Камера, которая изменила Вселенную
Космический телескоп Хаббл сделал свой первый снимок в 1990 году, однако в полную силу начал работать только в 1993, после первой миссии по его обслуживанию. С этого момента исследования вселенной начали свой стремительный подъем.
Снимок первой миссии по обслуживанию телескопа Хаббл, 1993 год.
Астронавт Джефри Хоффман демонтирует широкоугольную планетарную камеру WFPC 1 для замены.
Большинство снимков кликабельны.
Конечно, это был трепетный момент. В ходе этой миссии были не только исправлены проблемы с главным зеркалом и сферической абберацией, но также и произведен апгрейд главной камеры телескопа.
Широкоугольная Планетарная Камера 2 (WFPC2) — полностью изменила наше представление о Вселенной. Достаточно посмотреть на снимки до и после миссии по обслуживанию!
С 1993 по 2009 год камера WFPC2 была главной рабочей лошадкой на космическом телескопе Хаббл и сделала множество снимков за время своей эксплуатации. Но некоторые из этих снимков можно выделить как изображения, которые изменили наше представление о Вселенной.
«фишкой» Хаббла можно назвать его способность к обзору дальнего космоса. Если вы поднимите голову и посмотрите в ночное небо, то увидите звезды, пространство между которыми представляется черной пустотой. Используя бинокль, вы можете увидеть больше звезд, чем невооруженным глазом, а с помощью телескопа — больше чем с биноклем. Но в какой-то момент вы не найдете больше ничего нового.
Итак, в 1995 году при помощи телескопа Хаббл был проведен интересный эксперимент. Была выбрана часть неба, в которой ранее не наблюдалось звезд, галактик или кластеров, или чего-либо еще интересного. Именно на эту точку и был наведен телескоп в течении нескольких дней для того чтобы узнать, что же из этого получится.
На фото отражен только 1 квадратный градус обзора, или всего 0.005% ночного неба. Таким образом вы можете представить, насколько это ничтожная часть: картина всего ночного неба состоит из 20 000 квадратных градусов. Участок, с которого было получено изображение, выделен на фото контуром в форме буквы «Г» и имеет размер всего 0.002 квадратных градуса! В наблюдаемой нами области было только пять ранее известных звезд — это все, что мы знали об этом участке, но так было ДО Хаббла.
Спустя 10 дней камера WFPC2 сделала в сумме 342 кадра этой области, глядя на эту маленькую часть звездного неба. Один фотон здесь, другой там, часто не фиксируя ничего кроме темноты по несколько минут подряд. Спустя 10 дней все сделанные Хабблом кадры были совмещены и мы получили следующую картину:
Вы знаете, что тут изображено? Каждая светящаяся точка на этом изображении не принадлежит свету ранее известных нам пяти звезд в этой области. Каждая из них — это отдельная галактика! Мы не имели представления о том, как глубока, огромна и полна вещей наша Вселенная, пока не получили это изображение. У вас есть мысли, как много галактик изображено на этой картинке? Единственное, что стоит понимать — это изображение всего 0.002 части небесного свода в 1 градус. А сколько галактик во всей Вселенной?
Возьмем 8% этого изображения, конечно, увеличенного, чтобы вы могли его рассмотреть:
И запомните, каждый одинокий блик, огонек или далекая светящаяся точка — это галактика! На этой картинке их около 350 штук. Обратившись к математике и экстраполируя результат по всей площади ночного неба мы получим примерное число в 10^11 галактик по всей вселенной, вдумайтесь 100,000,000,000 галактик!
Впервые мы получили подтверждение того, что в нашей вселенной по крайней мере сто миллиардов галактик.
Юпитер — самая большая планета солнечной системы. Конечно, это прекрасное зрелище и Хаббл может показать нам удивительные виды его полос и даже извержения на ближайшем спутнике Юпитера — Ио.
Но на сегодняшний день самое крутое, что мы видели, было определено случаем. В 1994 году в Юпитер попала комета!
