Зачем нужны космические телескопы?

18 января 15:00

130

17 минут на чтение

Любой, кто хоть немного интересуется новостями науки, слышал про Hubble, James Webb или, например, Chandra. Это лишь некоторые из множества космических телескопов, позволяющих астрономам совершать новые открытия и в прямом смысле раздвигать границы мироздания.

Но зачем вообще нужно столько телескопов? Почему какие-то из них спокойно работают на Земле, а другие надо выводить в космос? Почему, скажем, тот же James Webb может увидеть галактику на краю Вселенной, но не особо подходит для изучения околоземных астероидов? Сегодня мы постараемся ответить на эти и другие подобные вопросы.

Читайте также

История космических телескопов

Антон Первушин

12.04.2019

25461

Как люди впервые посмотрели на звёзды из-за пределов атмосферы, как появился «Хаббл» и какие ещё проекты — в том числе российские! — ждут нас в будущем.

Yourong (Vilfate) Wang [CC BY 4.0]

Больше, чем видит глаз

Большую часть человеческой истории основным рабочим инструментом астрономов были только их глаза. Конечно, определять положение и высоту небесных тел и производить определённые вычисления учёным помогали некоторые приспособления. Ещё вспомним весьма хитроумный Антикитерский механизм. Но всё же в Античности и в Средние века то, что человек не мог увидеть самостоятельно, оставалось за границами мироздания.

Изобретение телескопа совершило революцию в астрономии. Впервые в истории люди рассмотрели тела, которые были слишком тусклы для того, чтобы их заметили на ночном небе невооружённым глазом. Кратеры на Луне и фазы Венеры, спутники Юпитера и кольца Сатурна, множество звёзд в полосе Млечного Пути — это лишь некоторые громкие открытия, совершённые вскоре после изобретения телескопа. Благодаря ему окончательно канула в небытие геоцентрическая система мира. Однако, хотя учёные продолжали потрясать мир открытиями, возможности астрономии по-прежнему были ограничены.

Затем появилась фотография, и зарисовки ушли в историю. Кроме того, в отличие от глаза, фотоаппараты накапливали свет, а значит, фиксировали при длительном экспонировании слишком тусклые для глаза объекты и структуры.

Антикитерский механизм до сих пор будоражит умы исследователей древности

Marsyas [CC BY-SA 3.0]

А предпосылки для новой астрономической революции были заложены физиками. Они выяснили, что видимый нами свет на самом деле лишь небольшая часть спектра. Если точнее, человеческий глаз способен воспринимать волны в диапазоне длин от 380 нм до примерно 750 нм. За его пределами лежит настоящий электромагнитный «океан».

Наверняка у вас уже возник вопрос: почему диапазон человеческого зрения столь узок? Почему мы видим именно эти волны, а воспринимать излучение на других длинах не в состоянии? Ответ прост: всё дело в атмосфере Земли. Эволюция наделила нас способностью видеть ровно то излучение, что достигает поверхности нашей планеты.

Часть живых существ видят излучение в части электромагнитного диапазона, недоступной человеческому глазу. Например, птицы чувствительны к ультрафиолету, а у некоторых змей есть органы, позволяющие воспринимать инфракрасное излучение.

Земная атмосфера практически полностью отсекает гамма- и рентгеновское излучение, а также большую часть ультрафиолетового излучения (за последнее стоит поблагодарить озоновый слой), приходящего из космоса. И на самом деле это хорошо: такие лучи крайне вредны для живых организмов. Многие учёные подозревают, что часть массовых вымираний могли быть вызваны близкими вспышками сверхновых, которые уничтожали озоновый слой, из-за чего поверхность нашей планеты становилась открытой для губительного излучения из космоса.

Видимое нами излучение с его цветами — лишь крохотная часть электромагнитного спектра / Popadius

Gringer / Philip Ronan [CC BY-SA 3.0]

Инфракрасное излучение тоже не очень «дружит» с земной атмосферой, в особенности с водяным паром, который очень активно это излучение поглощает. До земли доходят лишь волны ближней части инфракрасного диапазона, наиболее близкие к видимому свету, а также излучение в нескольких довольно узких интервалах (так называемых окнах прозрачности). Всё остальное атмосфера полностью блокирует.

