Осталось меньше двух недель до запуска James Webb Space Telescope. Выйдя на орбиту, он будет наблюдать за космосом в инфракрасном диапазоне. Однако James Webb — не первый инфракрасный телескоп. В 2003 году на орбиту вокруг Солнца вышла последняя из «Великих обсерваторий» NASA. Сегодня в рамках специального проекта «Взгляд в темноту» мы расскажем о космическом телескопе Spitzer, который наблюдал за планетами, звездами и галактиками в инфракрасном диапазоне.
Инфракрасная спектроскопия
Космический телескоп Spitzer стал четвертой и последней из «Великих обсерваторий» NASA, каждая из которых наблюдала Вселенную в своем диапазоне длин волн: космический телескоп Hubble — в видимом свете, обсерватория Compton — в гамма-диапазоне, обсерватория Chandra — в рентгеновских лучах. На момент запуска Spitzer был крупнейшим в мире космическим инфракрасным телескопом и уступил этот титул обсерватории Herschel только в 2009 году.
Инфракрасное излучение испускают холодные и слабосветящиеся космические объекты, такие как остывшие звезды, далекие планеты и молекулярные облака. Инфракрасный свет поглощается атмосферой Земли и практически не достигает ее поверхности, что делает невозможным его регистрацию наземными телескопами. Первая инфракрасная орбитальная обсерватория IRAS была запущена в 1983 году в рамках совместного проекта США, Нидерландов и Великобритании. Длившаяся 10 месяцев миссия имела оглушительный успех и вызвала огромный интерес научного сообщества. В этом же году NASA объявило о начале создания космического инфракрасного телескопа, тогда называвшегося Space Infrared Telescope Facility (SITF). В отчете 1991 года 1990-е были названы «десятилетием инфракрасного излучения», а инфракрасный космический телескоп стал «наивысшим приоритетом для новой программы в области космической астрономии».
Однако вскоре бюджет NASA был пересмотрен. Это привело к отмене некоторых запланированных миссий и изменению конструкций многих телескопов, в том числе и Spitzer. Всего за пять лет Spitzer превратился из огромной обсерватории, на создание которой планировалось потратить 2,2 млрд долларов, в телескоп достаточно скромных размеров с затратами менее 0,5 млрд. Однако ряд инновационных решений позволил сохранить уникальные возможности обсерватории.
Новаторские подходы
В 1980-х годах Министерство обороны США инвестировало сотни миллионов долларов в инфракрасные детекторы. Накопленные знания просачивались и в гражданский мир, где астрономы разрабатывали новые инструменты для исследования космоса. За пятнадцать лет инфракрасная астрономия перешла к повседневной работе с широкоформатными детекторами из многих тысяч пикселей. Разрешение детекторов IRAS составляло всего 62 пикселя, тогда как камера Spitzer использовала более 65 тысяч. Впрочем, по современным стандартам это немного.
Революция, произошедшая и в области легкой оптики, позволила снизить массу Spitzer. Обсерватория была запущена ракетой-носителем Boeing Delta-II, а не одной из более крупных и дорогих ракет Titan или Atlas. Несущая конструкция и некоторые зеркала телескопа были почти полностью изготовлены из легкого и прочного бериллия. Телескоп весил менее 50 кг, а сама обсерватория при высоте 4 м весила около 865 килограммов.
Spitzer перед запуском. NASA/KSC
Инновационной стала и орбита Spitzer. Обсерватория вращается не вокруг Земли, а следует за планетой по орбите вокруг Солнца, удаляясь примерно на 1/10 астрономической единицы в год. Траектория защищает обсерваторию от тепла Земли и позволяет охлаждаться от окружающей среды. Spitzer проработал около 5,5 года на 360 литрах жидкого гелиевого хладагента. Для сравнения, IRAS потратила 520 литров хладагента за 10 месяцев. Кроме того, орбита открыла для Spitzer гораздо более обширную область неба. Однако чувствительность телескопа не позволяла Spitzer развернуться ближе чем на 80° к Солнцу — в противном случае телескоп мог бы пострадать от излучения. Отвернуться от звезды более чем на 120° Spitzer тоже не мог, так как тогда он не получал бы достаточно света для выработки электричества. По мере вращения вокруг Солнца менялся угол обзора Spitzer. Некоторые области неба он мог видеть все время, другие — только два раза в год. Однако планирование наблюдений Spitzer было намного проще, чем если бы он находился на околоземной орбите.
Эффективность Spitzer была увеличена и за счет передачи информации с телескопа на Землю. Обсерватория сохраняла данные и дважды в день прерывала наблюдения, чтобы отправить их на Землю по сети дальней космической связи NASA. Этот метод гарантировал, что Spitzer тратил как можно меньше времени на передачу данных. Расписания новых наблюдений отправлялись обсерватории каждую неделю.
Устройство и оборудование телескопа
Так как Spitzer был разработан для обнаружения инфракрасного, то есть теплового, излучения, его детекторы и телескоп должны были работать при температуре всего лишь на 5° выше абсолютного нуля (-268 °C), чтобы собственное тепло обсерватории не мешало наблюдениям. В это же время другая электроника и солнечные батареи на борту космического корабля должна были работать при температуре, близкой к комнатной.