На кадрах выше наблюдается фрагментация кометы, а после мы зафиксировали несколько точек столкновения с самим Юпитером (фото ниже), которые образовали несколько «отверстий» с завихрениями облачности.
И все же, существуют еще более удивительные вещи, которые сделал Хаббл.
Хаббл может делать снимки не только спиральных и элиптических, но и ультра-редких кольцевых, или кольцеобразных галактик. Есть две теории, согласно которым галактика становится кольцевой и обе они кажутся разумными.
Первая гипотеза образования колец — аккреция вещества карликовых галактик-спутников.
Наиболее вероятным же механизмом рождения кольцеобразных галактик является столкновение гигантской и карликовой галактик. Когда карликовая галактика проходит через центр гигантской, от места столкновения галактик начинает распространяться волна звездообразования, что, со временем, приводит к появлению яркого кольца.
И Хаббл сфотографировал этот процесс.
А теперь поприветствуем Arp 147, единственную известную пару гравитационно взаимодействующих галактик имеющих кольца! Основываясь на знании их движения мы можем сказать, что галактики отдаляются друг от друга и находятся на равном от нас расстоянии.
Это означает, что они «только что» столкнулись и т.к. обе имеют кольца, процесс звездообразования происходит в каждой из них. Это единственный раз, когда мы наблюдали подобное одновременно для двух галактик и мы обязаны этим знанием Хабблу.
Иногда мы получаем от Вселенной подарки. Вместо того чтобы искать отдельные галактики или их скопления, мы получаем изображения двух галактик, находящихся на одной прямой. Когда это происходит, галактика или скопление в середине действует как линза, которая может как увеличивать, так и искажать изображение всего, что находится за ней.
Благодаря WFPC2 мы смогли обнаружить большое количество гравитационных линз и получить огромное количество снимков:
Но это еще не все. Когда вы наблюдаете галактики или кластеры, вам может повезти и за ними будут находится еще галактики/кластеры. Эти фоновые объекты могут выступать в роли линзы. Видите эти синие дуги, которые выглядят как часть круга? Это одни и те же галактики, сфотографированные несколько раз. Из-за высокого разрешения камеры Хаббла WFPC2 мы смогли получить изображения данной галактики и реконструировать его.
В ближайшем будущем мы сможем использовать данный метод для того, чтобы определять в какой момент произошли те или иные события, т.к. мы можем получить 4 различных по времени снимка одной и той же галактики.
И наконец, как же рождаются и умирают звезды? Пожалуй, ни один из имеющихся у нас инструментов не смог дать нам так много информации о том, как рождаются и умирают звезды, как камера WFPC2 телескопа Хаббл. Многие звезды в конце своей жизни превращаются в светящуюся планетарную туманность, которая «живет» до десяти тысяч лет.
Телескоп Хаббл обнаружил планетарную туманность «кошачий глаз» более пятнадцати лет назад и сделал снимок при помощи своей камеры WFPC2. Что из этого получилось?
Серьезно, вы можете сказать что-нибудь кроме «Господи Иисусе»? То что вы видите — «строительный мусор» Млечного Пути.
В нашей галактике около 400 миллиардов звезд. Каждая живет примерно 10 миллиардов лет, что означает, что в среднем за год «погибает» примерно 40 из них. Т.е. в любой момент времени в нашей галактике существует примерно 400 000 планетарных туманностей. Есть несколько весьма впечатляющих, которые попали под взор камеры WFPC2, например, туманность «Песочные Часы»:
Туманность Mz3, названная «муравей»:
Итак, Хаббл смог рассказать нам многое, о том как умирают звезды, но он же и рассказал нам о том, как они рождаются! Как вы видите, эти туманности не только рассеиваются за несколько тысяч лет, но и «выплевывают» огромное количество газа из которого образуются новые звезды. Одну из самых зрелищных фотографий этого процесса мы получили из туманности Орла:
Итак, благодаря всем описанным выше способам Хаббл смог изменить наше представление о Вселенной. Но это не конец, как вы могли подумать. В 2009 году была проведена еще одна миссия по обслуживанию Хаббла и сейчас, во всех отношениях, мы имеем еще больше возможностей чем раньше. Последние снимки глубокого космоса показали нам, что теперь мы можем заглянуть почти в два раза дальше, чем раньше:
И получать как никогда ранее детализированные снимки галактик:
Туманности погибших звезд:
Снимок гравитационной линзы, который раньше мы не имели:
И наконец, снимок «Столпа Творения» лучший, чем мы могли даже мечтать:
Вселенная вокруг нас. Все что нам нужно — это смотреть.