Основная часть микроволнового излучения и радиоизлучения проходит через земную атмосферу, но опять же не вся. Длинные радиоволны не в состоянии преодолеть ионосферу и отражаются от неё. Так что, образно говоря, человечество живёт на дне глубокого колодца и видит лишь небольшой кусочек неба. Чтобы получить полную картину, нужно подняться. О том, как астрономам постепенно удалось решить эту задачу, мы поговорим позднее.

Оптическая астрономия

Четыре больших и четыре маленьких вспомогательных телескопа формируют систему Очень большого телескопа. Он установлен в Чили на высоте больше 2,5 км

ESO / B. Tafreshi [CC BY 4.0]

Начнём с традиционных оптических телескопов — прямых потомков зрительной трубы Галилея.

Как мы уже сказали, видимый свет свободно проходит через земную атмосферу. Но это вовсе не значит, что астрономы спокойно смотрят на небо со своего условного заднего двора, как их предшественники ещё несколько веков назад. Из-за промышленной революции и изобретения электричества стало невозможно проводить сколь бы то ни было серьёзные наблюдения в густонаселённых районах: световое загрязнение и промышленные выбросы не позволяют учёным нормально работать. Так что им пришлось переезжать. Уже с конца XIX века практически все новые обсерватории строили вдали от крупных населённых пунктов. Предпочтение отдавали местам на относительно большой высоте и там, где много ясных ночей в году.

Если вы посмотрите на карту наиболее крупных современных наземных оптических телескопов, то заметите, что большинство из них находится где-то в пустыне или, скажем, на Гавайских или Канарских островах. Наибольшей популярностью сейчас пользуется чилийская Атакама. За счёт большой высоты и экстремально сухого климата местные телескопы могут вести наблюдения практически круглый год.

Но на что вообще способны наземные оптические обсерватории? За последние 30 лет их потенциал радикально увеличился, и всё благодаря цифровой революции. Новые технологии дали наземным обсерваториям возможность делать то, что ещё совсем недавно считалось попросту недостижимым.

Лазеры Очень большого телескопа формируют четыре искусственные звезды рядом с туманностью Угольный Мешок

ESO / F. Kamphues [CC BY 4.0]

Одной из таких революционных новинок стала технология адаптивной оптики. Её суть заключается в следующем. С помощью лазеров телескоп подсвечивает слой атомарного натрия в верхних слоях земной атмосферы — и в небе возникают искусственные «звёзды». Затем компьютер сравнивает их изображения с эталоном — видом звёзд при идеальных, без искажений, условиях — и так определяет параметры атмосферной турбулентности. После этого управляющая система вносит изменения в форму вторичного зеркала телескопа, благодаря чему атмосферные искажения компенсируются, а чёткость изображений, получаемых наземными обсерваториями, приближается к теоретическому пределу.

Вдобавок на смену аналоговой фотографии пришла цифровая съёмка, и появились специализированные программы для анализа изображений. Это радикально увеличило эффективность наблюдений. В качестве наглядного примера вспомним поиски планеты X в первой половине XX века.

Как они выглядели? Астрономы с разницей в пару ночей фотографировали один и тот же участок неба, после чего брали получившиеся фотопластинки и с помощью специального прибора пытались наложить одно изображение на другое, чтобы найти сместившиеся на фоне звёзд точки. Это был долгий и, мягко говоря, не самый эффективный процесс, где ключевую роль играл человеческий фактор.

Снимок Плутона, сделанный автоматической межпланетной станцией «Новые горизонты» 14 июля 2015 года

NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory

Кому-то везло. В 1930 году астроном Клайд Томбо сумел заметить сместившуюся точку на одной из фотопластинок и открыл Плутон. Но, например, о карликовой планете Эрида, которая всего на пару десятков километров меньше Плутона, узнали не сразу. Впервые Эриду сфотографировали ещё в 1954 году, однако истинную её природу распознали лишь в 2005-м.

Теперь необходимость искать объекты вручную отпала навсегда, а с автоматизацией процесс радикально ускорился. Именно поэтому в начале XXI века астрономы открыли так много крупных ледяных тел за орбитой Нептуна. В выигрыше остались все, кроме, пожалуй, Плутона — его убрали из списка планет.

Читайте также

Почему Плутон не планета

Антон Первушин

17.06.2013

95456

И почему от решения астрономов Солнечная система не сократилась, а расширилась.

