Ночной странник по имени «Гершель»

Сэр Уильям Гершель (Sir Frederick William Herschel, 1738–1822) вошел в историю как создатель самого большого телескопа-рефрактора. Длина этого телескопа составляла целых 40 футов, что соответствует 12 м в метрической системе мер, и для его управления требовалась довольно сложная система лесов, блоков и противовесов. Этот рекорд, вероятно, уже никогда не будет перекрыт — по той простой причине, что необходимость в длиннофокусных рефракторах давно пропала и их место теперь надежно занято рефлекторами. Причем диаметр основного зеркала у самых больших из них вплотную приблизился к длине гершелевского гиганта.

Вероятно, о былых заслугах британского астронома думали те, кто давал имя новому телескопу-рекордсмену. «Гершель» наших дней был выведен на околоземную орбиту 14 мая 2009 года французской ракетой «Ариан-5» вместе с еще одной орбитальной обсерваторией европейской космической программы, спутником «Планк», направлявшемся примерно в то же место.

Туманность NGC 1999 в созвездии Ориона дала повод для шумного триумфа запущенного в прошлом году нового орбитального телескопа «Гершель». Ее темная часть, хорошо видная на снимке, сделанном в январе 2000 года «Хабблом» (на выделенном фрагменте справа), темна не в силу своей непрозрачности, а в силу своей пустоты. Изучение таких туманностей — одна из главных задач «Гершеля». Фото: ESA/NASA/JPL-Caltech/AURA/NSF/STScI/Univ. of Toledo

 

В отличие от «Гершеля» образца 1789 года, нынешний «Гершель» — рефлектор. Его оптическая система состоит из двух зеркал — большого вогнутого параболического и маленького выпуклого гиперболического. Диаметр параболического зеркала 3,5 м — это вчетверо больше самых больших инфракрасных телескопов, используемых сейчас на орбите и в полтора раза больше основного зеркала «Хаббла».

Задачи, которые предстоит решать «Гершелю» и «Планку», сильно различаются, и оборудование на спутниках тоже разное. Однако оба они в определенном смысле обозначили начало нового этапа в истории исследований космоса. И по окончании первого года их пребывания на орбите создававшие их команды получили гран-при Французской ассоциации по авиации и космонавтики (3AF). Причем, поскольку к моменту принятия решения говорить о собственно астрономической составляющей было еще рано, не вызывает сомнения, что во внимание принимались исключительно инженерные особенности отправленных в космос аппаратов. Разговор о «Планке» мы отложим до другого случая, а все внимание уделим «Гершелю». И в особенности — его главному зеркалу.

Кроме того, что оно самое большое, оно еще и сделано из материала, из которого до сих пор на земле зеркала не делали. Самый подходящий материал для изготовления зеркала — это стекло. Иногда в дело идут металлические сплавы: полированная поверхность металла часто служит не хуже стеклянного зеркала. Но зеркала «Гершеля» сделаны из карбида кремния (SiC), больше известного как карборунд. Это очень редкий минерал, практически не встречающийся в природе. Разве только в микроскопических количествах в составе метеоритов.

Главное зеркало собиралось из двенадцати «лепестков» толщиной в несколько миллиметров. И для обеспечения необходимой жесткости оборотная их сторона укреплена ребрами, высота которых меняется от 11 см в центре до 1 см у краев. В процессе сборки лепестки спаивались, потом на специальных стендах при помощи этакого «протряхивания» из подложки зеркала убирались механические напряжения, и только после этого можно было приступать к нанесению отражающего слоя.

Преимущества использованной технологии сейчас уже очевидны. Карборунд не только очень прочен, но и очень легок. При превосходстве в размерах «Гершель» оказался значительно легче «Хаббла». А если бы он делался из тех же материалов, что и «Хаббл», его масса оказалась бы впятеро большей, чем та, которую он имеет, — 1,5 т вместо 300 кг. Но у карборунда есть и еще одно важное достоинство: у него очень маленький коэффициент теплового расширения, и типичные для космического пространства резкие температурные перепады не оборачиваются неприятной рябью на отражающей поверхности.

