«Спитцер» и инфракрасная астрономия

Ровно двадцать лет назад, 25 августа 2003 года, на ракете-носителе «Дельта-2» с мыса Канаверал в космос отправился инфракрасный космический телескоп «Спитцер». Перед вами фотография Туманности Андромеды, сделанная «Спитцером» 25 августа 2004 года, в первую годовщину его запуска. Этот снимок крайне высокой четкости был составлен из 11 тысяч фотографий и на тот момент был наиболее четким инфракрасным изображением отдельно взятой галактики. Он позволил ученым увидеть то, что невозможно было наблюдать в оптическом диапазоне. Например, на снимке хорошо видно, что яркое кольцо, окружающее ядро галактики (в этом кольце идут интенсивные процессы звездообразования), в правой части фотографии разделяется на две «ветви». Это дало ученым новую информацию об эволюции Туманности Андромеды.

Запуск ракеты «Дельта-2» со «Спитцером». Фото с сайта commons.wikimedia.org

Лайман Спитцер (1914–1997). Фото с сайта phys-astro.sonoma.edu

Телескоп «Спитцер», внесший огромный вклад в современную инфракрасную астрономию, был назван в честь американского астрофизика Лаймана Спитцера. Он работал во многих областях теоретической астрофизики, включая возникновение спектральных линий, динамическую эволюцию звездных кластеров и образование звезд; самые важные его работы посвящены физике межзвездной среды. В послевоенные годы Лайман Спитцер активно продвигал идею создания космических телескопов. Во время разработки телескоп носил имя SIRTF (Space Infrared Telescope Facility, что и переводится как «космический инфракрасный телескоп»). По принятой в НАСА традиции смена названия произошла только когда ученые убедились в успешной работе аппарата — в декабре 2003 года.

«Спитцер» входит в число четырех Великих обсерваторий — крупных телескопов, запущенных НАСА в космос в 1990–2003 годах. Каждый из этих четырех телескопов предназначался для наблюдений в своем диапазоне электромагнитного излучения. Первым стал знаменитый космический телескоп «Хаббл», запущенный в 1990 году и работающий до сих пор (см. статью Десять важнейших открытий «Хаббла»), вторым — гамма-обсерватория «Комптон», проработавшая с 1991-го по 2000 год, а в 1999 году была запущена рентгеновская обсерватория «Чандра», которая тоже всё еще в строю (см. статью Рентгеновская астрономия в наши дни). Четвертый, инфракрасный телескоп «Спитцер», завершил свою работу в 2020 году (см. «Холодные» и «теплые» итоги работы телескопа «Спитцер», «Элементы», 13.03.2020).

До запуска в 2009 году космической обсерватории «Гершель» (см. Космическая обсерватория «Гершель» завершила свою работу, «Элементы», 21.05.2013) «Спитцер» был крупнейшим в мире инфракрасным космическим телескопом. Такие телескопы, как правило, размещают в космосе, поскольку земная атмосфера практически полностью поглощает инфракрасное излучение (за исключением наиболее коротковолнового, примыкающего к видимому диапазону).

Одной из главных задач «Спитцера» было изучение процессов образования звезд и планет. Он исследовал наблюдаемые в нашей галактике околозвездные диски, из которых предположительно могут образоваться планетные системы. ИК-диапазон хорошо подходит для таких исследований, так как инфракрасное излучение не задерживается пылевыми облаками, окружающими рождающиеся звезды и планеты.

«Спитцер» вел наблюдения и за пределами Млечного пути. Он изучал источники энергии, обеспечивающие излучение ультраярких инфракрасных галактик, и наблюдал за рождением и эволюцией галактик в удаленной части Вселенной. Эту задачу также уместно было «поручить» именно «Спитцеру», так как из-за красного смещения далеких галактик значительная часть их излучения в ультрафиолетовом и видимом диапазонах сместилась в инфракрасную область.

Еще одной областью интересов «Спитцера» стали коричневые карлики: эти холодные звезды по своим физическим характеристикам занимают промежуточное положение между звездами и планетами (см. статью Коричневые карлики — кто они?). Наконец, телескоп исследовал химический состав небольших объектов в Солнечной системе (в основном в поясе Койпера). Излучение слабосветящегося вещества Вселенной — планет, холодных звезд, молекулярных облаков — наиболее интенсивно как раз в ИК-диапазоне.

