Сайт переехал physreal.com

Запущенная почти четыре года назад, 14 мая 2009 года, космическая обсерватория за время своей работы в полной мере оправдала имя, данное ей в честь первого исследователя недоступной человеческому глазу инфракрасной области спектра — Уильяма Гершеля.

Обсерватория «Гершель» не была первой в своем роде. Её предшественниками в исследовании инфракрасной картины неба были обсерватории IRAS, запущенная в 1983 году, и ISO, запущенная в 1995 году, а также телескопы «Спитцер» и Akari, начавшие свою работу соответственно в 2003-м и 2006 годах. Однако «Гершель» представлял собой не просто очередной шаг вперед, а настоящий прорыв: телескоп «Гершеля» с радиусом зеркала 3,5 метра, наибольший среди космических обсерваторий, по своим техническим характеристикам значительно превосходил телескопы предшественников, что позволило получить более точные и детализированные данные. Широта спектрального охвата делала «Гершель» своеобразным мостом, перекрывающим оба диапазона — инфракрасный диапазон космических обсерваторий-предшественников и субмиллиметровый диапазон наземных телескопов. «Гершель» работал в диапазоне от субмиллиметрового до дальнего инфракрасного (672–55 микрон) и был единственной полноценной космической обсерваторией, исследования которой были посвящены данной части спектра, что сделало полученные с его помощью данные уникальными.

Космические объекты являются источниками излучения в различных областях спектра, от длинноволнового радиоизлучения до коротковолнового рентгеновского и гамма-излучения. Один и тот же объект может оказаться доступным для исследования в различных областях спектра, однако процессы, индикаторами которых является излучение в той или иной области, различны. Инфракрасный и субмиллиметровый диапазоны позволяют получить информацию о холодных объектах, излучение которых представляет собой либо переизлучение поглощенных фотонов внешних источников, либо собственное тепловое излучение. Такие объекты либо не излучают в диапазонах более высоких энергий, например оптическом или ультрафиолетовом, либо излучают очень слабо, и их обнаружение и исследование оптическими и ультрафиолетовыми телескопами затруднено, а то и вовсе невозможно. Так, основной «специализацией» инфракрасных телескопов являются галактики, области звездообразования и протозвезды, пылевые диски, астероиды. В инфракрасном диапазоне наблюдаются и холодные звезды — коричневые карлики. Термоядерные процессы в коричневых карликах не нагревают звезду достаточно для яркого излучения в оптическом диапазоне, и потому наблюдают их также в основном при помощи инфракрасных телескопов.

Рис. 1. Система охлаждения на «Гершеле» 1. Емкость со сверхтекучем гелием сохраняется при температуре кипения (1,65 К или –271,5°C). Гелий охлаждает расположенные в фокальной плоскости научные инструменты и три температурных экрана. В процессе кипения с поверхности жидкости испаряется газ, который медленно утекает из емкости в трубки, обвивающие полезную нагрузку и охлаждает ее до температуры от 1,7 К до 4 К. 2. Далее газ утекает в кольца температурных экранов, охлаждая их до 30 К, 50 К и 60 К соответственно. 3. Криостатический сосуд Дьюара, вмещающий в себя емкость со сверхтекучим гелием. Газ выбрасывается в космическое пространство. Сосуд охлаждается до температуры около 70 К путем излучения тепла в пространство. Изображение ESA/PACS/SPIRE/Martin Hennemann & Frédérique Motte, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA/Irfu — CNRS/INSU — Univ. Paris Diderot, France

Многие холодные объекты имеют температуру, близкую к абсолютному нулю, и пытаться наблюдать их при помощи более теплого инструмента аналогично попытке увидеть звезду на залитом Солнцем полуденном небе. Потому ключевым элементом для работы инфракрасной обсерватории является охлаждение, а срок ее работы определяется запасом охладителя. Все три прибора «Гершеля» (HiFi, PACS и SPIRE) охлаждались криостатом (рис. 1). При запуске обсерватории в особый сосуд Дьюара было помещено более 2000 литров сверхтекучего гелия, имевших температуру ниже –271°C. Гелий, испаряясь с постоянной температурой, постепенно опустошал сосуд. Для определения момента достижения EoHe (end-of-helium) — исчерпания запасов гелия — на обсерватории был установлен ряд температурных датчиков. 29 апреля 2013 года превышение допустимой температуры зарегистрировали два из них, что позволило официально заявить о том, что момент EoHe достигнут.

