Ciemna astronomia

Ciemna astronomia

Alexey Levin
"Popular Mechanics" №8, 2016

Żyjemy w mrocznym i zimnym świecie. Chociaż wszechświat świeci z gwiazdami i kwazarami, jest w nim o wiele więcej nieświecących obiektów. Są wśród nich planety i planetoidy, komety, brązowe karły, gwiezdne dyski gazu i pyłu oraz gigantyczne chmury gazu – założyciele nowych gwiazd. Temperatury tych obiektów wahają się od kilkudziesięciu do około tysiąca kelwinów, więc emitują promieniowanie elektromagnetyczne w podczerwieni, które jest niewidoczne dla ludzkiego oka. Te same promienie docierają do nas z bardzo odległych galaktyk, których światło w drodze na Ziemię ulega dużemu przesunięciu ku czerwieni.

Zasięg podczerwieni ma całkiem przyzwoitych sąsiadów. Prawa strona (od strony krótszych fal) przylega do spektrum optycznego, a lewa ma zasięg submilimetrowy, w którym najzimniejszy kosmiczny gaz gromadzi się z charakterystyczną temperaturą około 10 K. "Promieniowanie w podczerwieni astronomiczne obiektów kosmicznych. W stosunkowo krótkim czasie znalazło się na czele nauki o kosmosie, ale teraz rozwija się niezwykle szybko.

Pierwsze kroki

Promienie podczerwone odkryły wielkiego astronoma Williama Herschela, a nie przez przypadek. W latach 90. XVIII wieku zajmował się teleskopowymi obserwacjami plam słonecznych i używał kolorowych filtrów do ochrony oczu. Wtedy zauważył, że skóra czuje się ciepło inaczej, w zależności od koloru filtra. W 1800 roku Herschel zmierzył się z efektem cieplnym światła słonecznego, rozkładając go na poszczególne kolory za pomocą szklanego pryzmatu i mierząc stopień nagrzewania w różnych częściach spektrum. Stwierdziwszy, że temperatura wzrasta najbardziej w czerwonej strefie, umieścił termometr za jego granicami i zobaczył, że ogrzewanie nadal trwa. Ujawniono niewidzialne promieniowanie, które Herschel nazywał podczerwienią. W drugiej połowie XIX wieku astronomowie zaczęli opanowywać nowe instrumenty do pomiarów termicznych – termopary, termolaby, radiometry i platynowe bolometry, które wykorzystywały silną zależność odporności metalu na temperaturę. Pierwsze sukcesy były bardzo skromne, ale z biegiem czasu metody te ujawniły setki linii absorpcyjnych w zakresie bliskim i środkowym zakresie IR widma słonecznego, a tym samym uzyskano informacje na temat składu atmosfery słonecznej.Za ich pomocą przeanalizowano promieniowanie podczerwone kilku jasnych gwiazd i określono ich temperaturę. Termoelementy próżniowe, wynalezione przez profesora MSU P. N. Lebiediewa (pierwszego, który mierzył ciśnienie światła) i dostosowane do potrzeb astronomii Williama Koblenza, przyniosły znaczne korzyści tym badaniom. Podczas takich obserwacji odkryto pierwsze nadolbrzymie gwiazdy Rigel i Alpha Hercules.

Diagram pokazuje efekt soczewki grawitacyjnej, w której pole grawitacyjne pobliskiej galaktyki zmienia kierunek promieniowania odległej galaktyki, zwiększając ją

Być może najważniejszym odkryciem tej ery został dokonany w 1930 roku amerykański astronom szwajcarskiego pochodzenia Robert Trampler. Odkrył pochłanianie światła gwiazd w przestrzeni kosmicznej i całkiem słusznie przypisał je rozpraszaniu cząstek pyłu międzygwiezdnego. W rzeczywistości Trampler doszedł do tego wniosku na podstawie obserwacji optycznych, ale jego wyniki były największym wkładem w astronomię IR.

Czas się stawić

W pierwszych dekadach drugiej połowy XX wieku astronomia w podczerwieni zdobyła potężne zasoby sprzętowe, radykalnie poszerzając swoje możliwości.Jego arsenał zawierał bardzo czułe bolometry półprzewodnikowe, których prototypy powstały w laboratoriach wojskowych w poprzednich latach (patrz Jak wojna pomaga nauce: walka astronomia, Popular Mechanics, nr 7, 2015). Opracowano metody chłodzenia tych detektorów za pomocą skroplonego gazu – najpierw z azotem, a następnie z helem – w tym celu amerykański astronom Frank Lowe wynalazł specjalny metalowy odwilg, który stosuje się nawet teraz). Wszystko to umożliwiło prowadzenie obserwacji naziemnych we wszystkich obszarach zakresu bliskiego i średniego IR, które są przezroczyste dla promieniowania cieplnego. W rzeczywistości detektor Lowe'a mógł nawet wykryć promieniowanie o długości fali do milimetra, ale takie pomiary wymagały platform o dużej wysokości i przestrzeni.