Телескоп Хаббл – окно в Космос
Космический телескоп «Хаббл» — автоматическая обсерватория на орбите вокруг Земли, названная в честь Эдвина Хаббла. Телескоп «Хаббл» — совместный проект НАСА и Европейского космического агентства nи входит в число Больших обсерваторий НАСА.
Размещение телескопа в космосе даёт возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна; в первую очередь — в инфракрасном диапазоне. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа в 7—10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле.
История
Идея разместить телескоп на орбите возникла почти сто лет назад. Научное обоснование важности постройки такого телескопа в виде статьи опубликовал астрофизик Лайман Спитцер в 1946-м году. В 65-м его сделали главой комитета академии наук, которая определила задачи такого проекта.
В шестидесятых удалось провести несколько успешных запусков и доставить на орбиту более простые устройства, и в 68-м НАСА дало зеленый свет предтече Хаббла — аппарату LST, Большому Космическому Телескопу, с более крупным диаметром зеркала — 3 метра против хаббловских 2,4 — и амбициозной задаче запустить его уже в 72-м году, с помощью находящегося тогда в разработке космического шаттла. Но расчетная проектная смета вышла слишком дорогой, с деньгами возникали трудности, а в 74-м финансирование и вовсе отменили.
Эдвин Пауэлл ХабблБудущий телескоп планировалось назвать в честь Эдвина Хаббла, астронома и космолога, подтвердившего существование других галактик, создавшего теорию расширения Вселенной и давшего свое имя не только телескопу, но еще научному закону и величине.
Активное продвижение проекта астрономами, привлечение Европейского Космического Агентства и упрощение характеристик позволили в 78-м получить финансирование от Конгресса в размере суммы на сегодняшний день равном примерно 137-и миллионам.
Компании, принимавшие участив в создании телескопа
Телескоп разрабатывали несколько компаний, отвечающих за разные элементы, из которых самые сложные: оптическая система, которой занималась Перкин-Элмер, и космический аппарат, который создавала Локхид. Бюджет вырос уже до 400 млн долларов.
Локхид затянула создание аппарата на три месяца и превысила свой бюджет на 30%. Если посмотреть на истории строительства похожих по сложности аппаратов, то это нормальная ситуация. У Перкин-Элмер же все было значительно хуже. Компания полировала зеркало по инновационной технологии до конца 81-го года, сильно превысив бюджет и испортив отношения с НАСА.
Задержки по созданию остальных компонентов тормозили процесс настолько, что стала известной цитата из характеристики НАСА по поводу графиков работ, которые были «неопределенными и изменяющимися ежедневно».
Интересно, что болванку зеркала им сделала компания Корнинг, которая сегодня выпускает стекла Горилла Гласс, активно используемые в телефонах. Кстати, Кодак получил контракт на изготовление запасного зеркала с использованием традиционных методов полировки, если с полировкой основного зеркала возникнут проблемы.
Запуск на орбиту
Запуск стал возможен лишь к 86-у году, но из-за катастрофы Челленжера, запуски шаттлов приостановили на время доработок.
Хаббл по частям положили на хранение в специальные продуваемые азотом камеры, что обходилось в шесть миллионов долларов в месяц.
В итоге, 24 апреля 1990-го года, шаттл Дискавери стартовал с телескопом на орбиту. К этому моменту на Хаббл потратили 2,5 миллиарда долларов. Общие затраты на сегодня подбираются к десяти миллиардам.