Был у цифровой революции и другой побочный эффект. Широко распространилась практика обзора неба с использованием автоматизированных телескопов. Она позволила на порядки увеличить число открытых астероидов. Если в 1989 году астрономам было известно всего 10 тысяч малых планет, то к 2005-му их число увеличилось до 100 тысяч, а сейчас оно и вовсе перевалило за миллион.

Но это наземные оптические телескопы. Ещё есть великий и могучий Hubble, который работает вот уже более 30 лет и всё ещё не собирается уходить на покой. За время своей работы он совершил тысячи открытий и фактически стал отцом современной космологии. Hubble помог астрономам измерить возраст Вселенной и обнаружил, что она расширяется с ускорением. Сфотографировал бесчисленное количество галактик, в том числе и те, что существовали в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. Пронаблюдал сезонные изменения на планетах-гигантах Солнечной системы, а сейчас активно помогает учёным исследовать внесолнечные миры.

Hubble был выведен на земную орбиту в далёком апреле 1990 года

NASA, Ruffnax

К 2023 году на основе его данных было написано больше 20 тысяч рецензированных научных статей. Вот уже много лет Hubble удерживает безоговорочное лидерство по этому показателю, оставаясь наиболее продуктивным телескопом в мире.

Но в чём секрет таких успехов Hubble? На момент его запуска технология адаптивной оптики находилась в зачаточном состоянии. Вывод оптического телескопа за пределы земной атмосферы по умолчанию давал огромное преимущество в чёткости изображений и угловом разрешении — даже притом, что его зеркало диаметром 2,4 метра сильно уступает по размерам своим крупнейшим наземным собратьям. Конечно, с тех пор многое изменилось — та же технология адаптивной оптики позволила снизить влияние атмосферных искажений. Но всё же то, что Hubble расположен на орбите, по-прежнему играет очень важную роль. Он замечает то, что наземные обсерватории заметить не могут. К тому же телескопы на Земле не работают при плохой погоде, днём и ограничены небом того полушария, где они расположены.

Итак, благодаря современным оптическим телескопам человек способен на многое: исследовать объекты внутри и за пределами Солнечной системы, искать экзопланеты, изучать галактики и картографировать широкомасштабную структуру Вселенной. Но всё же с их помощью можно наблюдать лишь те небесные тела, что испускают излучение в видимом диапазоне. Во всех остальных случаях на помощь астрономам приходят другие инструменты.

Чем больше, тем лучше

В современной оптической астрономии появился новый тренд: наземные обсерватории увеличиваются в размерах. Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope, ELT), который строят сейчас в Атакаме, в завершённом виде будет представлять собой вращающийся 80-метровый купол, а внутри него разместят составное зеркало диаметром 39 метров. Благодаря ультрасовременной системе управления оно сможет собирать в 100 миллионов раз больше света, чем человеческий глаз, и в 13 раз больше, чем крупнейшие действующие оптические телескопы.

Телескоп ELT начнёт работать к концу этого десятилетия. Он будет выглядеть примерно так

ESO/L. Calçada [CC BY 4.0]

В поисках следов Большого взрыва

Теперь мы поговорим про телескопы, способные видеть в иных областях электромагнитного спектра.

Первопроходцем в области радиоастрономии был Карл Янский. В начале 1930-х годов он обратил внимание на загадочные помехи, мешавшие работе трансатлантического радиотелефона. Со временем ему удалось установить, что их источник находится на небе и совпадает с положением центра Млечного Пути.

В результате этого открытия появились первые антенны, которые были предназначены для изучения неба в радиодиапазоне. Пионерам новой отрасли удалось подтвердить выводы Янского, а также зафиксировать радиоизлучение других небесных тел — например, Солнца и Юпитера.

Солнце, видимое в радиодиапазоне от 25,8 ГГц до 24,6 МГц

PeijinZhang [CC BY-SA 4.0]

Но по-настоящему бурный рост радиоастрономия пережила после Второй мировой войны. Этому способствовал стремительный прогресс в производстве радаров. В Великобритании, а потом и в других странах начали строить принципиально новые телескопы с антеннами — сперва неподвижными, а затем и поворотными.

