На смену «Большим обсерваториям» NASA в ближайшем будущем придет очень большая. В 2013 году планируется вывести на орбиту телескоп «Джеймс Уэбб» с 6,5-метровым зеркалом.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) должен стать первым внеземным астрономическим инструментом с зеркалом, размер которого лишь немногим уступит апертуре рефлекторов крупнейших наземных телескопов. Двойной телескоп «Кек» гавайской обсерватории имеет диаметр 10 м, телескоп «Хобби-Эберли» техасской обсерватории Макдоналда — 9,2 м, телескоп «Субару» Национальной астрономической обсерватории Японии — 8,3 м, четверка самых мощных телескопов Южной европейской обсерватории, установленная на вершине горы Серро Параналь на севере Чили, — 8,2 м, идентичные Северный (Гаваи) и Южный (Чили) телескопы международной обсерватории «Джемини» — 8,1 м, а диаметр зеркала JWST составляет 6,5 м. «Хаббл» по сравнению с ним — просто карлик: диаметр его главного зеркала всего лишь 2,4 м.
Однако основное различие между «Хабблом» и JWST — вовсе не в размере. Приборы «Хаббла» собирают информацию в инфракрасных лучах, в видимом свете и в ультрафиолете, а «Уэбб» будет работать лишь в инфракрасном диапазоне. Поэтому правильнее считать его преемником «Спитцера», крупнейшей в мире инфракрасной обсерватории космического базирования, которая вот уже 2,5 года трудится в космосе во славу науки. Решение NASA отправить в космос гигантский инфракрасный телескоп свидетельствует о явном росте престижа инфракрасной астрономии, которая до сих пор не могла похвалиться столь масштабными внеземными аппаратами.
Ниже красного
Хотя открытие инфракрасного излучения обычно относят на счет физики, совершил его один из самых знаменитых звездочетов. В 1800 году первооткрыватель планеты Уран и признанный отец звездной астрономии сэр Уильям Гершель заметил, что солнечный свет, пройдя через цветной фильтр, меняет свою нагревающую способность. Он разложил солнечные лучи в спектр с помощью стеклянной призмы и поместил в каждую цветовую зону одинаковые термометры. Столбик термометра, освещенного красными лучами, поднялся выше остальных, а самым низким оказалось показание термометра, освещенного фиолетовым светом. Для контроля Гершель поставил градусники и по обе стороны границ видимого светового поля. К его изумлению, максимально нагрелся термометр в темной зоне вблизи красного участка. Гершель понял, что обнаружил невидимые глазу лучи, и вскоре установил, что они отражаются и преломляются подобно видимому свету. Он назвал это излучение калорифическим, то есть тепловым; позднее его переименовали в инфракрасное (infra по латыни означает «ниже»).
Основателем ИК-астрономии считается британский ученый Чарльз Пиацци Смит, который в 1856 году с помощью термопары зарегистрировал тепловое излучение Луны. Он также впервые заметил, что земная атмосфера не пропускает некоторые частоты ИК-диапазона. В 1878 году американский астроном и физик Сэмюел Лэнгли изобрел болометр — тепловой детектор, воспринимающий изменения электрического сопротивления термочувствительного элемента, на который падает излучение. Болометр Лэнгли различал перепады температур около стотысячной доли градуса и поэтому быстро нашел применение в науке о небесных явлениях. С его помощью астрономы измерили тепловое излучение Солнца, Юпитера и Сатурна, а затем и самых ярких звезд — Веги и Арктура. Впрочем, термоэлектрические сенсоры тоже не остались без дела. В 1915 году сотрудник американского Национального бюро стандартов Уильям Коблентц настолько повысил их чувствительность, что смог детектировать ИК-излучение более чем сотни светил нашей Галактики. Позднее он заложил основы ИК-спектроскопии, которая со временем превратилась в мощнейшее оружие астрономии. И наконец, в 1920-е годы американские астрономы, прежде всего Сет Николсон и Эдисон Петтит, приступили к первому систематическому инфракрасному мониторингу ночного неба.
Потомки ракет
И все же достижения ИК-астрономии в начале ее первого века были весьма скромны. Основная причина этого — атмосферные помехи. Азот и кислород всего лишь рассеивают инфракрасное излучение, причем слабее, нежели видимый свет. А вот углекислый газ, озон и в особенности пары воды его еще и поглощают, причем весьма активно. В ближней ИК-области есть три атмосферных «окна», которые прозрачны для волн с длинами 1,2, 1,6 и 2,2 мкм, поэтому в этом диапазоне можно без особых проблем вести астрономические наблюдения с поверхности Земли. «Окна» имеются и в средней ИК-зоне (например, 5 и 10 мкм), но «открываются» они лишь в разреженном сухом воздухе. Неслучайно мировыми центрами ИК-астрономии стали высокогорная гавайская обсерватория Мауна Кеа и расположенная на 2800-метровой отметке обсерватория Маунт Леммон в Аризоне. Дальний ИК-диапазон для наземных наблюдений вообще недоступен: для него остаются лишь стратосфера и космос.
Прогресс ИК-астрономии долго сдерживался и отсутствием эффективных детекторов излучения. Обычные болометры и термопары хороши для грубых измерений, но для регистрации сверхслабого тепла далеких звезд и туманностей они недостаточно чувствительны. К тому же они не обладают спектральной селективностью (их показания зависят от дозы поглощенной тепловой энергии излучения, но не от его спектра). Правда, уже в 1980-е годы появились фотоэмульсии, допускающие съемку в ИК-лучах, но только с длиной волны не менее 1,2 мкм (около верхней границы диапазона).
Как это нередко бывает, астрономам помогли военные. После Второй мировой войны появились полупроводниковые детекторы ИК-излучений, в основе которых лежал эффект фотопроводимости кристаллов сульфида свинца PbS. Ими оснащали боеголовки американских ракет «воздух-воздух» с тепловым наведением, испытания которых начались в 1953 году. А уже к середине 1950-х эти приборы стали доступны астрономам, которые для повышения чувствительности охлаждали их жидким азотом. Но подлинная революция в этой области свершилась в 1961 году, когда профессор астрономии Аризонского университета Фрэнк Лоу изобрел высокочувствительный полупроводниковый болометр, регистрирующий дальнее ИК-излучение на всех длинах волн. Этот прибор может работать лишь при глубоком охлаждении жидким водородом (а еще лучше — гелием). Новым детектором начали оснащать наземные телескопы, а с середины 1960-х — инструменты, установленные на стратостатах и геофизических ракетах. Позднее появились спектрально-селективные фотоэлектрические приемники ИК-излучения на основе антимонида индия и силицида платины на кремниевой подложке. И уже в 1980-е годы были созданы матричные ИК-детекторы, состоящие из тысяч фоточувствительных ячеек, информация с которых обрабатывалась микропроцессорами.
Второе рождение
Новая детектирующая аппаратура и высотные платформы для ее размещения привели к быстрому прогрессу ИК-астрономии, который длится уже четыре десятилетия. Во второй половине 1960-х Роберт Лейтон и Джерри Нейгебауэр провели первый детальный мониторинг большей части северного небосвода в ближнем ИК-диапазоне и выявили более 20 000 источников. В 1967—1975 годах американские астрономы в рамках проекта Hi Star обследовали космос в средней ИК-области с помощью телескопов, размещенных на высотных ракетах. В конце 1974 года приступила к двадцатилетней вахте летающая обсерватория «Койпер» — 36-дюймовый инфракрасный телескоп, размещенный на борту переоборудованного военно-транспортного самолета С-141А. Участники этого проекта совершили немало открытий, в частности обнаружили кольца у Урана и водяные пары в атмосферах Юпитера и Сатурна, а также получили информацию о синтезе тяжелых ядер во время взрыва сверхновой 1987А. Вскоре на смену ей придет SOFIA, американо-германская аэрообсерватория с 270-см ИК-телескопом, которая начнет регулярные наблюдения уже в нынешнем году.
Внеземная ИК-астрономия довольно молода, ее возраст отсчитывается от 23 января 1986 года. В этот день ракета-носитель Delta доставила на 900-километровую орбиту спутник IRAS (Infrared Astronomical Satellite), результат сотрудничества США, Нидерландов и Великобритании. с его помощью удалось открыть несколько комет и астероидов и обследовать небосвод на четырех частотах среднего и дальнего ИК-диапазона — 12, 25, 60 и 100 мкм. Этот мониторинг позволил выявить около трехсот тысяч ранее неизвестных источников инфракрасного излучения, открыть ранее неизвестный класс очень старых «холодных» галактик и убедительно подтвердить существование балджа — «вздутия» в центре нашей Галактики.
Станция IRAS проработала лишь десять месяцев, на большее не хватило запасов жидкого гелия, понижающего температуру ее 60-сантиметрового телескопа до 30 Кельвина. Любопытно, что это был первый удачный эксперимент с выводом в космос криогенной аппаратуры. Если верить неподтвержденным, но упорным слухам, Пентагон и до этого пытался запускать спутники-шпионы с ИК-телескопами на гелиевом охлаждении, но успеха не добился. 18 ноября 1989 года NASA отправило в космос 2,3-тонный Cosmic Background Explorer (COBE), собиравший информацию в микроволновом и инфракрасном диапазонах. Один из его приборов, абсолютный спектрометр дальней ИК-зоны, требовал сверхглубокого охлаждения и посему отключился по истощении запаса гелия в сентябре 1990 года, остальные же функционировали еще более двух лет. Этому спутнику астрофизика и космология обязаны воистину эпохальным открытием температурных флуктуаций реликтового микроволнового излучения.
В ноябре 1995 года Европейское космическое агентство вывело на орбиту космическую инфракрасную обсерваторию ISO (Infrared Space Observatory), которая два с половиной года вела наблюдения в диапазоне длин волн от 2,5 мкм до 200 мкм.
В марте того же года Япония запустила 15-сантиметровый ИК-телескоп IRTS, который проработал лишь 4 недели, но зато смог засечь космические фотоны с длиной волны до 700 мкм. Двумя годами позже американские астронавты установили на «Хаббле» аппаратный комплекс NICMOS, производящий фотосъемку и спектральный анализ в ближней ИК-области.
Холодный глаз «Спитцера»
Последнее слово космической ИК-астрономии — 850-килограммовая обсерватория «Спитцер» (названная в честь пионера орбитальных обсерваторий, американского физика и астронома Лаймана Спитцера), стартовавшая с мыса Канаверал 25 августа 2003 года. Она оснащена телескопом с 85-сантиметровым бериллиевым зеркалом, обеспечивающим разрешение до одной угловой секунды. С ним совмещены три детектирующие системы: фотометрическая видеокамера, спектроскоп и спектрофотометр (первая собирает информацию в диапазоне 3−180 мкм, вторая — 5−40 мкм, а третья — 50−100 мкм), которые работают при 5,50 Кельвина. Охлаждение аппаратуры производится жидким гелием, запас которого на борту «Спитцера» изначально составлял 360 л (примерно 50 кг). Этого количества должно хватить как минимум на 2,5 года, а при определенном везении и на 5 с лишним лет. Весь проект обошелся налогоплательщикам в $720 млн.
«Спитцер» стал первой инфракрасной обсерваторией, выведенной не на геоцентрическую (вокруг Земли), а на гелиоцентрическую (вокруг Солнца) траекторию. Ее выбрали потому, что глубокий космос много «холоднее» околоземного пространства. Инфракрасное излучение нашей планеты может нагреть спутник до хорошего зимнего морозца (выше 250 Кельвинов, то есть до -200 Цельсия), в то время как в отдалении от нее спутники остывают до 30−40 Кельвинов (именно это и дает возможность экономить гелий и удлинить срок функционирования станции). «Спитцер» движется по околосолнечной орбите вслед за Землей, но каждый год отстает от нее приблизительно на 0,1 астрономической единицы (15 млн. километров).