Старт ракеты с телескопом Хаббл
Со времени запуска произошло несколько драматичных событий с участием Хаббла, но главное произошло в самом начале.
Когда после вывода на орбиту, телескоп начал свою работу, оказалось, что его резкость на порядок ниже расчетной. Вместо десятой доли угловой секунды получалась целая секунда. После нескольких проверок, оказалось, что зеркало телескопа слишком плоское по краям: на целых два микрометра не совпадает с расчетным. Аберрация вследствие этого в буквальном смысле микроскопического дефекта делала большинство планируемых исследований невозможными.
Была собрана комиссия, члены которой нашли причину: невероятно точно рассчитанное зеркало неправильно отшлифовали и одна из линз была неправильно установлена.
Человеческий фактор
Установить новое зеркало прямо на орбите было технически невозможно, а спускать телескоп и затем снова выводить — слишком дорого. Решение нашлось изящное.
Да, зеркало было сделано неправильно. Но оно было сделано неправильно с очень высокой точностью. Искажение было известно, и его оставалось лишь компенсировать, для чего разработали специальную систему корректировки COSTAR. Установить ее решили в рамках первой экспедиции по обслуживанию телескопа.
Ремонт телескопа Хаббл
Такая экспедиция — это сложная десятидневная операция с выходами астронавтов в открытый космос. Более футуристической работы и представить нельзя, а ведь это всего лишь техобслуживание.
Всего экспедиций за время работы телескопа было четыре, с двумя вылетами в рамках третьей.
2 декабря 1993-го года шаттл Индевор, для которого это был пятый полет, доставил астронавтов к телескопу. Те установили Костар и заменили камеру.
Костар скорректировала сферическую аберрацию зеркала, сыграв роль самых дорогостоящих очков в истории. Система оптической коррекции выполняла свою задачу до 2009-го года, когда нужда в ней отпала в связи с использованием во всех новых приборах собственной корректирующей оптики. Она уступила драгоценное место в телескопе спектрографу и заняла почетное место в Национальном музее воздухоплавания и астронавтики, после демонтажа в рамках четвертой экспедиции по обслуживанию Хаббла в 2009-м году.
Технические данные
Космический телескоп Хаббл, представляет собой сооружение цилиндрической формы протяжённостью 13,3 м, окружность которого составляет 4,3 м.
Масса телескопа до оснащения спец. оборудованием составляла 11 000 кг, но после установки всех необходимых для исследования приборов общая его масса достигла 12 500 кг.
Питание всего установленного в обсерватории оборудования осуществляется за счет двух солнечных батарей, установленных прямо в корпус данного агрегата.
Телескоп Хаббл — строение
Принцип работы представляет собой рефлектор системы Ричи-Кретьена с диаметром главного зеркала 2,4 м, это дает возможность получать изображения с оптическим разрешением порядка 0,1 угловой секунды.
Установленные приборы
В данном устройстве имеется 5 отсеков предназначенных для приборов. В одном из пяти отсеков долгое время находилась с 1993 по 2009 годы корректирующая оптическая система (COSTAR), она предназначалось для того, чтобы компенсировать неточность главного зеркала. Благодаря тому, что все приборы, которые были установленные, имеют встроенные системы коррекции дефекта, COSTAR демонтировали, а отсек стали использовать для установки ультрафиолетового спектрографа.
На момент отправки аппарата в космос, на нем были установлены следующие приборы: +
Управление
Управляется и контролируется телескоп в реальном времени 24/7 из центра управления в городе Гринбелт в штате Мэриленд. Задачи центра делятся на два вида: технические (обслуживание, управление и мониторинг состояния) и научные (выбор объектов, подготовка задач и непосредственно сбор данных). Еженедельно Хаббл получает с Земли более 100 000 разных команд: это корректирующие орбиту инструкции, и задания на съемку космических объектов.
В ЦУПе сутки разбиты на три смены за каждой из которых закреплена отдельная команда из трех-пяти человек. Во время экспедиций к самому телескопу штат работников увеличивается до нескольких десятков.