К концу сентября 2004 года карборундовое главное зеркало нового телескопа ESA было готово к установке. Фото: EADS Astrium/P. Dumas

Впрочем, для того чтобы это не происходило, весь телескоп находится в своеобразной гелиевой «бане», которая поддерживает его температуру на уровне 80–90 К. Кстати, в земных условиях до такой температуры дело доводить не стали, и все испытания проходили при более высокой — в 110 К. Разница температур всего в 20–30 градусов позволила сэкономить миллионы евро, а результаты экспериментов и при 110 К оказались вполне репрезентативны.

Вся эта деятельность заняла полтора десятка лет. И к назначенному сроку закончить ее не удалось: вместо запланированной ранней осени 2007-го «Ариан-5» отправилась на орбиту лишь поздней весной 2009-го. Да и то, старт задержался бы и до осени, если бы ни более менее волевое решение руководства ESA с наземными испытаниями кончать. И 14 мая «Гершель» по широкой эллиптической траектории плавно опустился на так называемую орбиту Лиссажу в земной тени.

 

Ночной полет

 

Как известно, время, за которое искусственный спутник выполняет полный оборот вокруг нашей планеты, не зависит от его массы и определяется исключительно высотой орбиты. Есть среди них и такие, для которых период обращения точно равен астрономическому году. Иначе говоря, спутник совершает оборот вокруг Земли за то же самое время, за какое сама Земля совершает полный оборот вокруг Солнца. А это означает, что спутник, находясь на такой орбите, окажется неподвижным в той системе отсчета, в которой неподвижны Земля и Солнце. И если смотреть с земли, положение его на небе относительно солнца будет неизменным.

Нетрудно догадаться, что коль скоро такая замечательная орбита определяется лишь своей высотой, то она не одна — их бесконечно много, и все они образуют сферу. В какой бы точке этой сферы ни оказался спутник, его положение относительно Солнца останется неизменны. Увы, это теоретическое рассуждение было бы справедливо, если бы гравитационное поле Солнца действовало только на Землю, но не действовало на ее спутники. Мощное гравитационное поле дневного светила раздирает сферу стабильности, оставляя от нее только пять точек, которые называют точками Лагранжа. Некоторые из них уезжают довольно далеко от исходной сферы. Причем все они лежат в одной плоскости — в плоскости земной орбиты (плоскости эклиптики).

Только одна из точек Лагранжа — ее называют L2 — лежит в земной тени. Впрочем, и это утверждение не совсем соответствует истине. Из-за колоссальной разницы в размерах Земли и Солнца, земная тень очень коротка. Так, лунная тень едва-едва дотягивается до Земли, и будь лунная орбита чуть-чуть повыше, мы даже в моменты полных солнечных затмений наблюдали бы не темную кляксу на звездном небе, а яркое солнечное кольцо на синем небосводе. Так примерно видел бы Солнце «Гершель» из L2 — земная тень лишь немного не дотягивается до нее. Это была бы хоть приблизительная ночь. Однако попасть в точку L2 «Гершелю» все-таки не суждено.

Теоретически некоторые из точек Лагранжа устойчивы, а некоторые — неустойчивы. Чтобы понять, что это значит, достаточно представить себе детские качели: у них два положения равновесия — внизу устойчивое и вверху неустойчивое. Конечно, сила, которая «выталкивает» спутник из точки L2, гораздо меньше той, что опрокидывает поднятые в небо детские качели, но тем не менее в самой L2 спутнику не место.

Орбита Лиссажу — один из наиболее известных примеров так называемой квазипериодической траектории. Если бы не Луна, «Планк» и «Гершель» могли бы двигаться по своим орбитам сколь угодно долго, не включая двигатель, никогда не проходя через одну и ту же точку дважды, но и не удаляясь от соответствующей точки Лагранжа. Иллюстрация: ESA

Устойчивость устойчивых точек Лагранжа тоже очень относительна. Наличие в системе Луны сильно портит всю картину, и любая попытка зафиксировать свое положение в системе Солнце–Земля будет стоить космическому аппарату затрат энергии. И оказывается, что для «Гершеля» энергетически гораздо выгоднее двигаться на некотором удалении от L2 по кривой, получившей название орбиты Лиссажу (Lissajous orbit). В своем движении «Гершель» будет то опускаться под плоскость эклиптики, то подниматься над ней на полмиллиона километров, а азимутальной плоскости его удаление от L2 будет еще больше, достигая 800 тыс. км.