Вереница открытий не заставила себя ждать. Астрономам удалось обнаружить множество радиоисточников, после чего их начали соотносить с известными оптическими объектами. Некоторые оказались остатками взорвавшихся звёзд, некоторые — галактиками, некоторые — облаками межзвёздного газа.

Были найдены и ранее неизвестные небесные тела. В 1963 году грянула первая по-настоящему громкая сенсация — открытие радиоисточника 3C 273 В телескоп он выглядел как самая обычная звезда. Поэтому первоначально астрономы думали, что 3C 273 расположен где-то на окраине нашей галактики. Но измерения красного смещения позволили установить, что на самом деле он находится на расстоянии пары миллиардов световых лет от нас. Так были открыты квазары — одни из самых ярких и далёких объектов во Вселенной.

Сейчас считается, что квазары — это галактики со сверхмассивной чёрной дырой в центре, активно поглощающей вещество, которое её окружает

ESO / M. Kornmesser [CC BY-SA 4.0]

Следующее эпохальное открытие произошло в 1965 году, когда было найдено реликтовое излучение — своего рода эхо со времён Большого взрыва. Но всего через два года астрономам вновь пришлось переписывать учебники. Тогда сенсацию произвёл источник радиоимпульсов, повторявшихся со строго определённой периодичностью. Некоторое время астрономы даже рассматривали вероятность того, что происхождение этих сигналов может быть искусственным. Неведомый объект даже получил соответствующее обозначение: LGM-1 (от little green men, то есть «маленькие зелёные человечки»). Но вскоре удалось обнаружить и другие источники подобных импульсов. Учёные поняли, что речь идёт о совершенно новом классе тел, и назвали их пульсарами.

Но радиотелескопы применяли не только для изучения объектов дальнего космоса. С их помощью, в частности, удалось выяснить периоды вращения внутренних планет, найти следы водяного льда на полюсах Меркурия и Луны, а также определить форму и характеристики многих околоземных астероидов.

Как и в случае с традиционными оптическими телескопами, современные радиообсерватории обычно размещают подальше от цивилизации, чтобы на них не повлияло излучение от земной техники. Возможно, вы слышали комичные истории о том, как помехи от микроволновки принимали за сигнал из космоса. Вот только астрономам в таких случаях совсем не до смеха. Радиотелескопы предпочитают строить либо в малонаселённых уголках, либо на большой высоте. Например, знаменитый комплекс ALMA, состоящий из 66 мобильных антенн, размещён в Атакаме на высоте больше 5 километров.

Пульсар — это быстро вращающаяся нейтронная звезда с мощными магнитными полями

NASA / JPL-Caltech

Для радиообсерваторий также хорошо подходят долины и воронки естественного происхождения — это позволяет экранировать аппаратуру от электромагнитного излучения. Так, знаменитый Аресибо располагался в естественной карстовой воронке. Как и китайский FAST — ныне самый большой в мире радиотелескоп с заполненной апертурой.

В истории радиоастрономии была и ещё одна важная веха — рождение метода интерферометрии. Его суть заключается в том, что один и тот же объект одновременно наблюдают несколько радиообсерваторий. Затем их данные с указанным точным временем наблюдения (для этого используются атомные часы) сводят воедино и обрабатывают специальными алгоритмами. Таким образом получают виртуальный аналог радиотелескопа, который размерами порой превышает даже земной шар. Именно благодаря этому методу астрономам удалось получить историческое изображение силуэта чёрной дыры в центре Млечного Пути.

Историческое фото сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики было получено благодаря глобальной сети радиотелескопов «Телескоп горизонта событий» и методу интерферометрии

Event Horizon Telescope [CC BY-SA 4.0]

Хотя радиотелескопы могут успешно вести наблюдения с поверхности Земли, в перспективе астрономы хотели бы вывести в космос и их. Считается, что больше всего подходит для размещения космической радиообсерватории обратная сторона Луны. Там на неё совершенно точно не будут влиять помехи от земных микроволновок.

Закат звезды

Радиотелескоп Аресибо работал с 1963 года до своего обрушения в 2020-м. Он был иконой современной астрономии и помогал изучать дальние регионы Вселенной, определять радиолокацию приближающихся к Земле астероидов, искать инопланетные цивилизации и отправлять послания в космос. Аресибо засветился в таких известных фильмах, как «Золотой глаз» и «Контакт», а также в одной из серий «Секретных материалов».