Хаббл — телескоп занятой, но даже его плотный график позволяет помочь совершенно любому, даже непрофессиональному, астроному. Ежегодно в Институт Исследований Космоса с Помощью Космического Телескопа поступает по тысяче заявок на бронирование времени от астрономов из разных стран. Около 20% заявок получают одобрение экспертной комиссии и, по данным НАСА, благодаря международным запросам проводится плюс-минус 20 тысяч наблюдений ежегодно. Все эти заявки стыкуются, программируются и отправляются Хабблу из все того же центра в Мэриленде.
Осложняющие факторы в работе телескопа
Передача, хранение и обработка данных телескопа
Данные «Хаббла» сначала сохраняются в бортовых накопителях, на момент запуска в этом качестве использовались катушечные магнитофоны, в ходе последующих экспедиций они были заменены на компьютерное энергонезависимое немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Затем, через систему коммуникационных спутников TDRSS, расположенных на геостационарной орбите, данные передаются в Центр Годдарда.
Архивирование и доступ к данным
В течение первого года с момента получения данные предоставляются только основному исследователю (подателю заявки на наблюдение), а затем помещаются в архив со свободным доступом. Исследователь может подать просьбу на имя директора института о сокращении или увеличении этого срока.
Данные в архиве хранятся в формате FITS, удобном для астрономического анализа.
Наблюдения, выполненные за счёт времени из резерва директора, а также вспомогательные и технические данные, сразу становятся общественным достоянием.
Анализ и обработка информации
Астрономические данные должны пройти ряд преобразований, прежде чем станут пригодными для анализа. Институт космического телескопа разработал пакет программ для автоматического преобразования и калибрации данных. В настоящее время этот процесс происходит автоматически. Однако из-за большого объёма информации и сложности алгоритмов обработка может занять сутки и более.
Астрономы могут также получить необработанные данные и выполнить эту процедуру самостоятельно, что удобно, когда процесс преобразования отличается от стандартного.
Данные могут быть обработаны при помощи различных программ, но Институт телескопа предоставляет пакет STSDAS (англ. Space Telescope Science Data Analysis System — «Система анализа научных данных космического телескопа»). Пакет содержит все необходимые для обработки данных программы, оптимизированные для работы с информацией «Хаббла».
Палитра Хаббла
Снимки Хаббла — это не совсем фотографии в привычном понимании. Очень много информации недоступно в оптическом диапазоне. Многие космические объекты активно излучают в других диапазонах. Хаббл оборудован множеством устройств с разнообразными фильтрами, что позволяют уловить данные, которые позже астрономы обрабатывают и могут свести в наглядное изображение.
Широкоугольная камера, главный прибор «Хаббла», сама по себе чёрно-белая, но оснащена широким магазином узкополосных светофильтров. Полученные снимки выравнивают по яркости, совмещают и обрабатывают для передачи. Именно в этой палитре из красного, зеленого и синего цвета сделаны большинство известных цветных изображений с Хаббла.
Богатство цветов обеспечивают разные диапазоны излучения звезд и ионизированных ими частиц, а также их отраженный свет.
Нужно понимать, что цвета не истинные, и при съёмке в истинных цветах (например, на фотоаппарат) туманность Пузырь будет красной.
Будущее телескопа Хаббл
Хаббл должен сойти с орбиты после 2030-го года. Этот факт кажется грустным, но на самом деле телескоп на много лет превысил длительность своей изначальной миссии.
Предполагалось, что после ремонтных работ, выполненных четвёртой экспедицией, «Хаббл» проработает на орбите до 2014 года, после чего его должен был сменить космический телескоп «Джеймс Уэбб».
Телескоп несколько раз модернизировали, меняли оборудование на все более совершенное, но основной оптики эти доработки не касались.
Значительное превышение бюджета и отставание от графика постройки «Джеймса Уэбба» вынудили НАСА перенести предполагаемую дату старта миссии сначала на сентябрь 2015 года, а затем — на октябрь 2018 года. В настоящее время запуск запланирован на март 2021 года. Но и после этого Хаббл продолжит работать, пока не выйдет из строя. В телескоп вложены невероятные объемы труда ученых, инженеров, астронавтов, людей других профессий и денег американских и европейских налогоплательщиков.