«Спитцер» нес на себе три прибора: инфракрасную камеру (IRAC), регистрирующую излучение с длинами волн 3,6; 4,5; 5,8 и 8 мкм, инфракрасный спектрометр (IRS, 5,3–40 мкм) и многополосный фотометр (MIPS, 24–180 мкм). Главное зеркало телескопа диаметром 85 см и научные приборы «Спитцера» охлаждались до температуры 5,5 K, чтобы излучение самого телескопа не искажало измерения. В качестве хладагента применялся жидкий гелий, запасы которого изначально составляли 360 л. Обращенная к Солнцу сторона корпуса телескопа была светлой и блестящей, чтобы максимально отражать солнечное излучение и предотвращать нагрев аппарата Солнцем. Противоположная сторона играла роль радиатора: она была выкрашена в черный цвет, чтобы отводить тепло в пространство.

Криогенный отсек «Спитцера», в который заключены телескоп и научные приборы, перед вибрационными испытаниями. Фото с сайта commons.wikimedia.org

Миссия телескопа была рассчитана на два с половиной года с возможностью продления до пяти лет или даже дольше — пока не закончится хладагент. В действительности жидкого гелия хватило примерно на пять с половиной лет: окончательно его запас исчерпался в мае 2009 года. После этого работу продолжила только инфракрасная камера и лишь на более коротких длинах волн (3,6 и 4,5 мкм). Соответствующий режим работы получил название «теплой миссии». Несмотря на то что отсутствие охлаждения ухудшило характеристики телескопа, они всё равно оставались выше, чем у наземных инфракрасных телескопов. Так что и в ходе теплой миссии «Спитцер» получил немало важных результатов. Окончательно его работа завершилась 30 января 2020 года, когда телескоп был переведен в безопасный режим.

Практически сразу после запуска «Спитцер» зарегистрировал свет, предположительно исходящий от самых первых звезд Вселенной, образовавшихся через 100 миллионов лет после Большого взрыва. Сами эти звезды уже погасли, но испущенный ими свет еще виден с Земли. Вспоминаются строки из стихотворения Ильи Эренбурга «Умрет садовник, что сажает семя...»:

Открытие было сделано в 2004–2005 годах, когда ученые тщательно проанализировали снимок области в созвездии Дракона, датированный октябрем 2003 года: с помощью компьютерной обработки они удалили с него излучение, источниками которого являются известные астрономам объекты. То, что осталось, и было отнесено на счет ранних звезд. Любопытно, что снимок вообще не предназначался для научных исследований: это тестовое изображение было сделано для калибровки инструментов.

Визуализация излучения, зарегистрированного «Спитцером». Серые пятна и точки — удаленное излучение от известных объектов. Изображение с сайта commons.wikimedia.org

В 2007 году «Спитцер» построил первую карту температур на поверхности экзопланеты — газового гиганта HD 189733 A b из созвездия Лисички. Любопытно, что самое горячее место на поверхности планеты оказалось не в точке, обращенной к звезде: оно смещено на 30 градусов к востоку. Это говорит о присутствии в атмосфере планеты постоянного ветра, дующего с запада на восток. Удалось даже оценить его скорость: примерно 2,7 км/с.

Карта температур на поверхности HD 189733 A b. Наименьшая температура показана сиреневым цветом, максимальная — светло-желтым. Фото с сайта spitzer.caltech.edu

В 2008 году был опубликован самый большой и подробный инфракрасный «портрет» Млечного Пути, составленный из 800 000 снимков, сделанных «Спитцером».