Utworzenie detektorów półprzewodnikowych doprowadziło do pojawienia się teleskopy IR. Pierwszy taki instrument z aperturą 152-centymetrową zaczął działać w 1970 roku w obserwatorium na Mount Lemmon w Arizonie. W drugiej połowie lat 70. trzy teleskopy o otworach od 300 do 380 cm były obserwowane w Chile i na Hawajach. Pod koniec 1974 roku Amerykańskie Obserwatorium Kuipera, 90-centymetrowy teleskop IR na pokładzie przekształconego wojskowego samolotu transportowego, dostało dwadzieścia lat obserwacji.Z jego pomocą wykryto pierścienie Urana, pary wodnej w atmosferach Jowisza i Saturna oraz zebrano informacje na temat syntezy ciężkich jąder w wybuchu supernowej 1987A.

Głównymi osiągnięciami astronomii IR w latach 1950-1970 była obserwacja procesów narodzin gwiazd ze spadających chmur gazowych, odkrycia skorup kurzu otaczających ginące gwiazdy oraz gromadzenie danych o pyle międzygwiezdnym.

Kosmiczna dojrzałość

Ale prawdziwa rewolucja w astronomii w podczerwieni została dokonana przez statek kosmiczny, który był w stanie prowadzić całodobowe obserwacje we wszystkich częściach widma IR. Pierwszą platformą orbitalną z teleskopem IR był amerykański satelita IRAS (Satelita astronomiczny w podczerwieni), wystrzelona 25 stycznia 1983 r. z bazy lotniczej Vandenberg. Powstał w ciągu zaledwie siedmiu lat z udziałem ekspertów brytyjskich i holenderskich. Pracował tylko przez dziesięć miesięcy, ponieważ pod koniec listopada wyczerpały się dostawy detektorów chłodzenia helem (był to pierwszy udany eksperyment, który uruchomił sprzęt kriogeniczny w kosmosie). W tym czasie IRAS monitorował 96% sfery niebieskiej na ośmiu częstotliwościach w czterech pasmach środkowego i dalekiego zakresu podczerwieni o długości fali 12, 25, 60 i 100 mikronów.

IRAS, rok: 1983.Podczerwone obserwatorium podczerwieni, wystrzelone z kosmodromu Vandenberg za pomocą rakiety wspomagającej Delta-3910

IRAS ważył nieco ponad tonę i nosił stosunkowo mały teleskop z 60-centymetrowym lustrem i 62 czujnikami w płaszczyźnie ogniskowej. Pomimo niewielkich rozmiarów okazał się jednym z najbardziej udanych astronomicznych satelitów w całej historii astronautyki. Wyjaśnił około trzystu nieznanych dotąd źródeł promieniowania podczerwonego, w tym wielu czerwonych olbrzymów i jasnych galaktyk z aktywnym tworzeniem się gwiazd. Dane z IRAS doprowadziły do ​​sensacyjnego odkrycia galaktyk o niezwykle wysokiej jasności w zakresie IR, pięć rzędów wielkości wyższych niż jasność Drogi Mlecznej. Pozwoliło to wykryć protony o niskiej masie, trzy asteroidy i sześć komet w naszym Układzie Słonecznym, które jeszcze nie zdążyły się rozgrzać. Z ich pomocą odkryto cienki płaski krążek otaczający Vegę, najjaśniejszą gwiazdę w gwiazdozbiorze Lyry, która powstała po powstaniu z pierwotnej chmury pyłu gazowego. Później udowodniono, że takie dyski (nazywane są fragmentami lub fragmentarycznymi) otaczają wiele gwiazd i mogą zawierać nie tylko kurz, ale także bryły.A to nie jest pełna lista.