В ответ человечество имеет беспрецедентную базу научных данных и объектов искусства, помогающих понять устройство вселенной и создающих моду на науку.
Сложно понять ценность Хаббла не астроному, но для нас это прекрасный символ достижений человечества. Не беспроблемный, со сложной историей, телескоп стал успешным проектом, который еще, будем надеяться, больше десяти лет будет трудиться на благо науки.
Наиболее значимые наблюдения Хаббла
10 известных снимков телескопа Хаббл
Столпы творения
Это Столпы Творения, названные так потому, что из этих скоплений газа формируются звезды, и потому, что напоминают формой. На снимке — небольшой кусочек центральной части туманности Орел. Туманность эта интересная тем, что крупные звезды в ее центре частично ее же развеяли, да еще и как раз со стороны Земли. Такая удача позволяет посмотреть в самый центр туманности и, например, сделать знаменитый выразительный снимок.
Галактическая роза
Объект Арп 273 — красивый пример коммуникации между галактиками, оказавшимися близко друг к другу. Ассиметричная форма верхней — это следствие так называемых приливных взаимодействий с нижней. Вместе они образуют грандиозный цветок, подаренный человечеству в 2011-м году.
Крабовая туманность
Крабовая туманность находится на расстоянии 6,5 тысяч световых лет и представляет собой остатки взрыва сверхновой в созвездии Тельца. Туманность выступает в качестве источника излучения для изучения небесных тел, которые заслоняют её.
Галактика Самбреро
Галактика M104, более известная как «Сомбреро», получила своё название благодаря выступающей центральной части (балджу) и ребру из тёмного пылевого вещества. Находится на южной окраине созвездия Девы. Была снята телескопом в 2004 году.
Новый вид туманности Конской головы в инфракрасном спектре
В 2013-м году Хаббл переснял туманность Конская голова или Барнард 33 в инфракрасном спектре. И мрачная туманность Конская Голова в созвездии Ориона, почти непрозрачная и черная в видимом диапазоне, предстала в новом свете. То есть, диапазоне.
До этого Хаббл уже фотографировал ее в 2001-м году.
Галактика Андромеды
В 2014 году телескоп Хаббл сделал наиболее высококачественную фотографию галактики Андромеды за всю историю ее наблюдения. Данная галактика самая близкая к Млечному Пути из гигантских галактик. Скорее всего, наша галактика выглядит идентично Андромеде. Миллиарды звезд, составляющие Андромеду вместе образуют мощное диффузное свечение.
Кассиопея А: красочные последствия смерти звезды
Этот снимок наглядно показывает один из сценариев дальнейшей судьбы Сверхновых звезд после взрыва.
На фото 2006-го года — последствия взрыва звезды Кассиопеи А, что случилось прямо в нашей галактике. Прекрасно видна волна разлетающегося из эпицентра вещества, со сложной и детальной структурой.
Туманность Кошачий глаз
Кошачий глаз имеет официальное название NGC 6543, и представляет собой уникальную планетарную туманность в созвездии Дракона. Это одна из наиболее сложных по структуре туманностей. На снимке, сделанным Хабблом в 1994 году, можно наблюдать множество различных сплетений и ярких дугообразных элементов. В центре туманности находится огромное гало диаметром 3000 световых лет, состоящее из газообразного вещества.
Звезда V838 Mon
Туманность Бабочка
Биполярная планетарная туманность в созвездии Скорпион получила свое название благодаря схожести с крыльями бабочки. В центре туманности находится, вероятно, одна из самых горячих звезд во Вселенной — ее температура превышает 200000°C.
Значение в культуре человечества
Ценность работы телескопа Хаббл столь велика, что он перестал быть сугубо научным достижением, давно став культурным явлением, часто появляясь в кино и других видах искусства в разных ипостасях:
