ЕНКМ_3 часть

излучение в областях электромагнитного спектра, которые не пропускает земная атмосфера, можно изучать только из космоса. В ультрафиолетовом диапазоне в течение 18 лет (1978-1996 гг.) работал спутник IUE (International Ultraviolet Explorer), созданный совместно США-Европа-Англия, а с 1999 г. по 2007 г. на орбите работал американский телескоп-спектрограф FUSE (Far Ultraviolet Spectroscopic Explorer). В рентгеновских лучах исследования космических тел представляют наибольший интерес, поэтому было создано несколько космических рентгеновских обсерваторий, наиболее успешными из них считаются «Эйнштейн» (НАСА), ROSAT (Германия-США-Англия), «Гранат» (Россия). Все эти аппараты открыли большое количество новых интересных объектов и позволили установить природу некоторых загадочных тел Вселенной. Инфракрасное излучение, приходящее из космоса, хорошо изучено благодаря работе американского спутника «IRAS» и европейской «Инфракрасной космической обсерватории» (Infrared Space observatory). В результате изучены множество холодных звезд и галактик, распределение вещества в Галактике и Вселенной. Наконец, космическое гамма-излучение наблюдалось в 1970-е гг. на спутнике «CosB» (Европа) и гамма-обсерватории «Комптон» (США). Основные объекты исследований – загадочные гамма-вспышки (взрывы очень далеких сверхновых звезд), открытые еще в 60-е гг. XX в., природа их начала проясняться лишь в последние годы с применением более совершенным методов наблюдений.

В 2000-е начались запуски космических телескопов нового поколения. Перечислим наиболее важные миссии (по диапазонам

111

длин волн, в которых они работают) и основные задачи, которые перед ними ставятся.

Внастоящее время высокоэнергичное гамма-излучение от астрофизических объектов получают 4 гамма-телескопа: AGILE (Италия), «Свифт» и «Ферми» (НАСА) и европейский спутник «Интеграл», запущенный в 2002 г. с помощью российской ракеты «Протон». В работах по изучению объектов, открытых этим телескопом участвуют и сотрудники кафедры астрономии и космической геодезии Казанского университета. Основными задачами этих аппаратов является наблюдение компактных объектов нашей Галактики (белых карликов, нейтронных звезд и черных дыр), ядер активных галактик и регистрация гамма-вспышек.

Врентгеновском диапазоне проводят наблюдения, как упомянутые выше телескопы AGILE, «Свифт», «Интеграл», так и специализированные аппараты «Чандра» (НАСА) и «Ньютон» (ЕКА), запущенные на орбиту еще в 1999 г. Рентгеновские телескопы кроме открытия и долговременных наблюдений гамма и рентгеновских источников могут получать их изображения. В январе 2012 г. завершил свою работу американский рентгеновский телескоп «Росси» (RXTE), который за 12 лет работы сделал несколько важных открытий

вобласти исследований нейтронных звезд, построил лучшие карты рентгеновского неба.

112

Специализированным телескопом для наблюдений ультрафиолетового излучения от космических тел является орбитальный телескоп НАСА GALEX (Galaxy Evolution Explorer - «Исследователь эволюции галактик»), который был отправлен в полет весной 2003 г., и первые его наблюдения были посвящены экипажу погибшего шаттла «Колумбия». Основной задачей аппарата является наблюдения большого числа далеких галактик, на основе которых было составлено несколько обзоров неба в ультрафиолетовых лучах. Также в этом диапазоне снимки получают космические телескопы «Хаббл» и «Свифт».

Сейчас на околоземной орбите находится 4 оптических телескопа, которые выполняют разные исследования. Наиболее известным и долгоживущим орбитальным телескопом является, конечно, космический телескоп им. Хаббла, который стартовал с Земли в шаттле «Дискавери» 24 апреля 1990 г.; четыре раза проводились специальные экспедиции по ремонту этого телескопа на орбите. Предполагается, что он проработает еще до 2014 г. В 2003 г. на орбиту полетел первый канадский орбитальный телескоп MOST (Microvariability and Oscillations of Stars – «звёздные микровариации и осцилляции»), который предназначен для изучения активных процессов на звездах, поиска планет у других звезд (экзопланет), в 2006 г. этот телескоп открыл новый тип переменных звезд. Космический телескоп COROT (Convection Rotation and planetary Transits – Франция-Европейское Космическое Агентство) работает на орбите с 2007 г., наблюдает две противоположные области неба и занимается астросейсмологией (поиском изменений на

113

звездах, вызванных акустическими волнами) для определения массы и возраста звезд, а также поисками экзопланет и карликовых звезд. Специально для поиска экзапланет в марте 2009 г. с американского космодрома на мысе Канаверел был запущен космический оптический телескоп «Кеплер», который постоянно наблюдает лишь небольшую область неба в созвездии Лебедя и следит за изменениями блеска около 4 миллионов звезд этой области. За три года наблюдений этот телескоп открыл более 60 планет, и более 2 300 кандидатов в планеты.