Рис. 2. Изображение галактики Андромеда, полученное при помощи обсерватории «Гершель». Яркие красные регионы в изображении галактики Андромеды, — это области звездообразования, которые были одним из основных объектов исследования «Гершеля». Цветовое кодирование картинки отображает температуру областей: от холодных (несколько десятков градусов Кельвина) красных до более теплых голубых. © ESA/Herschel/PACS & SPIRE Consortium, O. Krause, HSC, H. Linz

За время своей работы «Гершель» провел исследования множества объектов: галактик (рис. 3), молекулярных облаков, пылевых дисков вокруг звезд, астероидов, в том числе астероида Апофис (рис. 3), который пройдёт вблизи Земли в 2029 году, комет. Уникальные изображения, полученные на «Гершеле», послужили своеобразной иллюстрированной историей звездообразования. Они позволили по-новому взглянуть на механизм возмущения газа турбулентностью, приводящий к образованию волокнистой структуры в холодных молекулярных облаках. Если условия подходящие, то впоследствии гравитация, начиная преобладать, дробит волокна на компактные ядра. Протозвезды, находящиеся глубоко внутри таких ядер, слегка нагревают окружающую пыль. Всего на несколько градусов выше абсолютного нуля, однако достаточно для того, чтобы чувствительные приборы «Гершеля» выявили их расположение.

Рис. 3. Изображение астероида Апофис, полученное при помощи обсерватории «Гершель» на трёх длинах волн: 70, 100 и 160 нм, во время его прохождения вблизи Земли 5–6 января 2013 года. Эти изображения помогут астрономам более точно оценить траекторию астероида, который в 2029 году приблизится к Земле ближе геостационарных орбит многих спутников. © ESA/Herschel/PACS/MACH-11/MPE/B.Altieri (ESAC) and C. Kiss (Konkoly Observatory)

Также «Гершель» обнаружил водяной пар в протопланетных дисках, окружающих новорожденные звезды, и еще большее количество воды во льдах на поверхности пылинок и в кометах. Полученные «Гершелем» сведения о составе водяного льда кометы Хартли-2, принадлежащей Солнечной системе, позволили сделать вывод о том, что изотопное отношение в воде льдов кометы почти такое же, как в водах океанов Земли.

Изучая звездообразования в далеких галактиках (рис. 4), обсерватория обнаружила, что в некоторых из них этот процесс происходил гораздо более интенсивно, чем в Млечном пути, даже в те времена, когда Вселенная была совсем молода. Как галактика могла поддерживать такие темпы звездообразования в первые миллиарды лет жизни Вселенной — пока неразрешенная загадка для ученых, изучающих формирование и эволюцию галактик.

Рис. 4. Область звездообразования Лебедь-Х (Cygnus-X). На снимке, полученном при помощи обсерватории «Гершель», видны хаотические пылевые и газовые сети, указывающие на точки массового звездообразования. Север находится внизу справа, восток — вверху справа. Изображение ESA/PACS/SPIRE/Martin Hennemann & Frédérique Motte, Laboratoire AIM Paris-Saclay, CEA/Irfu – CNRS/INSU – Univ. Paris Diderot, France

Хотя обсерватория прекратила свою работу, объем данных, полученных с ее помощью, настолько велик, что астрономы еще долгие годы будут заниматься их обработкой и осмыслением. Научные данные, полученные «Гершелем», доступны на сайте Европейского космического агенства, где с ними может ознакомиться любой желающий.

Можно надеяться, что пауза в инфракрасных наблюдениях продлится недолго. Уже скоро, в 2018 году, планируется запуск новой космической инфракрасной обсерватории — телескопа имени Джеймса Вебба, который будет исследовать Вселенную в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне. В России же рассматривается проект более длинноволнового инструмента — космической обсерватории «Миллиметрон».

Источники:
1) Информация по исследованиям при помощи обсерватории «Гершель» на сайте Европейского космического агенства.
2) Сайт астрономических исследований при помощи «Гершеля» (Herschel Astronomers' website), основанный Центром исследований при помощи «Гершеля» (Herschel Science Centre, HSC).