Так что земную тень в полной мере использовать не удастся. Но самим наблюдениям солнечный свет сильно не помешает: ведь его рассеяние на космической пыли совершенно ничтожно. Однако он нагревает аппарат, значительно сокращая время, на которое могло бы хватить имеющегося гелия.

 

Острова имени Канта

 

Среди разнообразных парадоксов, с которыми было связано познание бесконечности, был и такой. Если Вселенная бесконечна и если она заполнена материей равномерно, то светимость звездного неба должна быть одной и той же для любого направления. В самом деле, представим себе узкий конус, в вершине которого расположен глаз наблюдателя. Будем нарезать его ломтями одинаковой толщины перпендикулярно лучу зрения. Вблизи Солнечной системы объем этих ломтей будет довольно невелик, а сами они будут оставаться пустыми (ведь мы же договорились, что конус очень узкий!).

Но вот на расстоянии в несколько сотен, а лучше даже миллионов световых лет ситуация кардинально меняется: объем ломтей растет пропорционально квадрату расстояния, и звезд в них становится все больше. (Строго говоря, речь идет о математическом ожидании количества звезд, к тому же для нас важно добраться до первого непустого фрагмента, так как звезды в нем не позволят увидеть звезды позади него.)

Чем дальше окажется от Земли первый заполненный ломот нашего воображаемого конуса, тем слабее будет свет от заполняющих его звезд, ведь для каждой из них свет будет ослабляться обратно пропорционально квадрату расстояния. Однако самих этих звезд будет больше в той же самой степени, так как площадка поперечного сечения конуса растет прямо пропорционально квадрату расстояния.

Вывод, который следует из этого рассуждения, довольно неожиданен: каждая точка неба должна светиться по крайней мере так же ярко, как Солнце. А может даже и гораздо ярче: ведь Солнце загораживает бесконечное количество звезд, находящихся внутри светового конуса, который образуют лучи, исходящие из глаза наблюдателя и проходящие через Солнце.

Чтобы разрешить этот парадокс знаменитый немецкий философ Иммануил Кант (Immanuel Kant, 1724 –1804) еще в XVIII веке предложил свою теорию островной вселенной (Welteninseln). Смысл ее заключается в том, что звезды в бесконечной вселенной распределены неравномерно, и эта неравномерность устроена так, чтобы бы мешать свету подавляющего большинства космических светил достичь земли.

Этот снимок был сделан «Гершелем» 20 мая 2010 года. Каждая точка на нем — это целая галактика, содержащая миллиарды звезд. Расстояние до этих галактик оценивается в 10–12 млрд световых лет. Фото: ESA

Теория Канта сыграла огромную роль в истории астрономии и потом, как это происходит с подавляющим большинством теорий (или даже с ними со всеми), была отринута и к настоящему времени основательно забыта. Чернота ночного неба теперь объясняется совсем иначе, чем во времена Канта. Центральный пункт современного объяснения заключается в том, что отринуто едва ли не главное завоевание Научной революции XVII века — теория бесконечной вселенной. В наши дни даже теории, допускающие бесконечность Вселенной, ограничивают ее видимая часть сферой радиусом в 14 млрд световых лет.

Но и это еще не все. Вселенная расширяется, и скорость наблюдаемых звезд по отношению к наблюдателю тем больше, чем они дальше. И поэтому те звезды, которые вблизи ярко пылают, издали будут светить разогретыми или даже уже потухающими угольками. И в картинке, нарисованной Кантом, самые далекие части конуса, в которых больше всего звезд, окажутся и самыми неважными — потому что эти звезды черны и невидимы глазу.