Температуру телескопа и приборной камеры обеспечивал криостат с жидким гелием. Внешняя часть обсерватории была сделана из алюминия и окрашена в черный цвет на стороне, обращенной от Солнца. На противоположной же стороне телескоп блестел. Солнечные батареи также загораживали телескоп от солнечного света. На борту Spitzer работали три прибора. Инфракрасная камера IRAC (Infrared Array Camera) позволяла наблюдать излучение в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах. Для разных длин волн у нее были четыре детектора. Инфракрасный спектрограф IRS (Infrared Spectrograph) обеспечивал спектроскопию как высокого, так и низкого разрешения в среднем инфракрасном диапазоне длин волн. Многополосный фотометр MIPS (Multiband Imaging Photometer for Spitzer) работал в дальнем инфракрасном диапазоне, а также был способен на простую спектроскопию.
Две миссии Spitzer
Обсерватория была запущена 25 августа 2003 года ракетой-носителем Delta 7920H с космодрома Базы Космических сил США на мысе Канаверал во Флориде. Через четыре месяца после запуска телескоп получил свое нынешнее имя — его назвали в честь американского астрофизика Лаймана Спитцера, известного многочисленными исследованиями в области формирования звезд, межзвездной среды, звездных атмосфер и плазмы.
Запуск Spitzer на ракете-носителе Delta 7920H. NASA
Срок службы криостата был оценен в 2,5 года, однако запасы жидкого гелия исчерпались только через 5,5 года — 15 мая 2009 года. Это остановило наблюдения в дальнем инфракрасном диапазоне. Началась «теплая» миссия Spitzer. IRAC продолжала работать и получать ценные изображения вплоть до 30 января 2020 года, когда NASA объявило, что выводит обсерваторию из эксплуатации. Камера все еще могла работать, однако расстояние от обсерватории до Земли стало слишком велико для обмена данными.
Наблюдения и открытия
Spitzer позволил увидеть множество скрытых от астрономов объектов. Например, с помощью обсерватории были получены изображения новорожденных звезд, формирующихся за толстой пеленой космической пыли. Обсерватория помогла определить химические и физические характеристики звездных яслей. В 2004 году Spitzer обнаружил звезду L1014 — самую молодую из когда-либо наблюдавшихся. Вероятно, Spitzer смог заснять и самые первые звезды Вселенной. На изображении квазара в созвездии Дракона, сделанном для калибровки телескопа, после удаления света от всех известных объектов осталось инфракрасное свечение. Возможно, его испустили звезды, образовавшиеся всего через 100 млн лет после Большого взрыва. Вместе с Hubble Spitzer также участвовал в открытии самой далекой из известных галактик — GN-z11, расположенной на расстоянии 13,4 млрд световых лет от Земли.
С помощью Spitzer астрономы показали, что галактика Млечный Путь имеет более прочную стержневую структуру, чем считалось ранее, и обнаружили туманность Двойная Спираль недалеко от центра нашей галактики. Вероятно, она была создана магнитными полями, возникшими из-за вращения газового диска вокруг сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути.
Изображение туманности IC 1396A. NASA/JPL-Caltech/W. Reach (SSC/Caltech)
Spitzer показал, что в нашей галактике гораздо больше углерода, чем думали ученые. Обсерватория впервые обнаружила вокруг умирающей звезды спектральные следы фуллеренов — молекул, представляющих собой замкнутую сферу, состоящую из шестидесяти атомов углерода. Их существование было предсказано очень давно, однако синтезировать фуллерены удалось только в 1980-х годах. Оказалось, что в космосе они образуются самостоятельно.
Снимок туманности Улитка. NASA/JPL-Caltech/Univ. of Ariz.
С помощью Spitzer ученые также обнаружили множество коричневых карликов. Более того, оказалось, что некоторые из них могут иметь собственные планеты. В 2005 году Spitzer впервые напрямую уловил свет от экзопланет — горячих юпитеров HD 209458b и TrES-1b, а также смог определить их температуру и состав атмосферы. Благодаря Spitzer астрономы выяснили, что планеты земной группы не такие уж и редкие и образуются вокруг многих звезд в нашей галактике. Spitzer открыл пять из семи планет в системе звезды TRAPPIST-1. Каждая из них напоминает Землю. Кроме того, три расположены в обитаемой зоне и могут содержать жидкую воду.
Так может выглядеть система TRAPPIST-1. ESO/N. Bartmann/spaceengine.org
Spitzer внес вклад и в изучение планет Солнечной системы, открыв еще одно огромное кольцо Сатурна, состоящее из холодной пыли и вращающееся на расстоянии 13 млн км от планеты — практически в 50 раз дальше, чем другие кольца. Вероятно, эти частицы появились в космическом пространстве после того, как в один из спутников Сатурна — Фебу — врезался крупный метеорит. Частицы поднялись со спутника и остались в сфере притяжения Сатурна, образовав внешнее кольцо.
Одной из целей миссии Spitzer Beyond, стартовавшей в 2016 году, была подготовка почвы для исследований инфракрасного космического телескопа James Webb и поиск кандидатов для более подробных наблюдений. Как и его предшественник, телескоп James Webb будет исследовать Вселенную в инфракрасном диапазоне, но с еще большими техническими возможностями.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
