Отработал на 5²

Имя «Хаббла» стало нарицательным для телескопа. Далеко не каждый может вспомнить, чем занимаются «Спитцер» или «Кеплер», но «Хаббл» знают все. Его фотографии перекочевали на логотипы браузеров, обложки музыкальных альбомов и принты на одежде. Это тот редкий случай, когда исключительная известность полностью соответствует научной значимости: данные телескопа позволили сделать открытия самого фундаментального, космологического уровня. Однако, если начинать вспоминать историю «Хаббла», очень быстро становится понятно, что всего этого могло бы и не быть, если бы не свернутая сейчас программа космических шаттлов.

 Первое предложение о выводе телескопа в космос было сделано австрийским пионером ракетостроения Германом Обертом в далеком 1923 году, когда его реализация выходила за пределы возможностей человечества. Второй раз призыв расположить телескоп в космосе прозвучал в 1946 году – том самом, когда американцы только-только сфотографировали Землю из космоса с борта трофейной «Фау-2». Тогда аргументы астрофизика Лаймана Спитцера, приведенные им в работе «Астрономические преимущества внеземной обсерватории», были констатацией очевидных фактов: земная атмосфера турбулентна, что раз в 10 снижает разрешение наземных телескопов, к тому же она почти полностью поглощает инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, не давая астрономии развиваться за пределами видимого диапазона. В 1962 году его выводы были подтверждены малыми британскими и американскими космическими УФ-телескопами.

Спитцер оказался настолько впечатлен преимуществами будущего космического телескопа, что десятилетиями пропагандировал запуск такой программы. И в 1965 возглавил комитет Национальной академии наук США, который должен был определить основные задачи для такого инструмента.

Упорство ученого дало свои плоды — в 1968 году NASA инициировало проект Большого орбитального телескопа с трехметровым зеркалом и возможностью наблюдений как в видимом, так и в УФ и ИК-диапазонах. Увы, объяснить Конгрессу необходимость расходов, равных стоимости 20 наземных пятиметровых телескопов, оказалось очень сложно. В 1974 году программу прикрыли и астрономическому сообществу пришлось буквально осаждать конгрессменов, лично встречаясь с ними, и агитировать за программу. Наконец, через три года Конгресс утвердил ее — с вдвое урезанным бюджетом.

Чтобы запустить в таких условиях достаточно эффективный аппарат, пришлось не только привлечь к финансированию Европейское космическое агентство, но и проявить чудеса изобретательности. Вместо трехметрового зеркала решили использовать 2,4-метровое, по образцу зеркал американских спутников-шпионов проекта KH-11, благо технологии его создания уже не требовали отработки.

Чтобы избавиться от дорогой и сложной системы спуска данных, существовавшей на ранних спутниках-шпионах, для будущей обсерватория была выбрана первая электронно-оптическая система на ПЗС-матрице.  Она произвела революцию в передаче снимков со спутников: вместо ловли аналоговых пленок на вертолетах стало возможным посылать оцифрованные данные наблюдений обычной радиопередачей. «Шпионские» ПЗС-матрицы, правда, пришлось дорабатывать – они работали только в видимом диапазоне. Решить эту проблему удалось с помощью специального покрытия.

Несколько хуже оказалось ситуация с зеркалом. Компания Perkin-Elmer, начавшая его изготовление в 1979 году, одновременно делала такие же зеркала для целой серии военных спутников. Как впоследствии жаловались в NASA, Perkin-Elmer «доверили проект не лучшим своим оптикам». Хотя зеркало «Хаббла» было отполировано с феноменальной точностью до 10 нанометров, эта процедура заняла у компании целых шесть лет, а лимит расходов был превышен в несколько раз. Получив окно запуска на 1986 год, проект «Хаббл» вытянул не лучший жребий. В том самом году произошла катастрофа «Челленджера», на годы свернувшая полеты шаттлов. Поскольку США в те годы не могли законтрактовать «Протоны» или Falcon, запуск состоялся лишь 24 апреля 1990 года на борту «Дискавери».

 Увы, надежды Института космического телескопа, обеспечивавшего наземное сопровождение «Хаббла», сразу после запуска оказались под угрозой. Изображения объектов почему-то получались очень размытыми, что делало невозможным реализацию основной космологической программы «Хаббла». Как выяснило расследование специальной комиссии NASA, «не лучшие оптики», которых Perkin-Elmer по остаточному принципу назначила на гражданский проект, неверно собрали главный нуль-корректор, проверявший кривизну зеркала, а заметив ошибку, «просто вставили в образовавшийся зазор металлическую шайбу». В итоге кривизна зеркала у края оказалась слишком низкой, и отражавшийся от них свет фокусировался совсем не там, где свет от центра зеркала. Разрешение снимков оказалось в целых десять раз ниже, чем планировалось.

Если бы подобная проблема всплыла сегодня, все на этом бы и закончилось, а астрономам пришлось бы ограничиться снимками пониженной резкости: кораблей, способных ремонтировать космические телескопы, у нас сегодня нет. К счастью, в те годы шаттлы еще не были списаны из-за своей высокой аварийности. С помощью одного из них в 1993 году на «Хаббл» поставили два зеркала, корректирующие сферическую аберрацию по тем же принципам, что очки корректируют зрение человека (система COSTAR). Правда, чтобы разместить ее в том же корпусе, пришлось убрать из аппарата высокоскоростной фотометр, но на общем фоне восстановления возможностей «Хаббла» это был не слишком важно.

Работы по установке COSTAR в космосе шли десять дней и были одной из сложнейших космических миссий в истории. Попутно на аппарат поставили новую широкоугольную и планетарную камеру с внутренней системой оптической коррекции. Остальные инструменты – два спектрографа и камеру наблюдения тусклых объектов – в тот раз не трогали. Операция завершилась успешно, и с 1993 года в распоряжении астрономов попал уникальный инструмент — большой телескоп, расположенный в космосе. С тех пор его оборудование в ходе еще четырех обслуживавших полетов постепенно заменялось на более совершенное, что и позволило ему четверть века оставаться одним из мощнейших средств исследования в своей области.

На сегодня чрезвычайно трудно выделить главный результат деятельности «Хаббла» — слишком много областей астрономии он затронула. И все же одно из направлений следует признать ключевым: наблюдения за сверхновыми. Именно благодаря беспрецедентно высокому разрешению этого космического телескопа удалось достоверно подтвердить яркость сверхновых типа Ia. Вроде бы банальное уточнение яркости этих объектов имело фундаментальное значение не просто для астрономии или физики, но вообще для всей современной научной картины мира. 

 
Сверхновые типа Ia возникают на базе однородных объектов – белых карликов. Они «вытягивают» так много газа из звезды-соседа, что превышают  предел Чандрасекара в 1,44 солнечных масс. После этого тяготение белого карлика становится таким мощным, что он коллапсирует в нейтронную звезду — это сопровождается мощным термоядерным взрывом во внешних слоях. А раз взрыв происходит при одной и той же массе, значит и светимость взрывов сверхновых типа Ia всегда одинакова. Остается лишь сравнить красное смещение (скорость удаления от земного наблюдателя) с абсолютной яркостью, чтобы понять, насколько далеко от нас расположена каждая такая сверхновая, и с какой скоростью она от нас удаляется. 

В 1998 году сразу несколько групп исследователей (Перлмуттера, Шмидта и Рейса) обнаружили, что сверхновые этого типа с определенного момента – примерно 5 миллиардов лет назад – стали удаляться от нас чересчур быстро – быстрее, чем предполагала физическая картина мира того времени. Все ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется – и оказались неверны. Именно так было открыто ускоряющееся расширение Вселенной. 

Это открытие, в котором именно «Хаббл» сыграл одну из ключевых ролей, заставило предположить существование некоего фактора, заставляющего Вселенную расширяться вопреки силам притяжении между звездами и галактиками. Такой фактор получил название темной энергии, предположительно равномерно заполняющей все существующее пространство и отличающейся от обычной отрицательным давлением, «расталкивающим» Вселенную в разные стороны. У этой концепции еще очень много проблем: напрямую обнаружить темную энергию (по массе доминирующую во Вселенной) пока не удается, нет и точного теоретического понимания ее природы.

Тем не менее уже сейчас она изменила наше представление о будущем Вселенной. Теперь мы знаем, что благодаря темной энергии со временем все звезды за пределами нашего сверхскопления галактик исчезнут за горизонтом событий. Эти наблюдения за сверхновыми сделали стандартной нынешнюю космологическую модель Лямбда-CDM, которая до того считалась расходящейся с астрономическими наблюдениями.

Близкими по значимости были открытия, совершенные «Хабблом» в отношении прошлого Вселенной. Измеряя скорость ее расширения, телескоп помог уточнить постоянную Хаббла во много раз, в результате чего возраст Вселенной, ранее оценивавшийся в 12-15 млрд лет, был уточнен до 13,8 млрд лет.

Не менее важные для понимания прошлого Вселенной наблюдения были сделаны инструментами «Хаббла» при наблюдении отдельных участков неба в 1995-2014 годах, результаты которых известны как Hubble Deep Fields. Из них получалось, что самые древние галактики из тех, что мы видим сейчас, существовали уже 13,3 млрд лет тому назад и по своей структуре были весьма похожи на многие нынешние. Это требовало серьезной коррекции более ранних представлений, согласно которым формирование первых звезд и галактик, ставшее возможным после реоионизации Вселенной, началось чуть ли не через миллиарды лет после Большого Взрыва.