В августе и ноябре 2020 года тросы, на которых подвешен облучатель Аресибо, лопнули и разрушили часть зеркала. А позже в декабре на него обрушилась вся 800-тонная приёмная аппаратура

pedrik [CC BY-SA 2.0]

Орбитальная астрономия

Если наблюдения в радио- и оптическом диапазоне можно вести с Земли, то в случае с остальными частями электромагнитного спектра у астрономов нет другого варианта, кроме как выводить телескопы в космос. Чтобы получить хоть какие-то данные, аппаратура должна находиться за пределами земной атмосферы.

Первые попытки астрономы стали предпринимать ещё до начала космической эры. Сперва телескопы размещали на высотных аэростатах, затем последовали эксперименты с геофизическими ракетами. Они летали по суборбитальным траекториям и на несколько минут выходили за пределы земной атмосферы. Столь малое наблюдательное окно не помешало совершить ряд громких открытий. Например, в 1964 году установленный на суборбитальной ракете счётчик Гейгера зафиксировал поток рентгеновского излучения из созвездия Лебедя. Позже выяснилось, что его источник — двойная система с чёрной дырой.

Столпы Творения — газопылевые облака в туманности Орёл. Этот снимок (2003) — один из самых известных у Hubble

NASA, Jeff Hester, and Paul Scowen (Arizona State University)

Через десять лет Hubble снимком той же области продемонстрировал, насколько возросли возможности астрономии

NASA, ESA, the Hubble Heritage Team (STScI/AURA)

И всё же будущее было за полноценными космическими телескопами. Любопытно, что изначально работа с ними всё-таки предусматривала элементы ручного труда. Например, астронавты экспедиции Apollo 16 развернули ультрафиолетовый телескоп на Луне. Телескопы были на борту американской орбитальной станции Skylab и советских «Салютов». Но довольно быстро стало понятно, что такой подход не особо продуктивен и автоматические обсерватории намного эффективнее.

История строительства и запуска космических обсерваторий была долгой, поэтому мы лишь отметим, что именно благодаря успеху Hubble появились современные телескопы, которые по наблюдательным возможностям на порядок превосходят предшественников. Сейчас в космосе работает пара десятков аппаратов, регистрирующих ультрафиолетовое, рентгеновское, инфракрасное и гамма-излучение. Некоторые из них могут видеть сразу в нескольких спектральных диапазонах. Тот же Hubble способен вести съёмки не только в видимом, но и в ультрафиолетовом спектре, а также в ближней части инфракрасного. Этот телескоп пользуется огромной популярностью у астрономов как раз из-за его универсальности.

Но для чего астрономам такое многообразие?

Новый телескоп James Webb показал, как выглядят Столпы Творения в ближнем инфракрасном диапазоне…

NASA, ESA, CSA, STScI / Joseph DePasquale, Anton M. Koekemoer, Alyssa Pagan

…и в среднем инфракрасном диапазоне / NASA, ESA, CSA, STScI

Joseph DePasquale, Alyssa Pagan

Ультрафиолетовые телескопы лучше всего подходят для изучения звёзд. Поэтому аппараты, следящие за Солнцем, как правило, оснащены соответствующими инструментами.

В последние годы переживает расцвет инфракрасная астрономия. Сейчас её флагман — запущенный в 2021 году телескоп James Webb. Его часто называют преемником Hubble, но это сравнение не совсем корректно: если Hubble — инструмент мультиспектральный, то James Webb специализируется на съёмке в инфракрасном диапазоне.

Инфракрасные телескопы — настоящие «звёзды» современной космической астрономии, и тому есть несколько причин. Многие уголки нашей и других галактик заполнены пылевыми облаками. Они блокируют видимый свет, но пропускают инфракрасные лучи. Поэтому тот же James Webb способен увидеть центр Млечного Пути, а ещё заглянуть внутрь регионов активного звездообразования, что позволяет понять, как формируются новые звёзды и планеты.

Коричневый карлик класса Y в представлении художника

NASA/JPL-Caltech

Наблюдения на инфракрасных волнах также хорошо подходят для поиска и исследования объектов, которые холоднее звёзд. Например, планет-гигантов Солнечной системы, протопланетных дисков, коричневых карликов.