Инфракрасное небо сейчас активно изучают лишь два орбитальных телескопа – японский «Акари» (в переводе «Свет»), который работает с 2006 г., и европейский «Гершель» (названный в честь английского ученого У. Гершеля открывшего инфракрасное излучение), запущенный в мае 2009 г. Они изучают объекты Солнечной системы (поверхности и атмосферы планет, спутники, кометы), молодые звезды, формирующиеся планетные системы, протогалактики. Совсем недавно закончили основные исследования еще три инфракрасных телескопа, созданные в НАСА: «Спитцер», WISE (Wide Field Infrared Survey Explorer) и не очень удачная миссия WIRE (Wide Field Infrared Explorer). Они занимались наблюдениями отдельных интересных астрономических объектов и составляли полные обзоры неба в инфракрасных лучах. Кроме того, WISE за время своей работы (2009-2010 гг.) открыл 17 комет и более 33 000 астероидов.

Очень важные результаты были получены в 2001-2010 гг. при изучении микроволнового излучения американским космическим

114

аппаратом WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), названного в честь одного из руководителей проекта Д. Уилкинсона. Этот телескоп позволил построить самую точную карту распределения по небу реликтового излучения, которое сохранилось с ранних этапов эволюции Вселенной. Его исследования позволили уточнить возраст Вселенной, проверить современные модели теории Большого взрыва, показали, что на 4 % Вселенная состоит из обычного вещества, на 23 % – из темной материи и на 73 % она состоит из темной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной. Продолжение этих исследований, а также решение некоторых новых задач (создание каталогов галактик, наблюдение межзвездной среды и малых тел Солнечной системы) стоит перед запущенным в 2009 г. астрономическим спутником «Планк».

Радиоволны из космоса можно принимать и на поверхности Земли, поэтому орбитальные радиотелескопы – большая редкость. Важным событием в российской космонавтике стала реализация международного космического проекта «РадиоАстрон». Этот радиотелескоп с диаметром зеркала 10 м был успешно выведен на орбиту 18 июля 2011 г. с космодрома Байконур с помощью ракетыносителя «Зенит-2SБ». За время своей работы «РадиоАстрон» должен провести наиболее высокоточные наблюдения черных дыр в активных галактиках, черных дыр и нейтронных звезд в нашей Галактике, построить наилучшую модель гравитационного поля Земли.

В 1998 г. на станции Мир работал специальный прибор магнитный альфа-спектрометр для изучения космических лучей,

115

поиска антиматерии и темной энергии. В 2011 г. аналогичный прибор был установлен и работает на МКС.

Если говорить о перспективах развития космонавтики, то здесь на первом плане остается продолжение строительства Международной Космической станции, создание новых типов ракетносителей и космических челноков, построение базы на Луне и отправка на Марс пилотируемого корабля. Также ожидаются результаты начатых экспедиций к Меркурию, Венере, Юпитеру, Сатурну, Плутону, к комете Чурюмова-Герасименко, астероидам Веста и Церера. Будут расширены системы глобального позиционирования GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия), запущены новые спутники позволяющие лучше предсказывать погоду и описывать процессы, происходящие на поверхности нашей планеты, созданы новые космические телескопы, которые существенно расширить наши представления о Вселенной.

Подумайте и ответьте:

1.Что такое первая и вторая космические скорости?

2.Раскройте основные эпохи развития пилотируемой космонавтики в России и других странах.

3.Какие успехи достигнуты к настоящему моменту в непилотируемой космонавтике?

4.Какие космические объекты были исследованы при помощи беспилотных устройств? Перечислите удивительные открытия, которые были сделаны благодаря беспилотной космонавтике.

116

§ 1.4. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ. СВЕРХВСЕЛЕННАЯ

Звездное небо даже в первом приближении поражает нас своим разнообразием и богатством небесных тел, отличающихся друг от друга как строением, формами и размерами, так и физическими и иными характеристиками. Не удивительно, что у человека возникло вполне естественное желание разобраться с этим и «расставить всё по местам», чтобы выяснить какую нишу занимает каждый из объектов в Космосе и где место человека в нем. Естественно, что при решении этой задачи у него возникало масса вопросов, таких как: как возникла Вселенная и вещество, как устроены небесные тела и как они взаимосвязаны, как происходит передача информации между ними, закономерно или случайно наше появление в этом мире и т.д. Поисками ответов на эти и многие другие вопросы человек занимается с древнейших времен, но не на все из них получены ответы, многие требуют уточнений.

