Без купола над головой Открытиями, изменившими наш взгляд на Вселенную, мы обязаны всего нескольким космическим телескопам

Космологии, в отличие от других естественных наук, позволено задаваться "самыми общими" вопросами о происхождении мира. Тем более удивительно, что большая часть фактов, которыми она располагает, собрана за последние три десятилетия. Судьба телескопа Hubble, сыгравшего в этом не последнюю роль, решается сейчас экспертами NASA.

Астрономы с опозданием наверстали сделанное физиками. Первая половина двадцатого века - время возникновения блестящих теорий, объясняющих микроскопические и макроскопические механизмы Вселенной. Экспериментальная часть многих исследований требовала куда более масштабных "полигонов", чем университетские лаборатории. И, следовательно, новых приборов и методов.

Историю "практической" космологии отсчитывают с того момента, когда американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл в 1924 году впервые разглядел отдельные звезды в ближайших спиральных туманностях. Благодаря его открытию стало возможным говорить об этих объектах как о галактиках - звездных системах, устроенных подобно Млечному Пути. Пятью годами позже Хаббл обнаружил, что галактики "разбегаются" - тем быстрее, чем дальше они расположены от наблюдателя, и подтвердил тем самым построенную Фридманом модель расширяющейся Вселенной - одно из следствий общей теории относительности (ОТО).

Доказательством справедливости ОТО астрономы занимались с момента ее возникновения: в 1913 году Эрвин Фрейндлих, сотрудник Берлинской обсерватории, выяснил, что орбита Меркурия отклоняется от "ньютоновской" на предсказанную Эйнштейном величину. Но скоро сделалось очевидным, что классического астрономического инструментария ученым недостаточно.

Для своих наблюдений Хаббл использовал 2,5-метровый телескоп обсерватории Mount-Wilson, который с 1917 по 1947 год оставался самым большим в мире. За восемь десятилетий, прошедших с момента первого открытия Хаббла, было построено менее двадцати наземных инструментов с зеркалами большего диаметра. Телескоп GTC на Канарских островах (10,4 метра), который по окончании сборки станет крупнейшим из существующих, всего в 17 раз чувствительнее хаббловского.

Проблема заключается не только в трудности изготовления больших зеркал. Размер определяет далеко не всё: как и четыреста лет назад, современным телескопостроителям "противостоит" сама природа. В семнадцатом веке, чтобы добиться максимального увеличения, конструировали "воздушные" телескопы - оптические системы с небольшим, но длиннофокусным объективом, достигавшие в длину 60 метров. Они оказались нежизнеспособными - свет не желал подчиняться законам геометрической оптики, и дифракция сводила на нет усилия конструкторов. Атмосфера - головная боль сегодняшних астрономов-наблюдателей. Ее верхние слои поглощают большую часть излучения, длины волн которого лежат за пределами двух "окон" в оптическом и радио- диапазонах. Кроме того, флуктуации плотности в атмосфере размывают изображение, получаемое высокоточными телескопами.

В 1915 году Карл Шварцшильд получил сферически-симметричное решение уравнений гравитационного поля, из которого следовало, что существуют исключительно массивные тела, отделенные от внешнего мира "полупроницаемым" барьером: вещество или свет, попавшие внутрь так называемого горизонта событий, не могут его покинуть. Согласно позднейшим расчетам астрофизиков, назвавших гипотетические объекты "черными дырами", их рождение связано с гибелью сверхтяжелых звезд.

Ученые знали, что "территория Тьмы" в космосе черными дырами не ограничивается. Знаменитый фотометрический парадокс Ольберса заключается в том, что если Вселенная однородна и изотропна, то каждый участок неба должен светиться, но вместо этого мы видим изолированные небесные тела. Следовательно, некая темная материя (например - космическая пыль) скрывает от нас большую часть Вселенной.