Sukces misji IRAS otworzył drogę do rozwoju innych kosmicznych teleskopów na podczerwień. W 1983 r. ESA zatwierdziła projekt stacji kosmicznej ISO (Infrared Space Observatory), który 17 listopada 1995 r. został wysłany z kosmodromu do Kura na wysoce wydłużoną orbitę ziemną (1000 km perygeum i 70 500 – apogeum). Jej teleskop miał taką samą 60-centymetrową szczelinę jak teleskop IRAS, ale znacznie przekraczał ją w możliwości zapisu promieniowania cieplnego. Jego aparat był wyposażony w dwie matryce czujników, z których każda zawierała detektory podczerwieni o rozdzielczości 1024 (32 × 32), co umożliwiło prowadzenie obserwacji w przekroju 2,5-17 μm. (Technologia wytwarzania takich matryc została stworzona na zlecenie Pentagonu dla systemów naprowadzania pocisków samosterujących, ale odtajniono ją w połowie lat 80.). Inne instrumenty zapewniały obserwacje do górnej granicy strefy dalekiej podczerwieni, co umożliwiło śledzenie chmur pyłu międzygwiezdnego. Przy czułości w paśmie bliskim 12 mikronów, ISO przekroczyło IRAS czterdziestokrotnie, aw rozdzielczości przestrzennej o dwadzieścia. Poza tym pracowała znacznie dłużej. Przy szacowanym okresie życia wynoszącym półtora roku stacja, ze względu na powolne zużycie ciekłego helu, działała normalnie do kwietnia 1998 r.!

ISO, rok: 1995.Teleskop kosmiczny orbitalny, wystrzelony z kosmodromu Kourou za pomocą pojazdu startowego "Arian-4"

W sumie instrumenty ISO wykonały 26 000 obserwacji, które stanowiły podstawę wielu odkryć. Pozwoliły one wykryć cząsteczki dwutlenku węgla i fluorowodoru w przestrzeni międzygwiezdnej i pary wodnej w atmosferze Tytana, największego satelity Saturna. Dali cenne informacje o procesach narodzin gwiazd w ciągu ostatnich 8 miliardów lat i pokazali, że nowe planety mogą powstawać nie tylko w pobliżu nowonarodzonych luminarzy, jak sądzono w tym czasie, ale wokół bardzo starych gwiazd. I tak dalej.

Amerykański Teleskop Spitzer Space wystrzelony z Cape Canaveral 25 sierpnia 2003 roku stał się godnym następcą stacji IRAS i ISO. Nadal działa, nie tylko na bliskim Ziemi, ale na orbicie bliskiej słonecznej. Zasobnik chłodnicy wyschnął w maju 2009 r., Ale kamera podczerwieni nawet w tych warunkach działa w dwóch pasmach krótkofalowych (3,6 i 4,5 μm) z poprzednich czterech. Dzięki temu otworowi teleskop nie przewyższa rozmiarów swoich poprzedników (85 cm w porównaniu do 60), jednak każdy z czterech modułów jego głównej kamery jest wyposażony w matrycę 65 536 (256 × 256) detektorów.Ze względu na wysoką czułość, Spitzer był w stanie obserwować obiekty, które pojawiły się wcześniej niż 3 miliardy lat po Wielkim Wybuchu, którego światło pojawiło się na Ziemi z przesunięciem ku czerwieni około trzech (ISO mogło poradzić sobie z przesunięciem czerwonym równym jeden, a IRAS tylko z trzy dziesiąte).

Spitzer, rok: 2003. Statek kosmiczny do celów naukowych, uruchomiony z miejsca startu w Cape Canaveral przez pojazd startowy Delta-2

Dzięki Spitzerowi astronomowie uzyskali prawie pełny obraz nieba podczerwonego i byli w stanie zrozumieć drobne szczegóły struktury i ewolucji galaktyk podczerwonych. W 2005 r. Dwie grupy naukowców po raz pierwszy wykryły promieniowanie podczerwone z planety pozasłonecznej – satelity gwiazdy HD 209458, otwartego w 1999 r. Później instrumenty Spitzera ujawniły dziesiątki egzoplanet za pomocą tranzytowej fotometrii w podczerwieni i nadal to robią nawet teraz. Na przykład 30 lipca 2015 r. Zespół Spitzera potwierdził istnienie planety HD 219134b z klasy super-ziemi, która znajduje się zaledwie 21 lat świetlnych od Ziemi. Spitzer zebrał również obszerne informacje na temat procesów plantogenezy w pobliżu gwiazd typu słonecznego. Jego sprzęt pozwolił na odkrycie kilku supermasywnych czarnych dziur i dysków do fragmentacji otaczających dziesiątki białych karłów.