Небольшие фрагменты «портрета» Млечного пути, полученного с помощью камеры IRAC. Излучение каждого из четырех регистрируемых камерой диапазонов показано своим цветом: 3,6 мкм — синий, 4,5 мкм — зеленый, 5,8 мкм — оранжевый, 8 мкм — красный. Красные облака указывают на присутствие больших органических молекул, смешанных с пылью. Яркие белые дуги — массивные «звездные инкубаторы», то есть области, в которых идет интенсивное звездообразование. Зеленые «клочья» указывают на присутствие горячего газообразного водорода. Черные области — плотные облака пыли, непроницаемые даже для инструментов «Спитцера». Фото с сайта commons.wikimedia.org

В 2009 году, наблюдая за молодой звездой HD 172555, «Спитцер» помог установить, что несколько сот тысяч лет назад произошло столкновение двух обращающихся вокруг нее планет: одна была размером примерно с Меркурий, другая — с Луну. Их относительная скорость перед ударом составила не менее 10 км/с. Ученые сделали такой вывод, проанализировав спектр вещества, окружающего звезду, и обнаружив следы испарившейся при столкновении и затвердевшей впоследствии породы — например, кварцевого стекла. Был обнаружен и газообразный монооксид кремния, также образовавшийся при испарении породы.

«Спитцер» дополнял и другие исследовательские инструменты: так, в 2015 году он совместно с телескопом оптического эксперимента по гравитационному линзированию, расположенным в обсерватории Лас-Кампанас в Чили, открыл одну из наиболее далеких известных экзопланет: она расположена на расстоянии 13 000 световых лет от Земли. Открытие было совершено методом гравитационного микролинзирования: его суть основана на том, что гравитационное поле массивных объектов изменяет направление распространения электромагнитного излучения. Такие объекты называют гравитационными линзами — по аналогии с обычными линзами, изменяющими направление световых лучей. Поэтому, проходя перед источниками света, такие объекты будут на некоторое время изменять их яркость. В данном случае в качестве гравитационной линзы выступала звезда, проходящая перед другой, более далекой звездой. А обращающаяся вокруг ближней звезды планета, также работая, как небольшая линза, внесла дополнительные искажения, на короткое время уменьшив яркость дальней звезды. По этим искажениям ученые и сделали вывод о наличии планеты. «Спитцер» мог бы открыть ее и «в  одиночку». Но использование двух достаточно удаленных друг от друга телескопов помогло не только открыть планету, но и измерить расстояние до нее. Благодаря явлению параллакса телескопы наблюдали транзит, то есть прохождение одной звезды перед другой, не одновременно, а с разницей около 20 дней. Зная это время, дистанцию между телескопами и расстояние до дальней звезды, астрономы смогли определить, насколько ближняя звезда удалена от Земли.

Схема, показывающая, как гравитационное микролинзирование помогает открывать экзопланеты. Изображение с сайта jpl.nasa.gov

Интересные открытия «Спитцер» сделал и в Солнечной системе. Например, в 2009 году он обнаружил еще одно кольцо Сатурна (см. картинку дня Пропеллеры Сатурна). Размер этого огромного кольца примерно в 30–100 раз превышает размер ранее открытых, но оно очень разрежено и в основном состоит из пыли и частиц размером не более 10 см, слабо отражающих видимый свет: это делает его практически незаметным при наблюдении в видимом диапазоне. Новое кольцо назвали кольцом Фебы (см. Phoebe ring) — по имени спутника Сатурна, орбита которого лежит внутри этого кольца. Любопытно, что его плоскость наклонена на 27° по отношению к плоскости, в которой расположены остальные кольца планеты.

Схематическое изображение кольца Фебы. Изображение с сайта commons.wikimedia.org

Все данные, полученные «Спитцером», сохранялись в так называемый «инфракрасный архив» (см. Infrared Science Archive), куда поступала и продолжает поступать информация и от других исследовательских аппаратов НАСА и ESA (например, космических обсерваторий «Планк» и «Гершель»). Объем данных в этом хранилище информации в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах сейчас уже превышает 1 Пбайт.

«Спитцер» проработал более 16 лет — это рекорд среди всех космических инфракрасных телескопов. Сейчас его дело продолжают два других аппарата: WISE, запущенный еще в 2009 году, и новый телескоп «Джеймс Уэбб», приступивший к работе летом прошлого года (см. статью Телескоп «Джеймс Уэбб»). Совсем скоро к ним должен присоединиться еще один, «Евклид» (см. картинку дня Космическая обсерватория «Евклид»): он уже вышел в точку назначения, но к работе пока не приступил.

Фото с сайта en.wikipedia.org.

Алексей Деревянкин