Утверждения, касающиеся новых физических понятий, казались настолько бесспорными, насколько и бессодержательными: черные дыры нельзя увидеть, темную материю невозможно сфотографировать, а рождение Вселенной произошло раньше, чем астрономы решили за ним пронаблюдать. "Двигаться дальше" стало возможным после того, как в 1946 году были обнаружены космические источники радио- , а в 1962 - рентгеновского излучения.

Первые ласточки

Рентгеновские инструменты вывели в космос первыми - из-за поглощения рентгеновских лучей атмосферой подобные приборы на Земле бесполезны. От них ждали необыкновенных результатов: теоретики полагали, что генерировать сверхкороткие волны - привилегия экзотических объектов, таких как ядра формирующихся галактик, останки сверхновых и незадолго до этого открытые нейтронные звезды и квазары.

Ученые не ошиблись: спутник Uhuru в 1970-1973 годах обнаружил более трехсот источников излучения и, в частности, зафиксировал рентгеновскую активность знаменитой Крабовидной туманности, родившейся при взрыве сверхновой 1054 года. Кроме того, основываясь на наблюдениях спутника, астрофизики сделали выводы о составе и температуре невидимого межгалактического газа, а также постоили модель "перетекания" вещества в сильно взаимодействующих двойных системах. В "списке Uhuru" оказался и первый кандидат в черные дыры - источник Лебедь X-1: поступавшие оттуда высокочастотные сигналы свидетельствовали о падении разогретого вещества с огромной скоростью на массивный объект.

Uhuru сменили более точные инструменты. Военный спутник Vela, предназначенный для поиска ядерных объектов на Земле, в 1976 году неожиданно обнаружил внегалактические рентгеновские и гамма-вспышки. HEAO-2, запущенный в 1978 году, был первым "настоящим" космическим телескопом, которому удалось сфотографировать ряд объектов в рентгеновских лучах.

Его и последующие рентгеновские спутники можно по праву считать полноценными орбитальными обсерваториями.

Починить или утопить?

Первый универсальный космический телескоп Hubble, названный в честь отца-основателя космологии, был выведен на околоземную орбиту высотой 600 километров 25 апреля 1990 года. Прибор спроектировали так, чтобы после измерения спектральных характеристик объекта можно было выбрать подходящие приемники излучения. Для них предназначались пять "слотов", расположенных за главным зеркалом. Сейчас там находятся всего четыре инструмента - 16-мегапиксельный CCD-сенсор ACS, с помощью которого получено большинство изображений в видимом спектре, инфракрасная камера-спектрометр NICMOS, WFPC2 - камера с широким спектральным диапазоном, и спектрограф STIS (вышедший недавно из строя).

Телескоп со "скромным" диаметром зеркала - 2,4 метра - оказался существенно эффективнее наземных обсерваторий. Число изученных им объектов достигает 14 тысяч, но еще более внушительным представляется список фундаментальных открытий, сделанных с его помощью. Наблюдения подтвердили наличие сверхмассивных черных дыр в центре большинства галактик и выявили - по колебаниям траекторий звезд - порядка ста планет за пределами солнечной системы. Hubble обнаружил скопления "молодых" галактик (Hubble Ultra Deep Field), возраст которых сопоставим с возрастом Вселенной, и тем самым предоставил ученым возможность заглянуть в глубокое прошлое космоса.

Достоинства космического телескопа удалось оценить не сразу. Сначала этому препятствовали внешние обстоятельства - из-за аварии шаттла Challenger в 1986 году Hubble вывели на орбиту четырьмя годами позже, чем предполагалось. Затем - внутренние дефекты: первые снимки, отправленные на Землю, свидетельствовали о сферической аберрации, обусловленной неправильной формой главного зеркала. Исправить это удалось только в 1993 году, когда первая экспедиция "технической поддержки" доставила на борт орбитальной обсерватории "очки для Hubble" - набор корректирующей оптики COSTAR. Четыре года спустя астронавты произвели "штатную" замену приборов, но уже в 1999 году Hubble пришлось реанимировать - после отказа гироскопов наблюдения были временно прекращены.