"Herschel" – podczas gdy na górze

Oprócz wymienionych teleskopów na podczerwień, były jeszcze inne, nie tak dobrze znane (na przykład japoński orbitujący teleskop Akari, który działał od początku 2006 r. Do końca listopada 2011 r.). Przywództwo w tej dziedzinie podjęło jednak Europejskie Obserwatorium Herschel, wysłane 14 maja 2009 r. W kosmos wraz z obserwatorium mikrofalowym Planck. Podobnie jak Spitzer, porusza się wzdłuż trajektorii heliocentrycznej, która (w przeciwieństwie do partnera amerykańskiego) oscyluje wokół drugiego punktu Lagrange'a, a zatem utrzymuje się w przybliżeniu w tej samej odległości od naszej planety (Spitzer ma około 15 milionów kilometrów za Ziemią w ciągu roku) . Ostatnie spostrzeżenie zrobiła 29 kwietnia 2013 r. – ponownie, z powodu wyczerpania helu. Jej dane są w pełni archiwizowane i mogą być wykorzystywane przez naukowców. Przy głównym zwierciadle o średnicy 3,5 m, Herschel był i nadal pozostaje największym teleskopem kosmicznym.

Gerschel, rok: 2009. Kosmiczny teleskop, wystrzelony z kosmodromu Kourou za pomocą pojazdu startowego "Arian-5"

Instrumenty Herschela zostały dostrojone do obserwacji szerokiego spektrum 55-672 μm, pokrywając prawie cały region dalekiej podczerwieni i część submilimetru.Dlatego został zaostrzony, aby obserwować zarówno najzimniejsze części bliskiej przestrzeni, jak i bardzo odległe obiekty, urodzone mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu. „Herschel” zaobserwować narodziny gwiazd z gazu i pyłu chmury, powstawania i ewolucji pierwszych galaktyk, dokonuje analizy składu chemicznego gazu międzygwiazdowego oraz atmosfer planet, komet i planetoid. I poradził sobie z tymi wszystkimi zadaniami.

Patrząc w przestrzeń kosmiczną. Promieniowanie kosmicznego pyłu z galaktyk w pasmach dalekiej podczerwieni i submilimetrowej. Zdjęcia uzyskane w obserwatorium kosmicznym Gerschel

Poproszono nas o skomentowanie wyników „Herschel” astronoma Europejskiego Obserwatorium Południowego Evanthia Hatsiminauglu, co wydarzyło się dużo pracy z nimi. Zauważyła, że ​​dane te są aktywnie wykorzystywane do tej pory, więc jest jeszcze za wcześnie, aby w pełni ocenić wkład Herschel. Jednak nadal wiadomo, że obserwatorium okazało się źródłem cennych informacji. Na przykład, dzięki niej wiemy, że woda oceanu w postaci lodu w jednym czasie był częścią jąder komet i pojawił się na Ziemi w komety bombardowania jego powierzchni.Sugeruje to, że wiele egzoplanet na kamieniach było w stanie pozyskać ogromne zbiorniki wodne w podobny sposób.

Innym interesującym wynikiem jest detekcja cząsteczek tlenu w przestrzeni międzygwiezdnej. Pomimo faktu, że pierwiastek ten znajduje się na trzecim miejscu po wodorze i helu pod względem jego rozkładu we Wszechświecie, kosmiczne chmury tlenu cząsteczkowego zostały po raz pierwszy odkryte całkiem niedawno, w 2007 roku. To odkrycie, wykonane przy pomocy sprzętu szwedzkiego satelity naukowego "Odin", wymagało potwierdzenia, które uzyskano dzięki "Herschelowi". Ogólnie "Herschel" w pełni uzasadniał związane z tym nadzieje.

Przyszłość. Blisko i niezbyt

Astronomowie wiele oczekują od Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który przeprowadzi obserwacje w obszarze od 0,6 do 27 mikronów. Przy otworze 6,5 m będzie to bardzo duży instrument, nawet na skalę naziemną, a jego rozdzielczość będzie dziesięć razy większa niż rozdzielczość Spitzera. Początkowo zakładano, że kosztowałoby to 1,6 miliarda dolarów i zostanie wysłane do drugiego punktu Lagrange w 2011 roku. Jednak zgodnie z najnowszymi prognozami uruchomienie nastąpi nie wcześniej niż w październiku 2018 r.,a koszt tego wspólnego projektu NASA, ESA i Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej zbliży się do 9 miliardów dolarów i przekroczy cenę Wielkiego Zderzacza Hadronów.


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: