1906−1992) в начале 1940-х дослужился до вице-президента корпорации Sperri, ведущего мирового производителя гироскопов. В юности и на протяжении Второй мировой служил в морской пехоте, позже занимал большие должности в администрации Трумэна, а после этого ушел в нефтяной бизнес. В начале 1961 года Джон Кеннеди внес предложение Уэббу перебраться в Вашингтон и возглавить NASA.

На этом посту Уэбб проработал семь с половиной лет, став признанным отцом программы «Аполло», завершившейся высадкой человека на Луну.

Место в спектре

К инфракрасным относятся электромагнитные волны, протяженность которых укладывается в промежуток от 0,74 мкм (предел восприятия людской глаза) до 2 мм. ИК-диапазон в большинстве случаев подразделяют на ближнюю (0,74−2,5 мкм), среднюю (2,5−50 мкм) и дальнюю (50 мкм — 2 мм) территории (но, существуют и другие градации). Спектры ИК-излучения, как и спектры видимого света, смогут быть линейчатыми (излучение возбужденных атомов и ионов), полосатыми (молекулярное излучение) и постоянными (тепловое излучение жёстких жидкостей и тел).

Цена вопроса

Будущее грандиозного инструмента упирается в бюджет. «NASA вычисляет запуск и строительство телескопа «Джеймс Уэбб» одним из главных приоритетов. Но пока данный проект находится в стадии проработки. Кроме NASA в нем принимают участие Космическое агентство ЕС и Космическое агентство Канады.

Решение еще не принято, но я пологаю, что шансы на утверждение довольно большие», — говорит административный начальник проекта Пол Гейтнер. И не смотря на то, что 10 января директор NASA Майкл Гриффин, выступая на сессии Американского астрономического общества, припугнул ученых, что кое-какие исследовательские проекты из-за недостатка денег нужно будет закрыть, проект «Джеймс Уэбб» он давал слово сохранить.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№41, март 2006).

Случайные записи:

• Подтверждено существование гравитационных волн
• Здоровой пищи нет! точнее, она для каждого своя

Натяжная картина Атлас

Похожие статьи, которые вам понравятся:

• Самые необычные вселенные

  «Эйнштейн и де Ситтер приходят к двум мыслимым типам вселенной; Эйнштейн приобретает так называемый цилиндрический мир, в котором пространство владеет…

• Графеновое покрытие элементов теплообменников и пароконденсаторов позволит увеличить эффективность тепловых электростанций

  На данный момент достаточно большая часть от общего количества электроэнергии, вырабатываемой на всем земном шаре, приходится на долю тепловых…

• Вселенная своими руками: люди как боги

  Подземный туннель для ядерных отходов Слева — пример урановой смолки, справа — друза кристаллов желтого отунита Самый тяжелый из природных химических…

• Квантовые эффекты в масштабе вселенной

  Физики Алексей Старобинский и Вячеслав Муханов, создавшие теорию, которая растолковывает происхождение широкомасштабной структуры Вселенной посредством…