Здесь мы, используя достижения астрономии и физики, постараемся выяснить, что нового удалось узнать науке за последние годы о Вселенной, её строении и происхождении. Повод для этого имеется: за последние 2-3 десятилетия отрасли науки, посвященные изучению Вселенной, являются наиболее бурно развивающимися. Результаты этих исследований, несмотря на их сложность, мы постараемся изложить доступно, не углубляясь в детали, а выявляя лишь главное.

Вселенная и Сверхвселенная. В настоящее время наблюдаемую область Вселенной называют Метагалактикой, которая является лишь частью так называемой Вселенной. В ней в качестве «кирпичика»

117

выбирается галактика. Самые далекие объекты, которые нам удаётся в настоящее время наблюдать, располагаются на расстояниях 12-14 млрд. св. лет. Возраст самых старых шаровых скоплений в нашей Галактике оказывается порядка 13.6 млрд. лет. Возраст Вселенной по современным оценкам составляет 14-20 млрд. лет. Учитывая технические возможности телескопов сегодняшнего дня и новые приёмники излучения, можно надеяться, что уже в ближайшие годы мы сможем наблюдать объекты, находящиеся от нас на расстояниях 14-20 млрд. св. лет. Это будет означать, что для нас станут видимыми объекты, а точнее, до нас, наконец, дойдет излучение от тех объектов, которые являются самыми ранними по возрасту, то есть родившимися во времена, близкие к моменту Большого взрыва, с которого, как принято считать, и возникла Вселенная. Иными словами, мы выйдем на внешнюю границу того образования, которое мы сейчас называем Вселенной. Естественно, что тут же возникает вопрос: не граница ли это Вселенной?

Доводы, правда, умозрительного характера, но базирующиеся на современных, хорошо зарекомендовавших себя на практике, теориях

– квантовой механики и теории относительности, а также, отчасти, данные наблюдений дают хрупкое основание ответить на этот вопрос отрицательно. Наблюдательные данные указывают на то, что на сверхдальних расстояниях, порядка 5-8 млрд. св. лет, мы наблюдаем развал того образования, которое сейчас называем Вселенной. А это в свою очередь дает основание полагать, что это образование, как и звезды, имеет начало и конец. Поскольку природа не любит пустоты, является рачительной и ничего не создаёт зря, она должна либо

118

параллельно создать подобное образование, либо мы должны допустить, что в мегамире имеется ещё большее по размерам образование, внутри которого время от времени происходят разрушения тех или иных её составляющих и рождение новых образований, типа нашей Вселенной, что никак не сказывается на дальнейшем существовании этого большего по размерам образования.

Рис. 1.42: Иерархия формирования образований разных рангов во Вселенной.

Рассмотрим второй вариант и уточним само понятие Вселенная. Назовём то структурное образование, которое мы сейчас отождествляем с Вселенной, родившегося 14-20 млрд. лет назад, и на внешнюю границу которого мы выйдем в ближайшие годы, ячейкой Хаббла, в честь выдающегося американского астрофизика, открывшего закон расширения Вселенной. Она имеет, пусть и очень большие по сравнению с галактиками, но всё же конечные размеры, и отождествлять её с Вселенной, как это принято сейчас, мы воздержимся. Выберем теперь эту ячейку в качестве структурной единицы, «кирпичика», и на её основе попытаемся построить

119

образования ещё больших размеров в мегамире. Чтобы не путаться в понятиях, назовем область мегамира, значительно превосходящую своими размерами ячейку Хаббла – Сверхвселенной.

Введём ранжирование. Пусть характеристика R определяет ранг образования данного масштаба. Тогда при ранжировании ещё больших по размерам образований, входящих в состав Сверхвселенной, для ячейки Хаббла примем условно, что её ранг равен нулю (R=0). В этой связи полагаем, что, чем больше значение R, тем протяженней по своим размерам и объёму (и сложнее по структуре) должно быть образование.

Полагаем, что простейший алгоритм формирования образований ранга R>0 может быть следующим: несколько ячеек Хаббла, объединяясь в отдельную, «компактную» группу, формируют образование ранга R=1. И таких образований во Вселенной должно быть также много. В свою очередь несколько образований ранга R=1 (следующая структурная единица теперь будет образование ранга R=1), путём объединения друг с другом, формируют образование ещё большего ранга, ранга R=2 и т.д. Понятно, что минимальное число образований ранга R–1, формирующих образование ранга R, при этом не должно быть меньше 2-х, а максимальное число – сколь угодно большим, но обязательно конечным. Каждая составляющая в любом из образований должна оставаться свободной и вести себя относительно других, подобных ей, составляющих – независимо. Иерархия формирования образований разных рангов во Вселенной схематически представлена (по мере роста числа R) на рис. 1.42. Форма ячейки нулевого ранга здесь выбрана произвольно в форме эллипса.

120