Сложность проблем, которые приходилось решать на орбите, сделала очевидным, что телескоп нуждается в активной опеке. Но в 2003 году, после того как шаттл Columbia взорвался при возвращении на Землю, NASA отложило - в числе прочих миссий шаттлов - и запланированный на 2005 год полет к космическому телескопу.

А недавно была высказана идея совсем отказаться от дальнейшего обслуживания телескопа Hubble. В феврале, когда обсуждался бюджет NASA на следующий год, стало известно, что правительство США собирается прекратить финансирование дорогостоящего проекта. Сравнительно небольшие средства - менее десятой от тех, что потребовались бы на снаряжение новой экспедиции - должны быть потрачены на сведение телескопа с орбиты и затопление, а Национальное агентство по аэронавтике и космическим исследованиям сосредоточится теперь на освоении ближайшего космоса и изучении Солнечной системы - такая программа была предложена президентом Америки на встрече с представителями агентства около года назад.

Это решение вызвало предсказуемый протест. Ряд сотрудников NASA сообщил о своем несогласии, а на сайте SaveTheHubble.com открыли сбор подписей в защиту телескопа. 21 марта началось новое совещание, где обсуждается, сможет ли продлить жизнь телескопа отправка к нему ремонтного робота.

Свет в детской

Какую бы позицию ни заняли сейчас аэрокосмическое ведомство и правительство США, рано или поздно Hubble сведут с орбиты. На вопрос "Что потом?" нет однозначного ответа. Во-первых, потому, что некоторые функции Hubble уже "дублируют" другие орбитальные телескопы. Во-вторых - из-за того, что официальный "преемник" Hubble - James Webb Space Telescope - будет совсем на него не похож.

Гамма-телескоп Compton, рентгеновский телескоп Chandra и инфракрасный Spitzer были построены в рамках программы Great Observatories (NASA), "первенцем" которой был Hubble. Несмотря на заметно меньшую популярность, они, как и "главный" космический телескоп, изменили наши представления о космосе.

Compton открыл блазары (квазары, излучающие преимущественно в жестком рентгеновском диапазоне) и обнаружил большинство известных гамма-пульсаров. Родственные ему XMM-Newton и Swift зафиксировали гамма-всплески, сообщающие о взрывах на периферии Вселенной. Эхо таких вспышек делает возможным увидеть в рентгеновских лучах самые молодые космические объекты, не обладающие достаточной собственной яркостью.

James Webb планируют достроить к 2012 году. Телескоп нового поколения (New Generation Space Telescope - именно так он назывался вначале) будет одновременно легче и больше своего предшественника. 6,5-метровое бериллиевое зеркало из 18 сегментов позволит вести наблюдения в инфракрасном диапазоне - и только. Прибор отправится в куда более далекое, чем Hubble, путешествие - его будущее местопребывание удалено от Земли на 1,5 миллиона километров. Телескопу предстоит постоянно находиться в так называемой лагранжевой точке L2 - на одной прямой с Землей и Солнцем, и специальный "тент" будет препятствовать "шумам" со стороны обоих небесных тел. Ближайшим родственником будущего телескопа естественно считать Spitzer. Этот инфракрасный телескоп с 0,85-метровым бериллиевым зеркалом полтора года назад был помещен в другую лагранжеву точку - L5.

"Узконаправленные" телескопы неизбежно вытеснят "универсального ветерана" Hubble из космоса. Между их наблюдениями и результатами Hubble уже сейчас можно проследить преемственность. Но с первым из них, вероятно, навсегда останется связано то ощущение, что в "детской" физиков-теоретиков включили свет, и "взрослые" - работники старейшей науки - увидели, что из разбросанных в беспорядке кубиков складываются слова, которые давно следовало вспомнить.

Борислав Козловский