Но именно их-то и видит глаз «Гершеля»!

Черная дыра в зернистом небе

В подтверждение истинности рассуждений, столь талантливо опровергавшихся Кантом, достаточно привести только одно высказывание руководителя проекта HerMES (Herschel Multi-tiered Extragalactic Survey) Себа Оливера (Dr Seb Oliver), процитированное в  пресс-релизе университета Суссекса (University of Sussex):

Всего лишь на одном снимке мы можем видеть в десятки раз больше галактик, чем было сфотографировано всеми подобными телескопами до сего дня.

На представленном сначала журналистам, а потом и публике снимке галактики крупными зернами заполняют все видимое пространство. И кажется вполне уместным удивление, с которым Гершель однажды воскликнул по-немецки: «Hier ist ein Loch wahrhaftig in Himmel!», что означает «Да тут настоящая дыра в небе!». В тот день 1774 года сэр Уильям изучал созвездие Скорпиона, содержащее наибольшое количество звезд среди зодиакальных созвездий. Немецкую фразу подслушала сестра ученого Кэролайн и сообщила о ней потомкам. По легенде, удивление охватило великого астронома, когда его взгляд случайно упал на пылевую туманность Конская голова в созвездии Ориона, до официального открытия которой оставалось еще более ста лет.

Возможно, это было и что-то другое, но природа таких «дыр» теперь хорошо известна: это пылевые туманности, в которых процесс образования звезд пока еще не закончился. Реакция термоядерного синтеза пока еще не началась, и вещество внутри нее довольно холодно. Теперь, уже с помощью нового «Гершеля», можно убедиться, что никакой дыры в этом месте нет. Снимок, сделанный в инфракрасных лучах, позволяет убедиться, что темные места Конской головы светятся — и довольно ярко.

Туманность Конская голова — одна из самых известных. Ее необычная форма всегда привлекала к себе внимание любителей астрономии. Конская голова расположена на краю туманности IC434, в которой идут довольно бурные процессы звездообразования. Как удалось выяснить с помощью «Гершеля» (фрагмент снимка — слева внизу), внутри Конской головы они идут не менее интенсивно. Фото: T.A.Rector (NOAO/AURA/NSF) and Hubble Heritage Team (STScI/AURA/NASA); Steve Eales/Univ. of Cardiff, ESA

И все же новый телескоп заставил астрономов вспомнить немецкую фразу сэра Уильяма по другому поводу. В том же созвездии Ориона находится

пылевая туманность NGC 1999, увидеть которую в XVIII веке было невозможно. Ее размеры не превосходят 20–30 угловых секунд, но она неплохо видна на снимках, благодаря соседству с тройной переменной звездой V380 Ориона, масса основной компоненты которой В9 в сто раз превосходит массу Солнца. Эта звездная система ярко подсвечивает края туманности, создавая неплохой контраст для ее темной центральной части.

Было бы естественно полагать, что кажущееся темным окажется светлым в другом частотном диапазоне, как это было в случае с Конской головой. Но как раз этого-то «Гершель» и не обнаружил. В центре туманности оказалась самая настоящая черная дыра — причем в самом что ни на есть прямом смысле слова. Обычно сочетание «черная дыра» применяется для обозначения экзотического астрономического объекта, в котором очень много вещества собрано в не очень большом пространстве. Здесь же в довольно большом пространстве нет практически никакого вещества. И в самом деле «настоящая дыра в небе».

Было бы неправильно утверждать, что «ученые в шоке» или что «никому неизвестно, как такое могло произойти», но факт удивительный. Уже выдвинуто несколько теорий, объясняющих, как такая дыра могла возникнуть, а имеющийся арсенал наблюдательной астрономии — как орбитальный, так и наземный — будет должным образом использоваться для проверки этих теорий. Но дело даже не в этом. За очень короткий срок телескоп «Гершель» дал и научному сообществу, и широкой публике немало поводов для разговоров. А это значит, что от него можно ждать новых самых неожиданных открытий.

Источник