Поздние данные «Хаббла» позволили подтвердить открытие всего в 6 тысячах световых лет от Земли очень древней звезды SMSS J031300.36-670839.3, которая сформироваться всего через 200 млн лет после Большого Взрыва — в момент, когда прежние астрофизические представления не допускали формирования долгоживущих звезд.

Вплоть до сего дня теоретики все еще работают над тем, какие именно механизмы ответственны за столь быстрое появление звезд и галактик. Но каким ни был ответ на этот вопрос, он существенно изменит наше представление о далеком прошлом Вселенной.

Высокое разрешение «Хаббла» указало и на одну из причин быстрой эволюции галактик: анализ движения звезд и газа в центре нашей и многих других галактик обнаружил там следы сверхмассивных черных дыр. Как вскоре выяснилось, их гравитационное воздействие существенно изменяет распределение звезд вокруг них и определенно влияет на эволюцию галактических систем в целом.

Уже в 2001 году спектрографам этой космической обсерватории удалось выявить следы натрия в атмосфере гигантской экзопланеты, впервые дав человечеству достоверные сведения о химическом составе атмосфер за пределами Солнечной системы. А в 2008 году в газовой оболочке другой планеты-гиганта обнаружились молекулы воды и метана. Конечно, исходно телескоп не планировали использовать для анализа экзопланетных атмосфер, все эти открытия делались на пределе его возможностей. Тем не менее, они породили идею создания специализированных космических телескопов как раз для для поиска следов кислорода и хлорофилла в атмосфере небольших экзопланет в зоне обитаемости. Излишне говорить, какими могут быть последствия подобных открытий.

Легко видеть, что успех космического телескопа – следствие целого ряда взаимодействующих факторов. Эксплуатируйся он как сегодняшние «Гайя» или «Кеплер», без возможности обслуживании в космосе, время его активной работы составило бы несколько лет, причем с дефектным зеркалом. Хотя ремонтные рейсы шаттлов сильно удорожали проект (на сегодня его «матчасть» и ремонт оцениваются в $2,5 млрд), именно благодаря ним он сыграл активную роль в эпохальных открытиях вроде того же ускоряющегося расширения Вселенной.
Данные телескопа не породили бы 12 800 научных статей, если бы Институт космического телескопа, учрежденный NASA для обработки данных аппарата, не ввел политику открытого распределения полученных данных среди научных коллективов по всему миру. Именно в таких архивных данных телескопа сторонними исследователями были обнаружены несколько спутников Плутона и Нептуна, не говоря о массе других находок. Возникло понимание того, что столь мощный инструмент просто не использовать без открытости научных данных, поэтому множество последующих космических телескопов также перешли на ту же модель «раздачи» информации. Именно так возникло сообществу волонтеров-любителей Planet Hunters, которые смогли найти в открытых данных «Кеплера» десятки планет, незамеченных профессионалами. 

Многолетняя эксплуатация «Хаббла» сформировала четкое техническое видение того, какими должны быть его преемники. И готовящийся к запуску в 2017 году Transiting Exoplanet Survey Satellite (Спутник изучения транзитных экзопланет, TESS) и «Джеймс Уэбб», что взлетит в 2018 году, не будут использовать низкую околоземную орбиту, как «Хаббл». Их разместят на удалении в миллион-полтора километра от Земли, где на них минимально будет влиять ее гравитация (в т.ч. в точке Лагранжа) и свет Солнца.

По общему мнению астрономического сообщества, наиболее важной задачей для TESS и «Джеймса Уэбба» будет поиск планет примерно земного размера вокруг небольших звезд, в основном красных карликов, удаленных от Солнца не более, чем на 100 световых лет.

Чтобы преуспеть там, где не справился предшественник, они будут оснащены более совершенными ПЗС-матрицами, и складными зеркалами («Уэбб») из шестигранников, общим диаметром 6,5 м – это в десятки раз больше по площади, чем зеркало, которое «Хаббл» позаимствовал у спутников-шпионов 70-х. Новое зеркало делают не из стекла, а из бериллия, поэтому оно намного тоньше и легче на единицу площади. 

Считается, что благодаря этому зеркалу «Джеймс Уэбб» сможет собрать ИК-излучения как от самых ранних звезд и галактик Вселенной, так и от экзопланет красных карликов в окрестностях Солнечной системы. Предполагается, что коронограф, позволяющий затенять свет звезды наблюдаемой системы, позволит аппарату выявить у них и следы жизни – если они там, конечно, будут.

Для детального анализа землеподобных планет у желтых звезд типа Солнца возможностей нового телескопа не хватит: слишком далеки такие планеты от своей звезды и слишком трудно их наблюдать. Но если учесть, что большинство звезд Вселенной являются не желтыми, а красными карликами, где зона обитаемости много ближе к светилу, то перспективы поиска жизни за пределами Солнечной системы начинают выглядеть умеренно оптимистично.

Борис Александров