Есть ещё одна важная задача, которую могут решить только инфракрасные телескопы, — поиск самых первых галактик, расположенных на окраине видимой Вселенной. Из-за красного смещения длина волны испускаемого ими света настолько увеличилась, что полностью перешла в инфракрасную область спектра, а потому обычные оптические телескопы зафиксировать это излучение попросту не могут. За способность заглянуть в далёкое прошлое Вселенной тот же James Webb иногда называют астрономической машиной времени.

Правда, в создании инфракрасных телескопов есть один довольно важный нюанс, который серьёзно усложняет задачу, стоящую перед конструкторами. Сенсоры таких инструментов нужно очень тщательно защищать от тепла. Конечно, основные проблемы тут создаёт Солнце. Но у того же James Webb инструменты настолько чувствительны, что ему может помешать даже солнечный свет, отражённый от поверхности Земли. Потому-то телескоп и увели подальше от нашей планеты и оснастили внушительным теплозащитным экраном. (Кстати, отчасти из-за проблем с созданием экрана запуск настолько задержался.) И потому-то James Webb нельзя направлять ни в сторону Солнца, ни даже в сторону Земли.

Но это ещё не всё. Чтобы увидеть инфракрасные волны большой длины, одного теплозащитного экрана мало — инструменты телескопа нужно дополнительно охлаждать. Для этого обычно используют жидкий гелий, но его запасы не бесконечны, и, как только он иссякнет, тот же James Webb частично «ослепнет» и сможет продолжать наблюдения лишь в ближней части инфракрасного диапазона. И всё же перспектива заглянуть на край Вселенной оказалась достаточно заманчивой, чтобы NASA решилось на подобные сложности.

Собранный телескоп Джеймса Уэбба во время тестирования развёртывания теплозащитного экрана

Chris Gunn, NASA

Рентгеновская и гамма-астрономия сейчас тоже находится на подъёме. Оснащённые соответствующими инструментами аппараты позволяют исследовать процессы в активных ядрах галактик, остатках сверхновых и других высокоэнергетических источниках, изучать гамма-всплески, искать такие экзотические объекты, как нейтронные звёзды и чёрные дыры, а также постепенно раскрывать загадку тёмной материи и тёмной энергии.

Современные телескопы обычно не работают поодиночке. Чем интереснее объект, тем больше разных инструментов стремятся задействовать астрономы, чтобы получить как можно более полную картину происходящего. Многие красочные снимки, которые регулярно публикуют на сайтах NASA и других космических агентств, — продукт коллективного творчества. В них объединены данные нескольких телескопов, работающих в разных спектральных диапазонах.

Вверх

Помимо воздушных шаров и ракет, телескопы также устанавливали на самолёты. Например, с 2010 по 2022 год NASA и Немецкий центр авиации и космонавтики совместно эксплуатировали летающую обсерваторию SOFIA, которая проводила наблюдения в инфракрасном диапазоне. Но после запуска James Webb проект пришлось закрыть: его эксплуатация требовала высоких затрат, а научная продуктивность была ограничена.

SOFIA поднималась на высоту 13 километров на борту специально модифицированного Boeing 747SP

NASA / Jim Ross

Ловцы нейтрино и телескоп по имени Солнце

Современные астрономы изучают уже не только электромагнитный спектр, но и другие явления: например, нейтрино. Это частицы, которые рождаются в ядрах активных галактик, недрах звёзд, во время вспышек сверхновых и других высокоэнергетических событий. Ежесекундно через 1 см² площадки на Земле проходит около 6×1010 нейтрино, испущенных Солнцем. Почему же мы не ощущаем на себе действия этого потока? Дело в том, что масса нейтрино крайне мала — её точное значение до сих пор неизвестно, и эти частицы практически не взаимодействуют с веществом.

Нейтрино несут важную информацию о ранних стадиях расширения Вселенной. Их изучение помогает лучше понять динамику астрофизических процессов. Кроме того, нейтрино, поскольку их ничто не поглощает, проходят огромные расстояния, так что их можно использовать, чтобы обнаруживать крайне удалённые объекты и явления, которые другим телескопам недоступны.

Частицы, попадающие в антарктическую нейтринную лабораторию IceCube с Северного полушария, проходят сквозь всю Землю

Cmichel67 [CC BY-SA 4.0]

Но зафиксировать нейтрино не так-то просто: как уже было сказано, они почти не взаимодействуют с веществом. К тому же необходимо как-то отсечь нейтрино, прилетающие из дальнего космоса, от потока солнечных.

Эту проблему учёные решают с помощью специальных детекторов. Их размещают на большой глубине: внутри шахт, под толщей воды или льда. Так, одна из нейтринных обсерваторий расположена на дне озера Байкал, другая — на Южном полюсе. Впрочем, за первое десятилетие своей работы антарктический детектор заметил лишь около сотни частиц, прилетевших из-за пределов Солнечной системы. Но технологии развиваются, и нейтринных обсерваторий становится всё больше и больше, так что астрономы надеются улучшить этот показатель.

Когда в 1987 году в Малом Магеллановом Облаке вспыхнула сверхновая, первым об этом «узнали» именно нейтринные телескопы. Они зарегистрировали нейтрино, выброшенные погибшей звездой, за четыре часа до того, как вспышка стала видимой

Другая сфера интересов внеэлектромагнитной астрономии — гравитационные волны. Они возникают в самом пространстве-времени, и для этого не нужно, чтобы поблизости находилась материя, испускающая электромагнитное излучение. Притом гравитационные волны практически беспрепятственно проходят через всю Вселенную. Возможно, их изучение позволит узнать об астрономических явлениях, которые человек ещё никогда не наблюдал. Не исключено, что астрономам даже удастся поймать «рябь», образовавшуюся в момент Большого взрыва.

Галактика в центре Креста Эйнштейна искривляет пространство и демонстрирует четыре изображения одного квазара, находящегося за ней. Это и есть эффект гравитационного линзирования

NASA, ESA, STScI

Впрочем, гравитационные волны, хотя их испускают все тела, очень слабы. Пока учёные могут регистрировать лишь те из них, что возникают во время наиболее экстремальных событий вроде слияния чёрных дыр и/или нейтронных звёзд. Впервые гравитационные волны зарегистрировали в 2015 году — позже за это даже была вручена Нобелевская премия по физике. Кстати, одним из её лауреатов стал небезызвестный Кип Торн — один из авторов идеи фильма «Интерстеллар» (2014).

Астрономы надеются, что со временем регистрировать гравитационные волны будет проще. Важный шаг на пути к этому они сделают в конце следующего десятилетия. В 2037 году Европейское космическое агентство планирует запустить LISA — первую в истории космическую обсерваторию, предназначенную для регистрации гравитационных волн. Если начинание окажется успешным, то за этим наверняка последует создание и других гравитационных телескопов.

В более отдалённой перспективе астрономы также смогут использовать гравитацию — точнее, гравитацию Солнца, — чтобы фотографировать экзопланеты. Идея заключается в том, чтобы расположить космический телескоп на одной линии с экзопланетой и нашей звездой между ними. Солнечная гравитация сыграет роль гигантской линзы. По расчётам, телескоп, который размещён в нужной точке и оснащён таким же зеркалом, как Hubble, сможет сделать фотографию экзопланеты, находящейся в сотне световых лет от нас. И по качеству фотография будет сопоставима со снимком Земли, сделанным с поверхности Луны. Чтобы получить аналогичное изображение при помощи оптического телескопа, понадобится зеркало диаметром, в двадцать раз превышающим диаметр нашей планеты.

Телескоп LISA должен выйти в точку Лагранжа L1 в системе Солнце — Земля, то есть на расстояние 1,5 млн км от планеты

ESA, C. Carreau [CC BY-SA 4.0]

Конечно, решить задачу подобного масштаба будет не так-то и просто. Чтобы воспользоваться эффектом солнечной линзы, телескоп придётся вывести на расстояние примерно в 550 а. е. (82 млрд км) от Земли. Для сравнения, легендарный зонд Voyager 1 за 46 лет полёта преодолел дистанцию в четыре с лишним раза меньше. К тому же такой телескоп сможет изучить лишь одну конкретную систему.

Но если однажды астрономам удастся найти экзопланету с признаками обитаемости, у них наверняка появится стимул к тому, чтобы реализовать даже столь масштабный проект. Пока что это звучит как фантастика. Но ещё недавно такой же фантастикой казалась идея запустить в космос телескоп, искать гравитационные волны или ловить нейтрино. Так что, вероятно, однажды астрономы подарят нам возможность увидеть мир у другой звезды.

Читайте также