Глава 5. Астрономические исследования с космических аппаратов

Особенности и задачи астрономических наблюдений из космоса. Космические аппараты на околоземных орбитах и в солнечной системе. Телескоп Хаббла. Проект GAIA. Исследование космического мусора и астероидной опасности. Лунная база (задачи, условия работы, выбор места, структура и создание). Лунная обсерватория.

5.1 Особенности и задачи астрономических наблюдений из космоса

Астрономические наблюдения из космоса имеют ряд преимуществ перед наземными:

1. отсутствие влияния атмосферы: с 30 (наземные наблюдения) до 0.001 (в космосе) - дифракционный диск звезды: [ рад ] = 1.22/D,

где  - длина волны наблюдаемого диапазона, D - диаметр входного отверстия телескопа, антенны или базы интерферометра;

наблюдается большая часть энергии спектра излучения звезд - атмосфера пропускает лучи лишь в определенных окнах (видимое, радио); лишь в космосе достижима теоретическая разрешающая способность оптического (радио) телескопа, так как нет атмосферы с ее поглощением (экстинкция), дрожанием, рефракцией, атмосферной дисперсией;

2. нет влияния силы тяжести, а значит и отсутствуют гравитационные деформации телескопов;

3. почти все время суток доступно для наблюдений;

4. вся небесная сфера может быть измерена одним телескопом и много раз; на земле это невозможно;

Предметом астрономических исследований из космоса является изучение на более высоком точностном и количественном уровне пространственного расположения и движения небесных тел под действием сил гравитации и иной физической природы; создание систем координат и их изменений (координаты и собственные движения), расстояний до и между небесными обьектами (параллаксы); изучение структуры небесных тел и их систем для понимания процессов происхождения, формирования и эволюции.

Отметим наиболее важные научные направления космических исследований, имеющие общепланетарное значение и обещающие новые открытия:

1. Осваивается оптический и инфракрасный диапазон (гамма, рентген, ИК астрономия) посредством больших и сверхбольших телескопов на космических аппаратах - космический интерферометр GAIA, телескоп HST имеют или будут иметь экстремально большой обьем наблюденных данных. Например, обьем данных, полученных на космическом телескопе Хаббла HST за сутки составляет около 5 Гбайт;

2) Изучение тел солнечной системы: малые планеты, астероиды; спутники планет солнечной системы; койперовские обьекты; Кометно-астероидно-метеороидная опасность (АСЗ)

3) Всеволновая астрономия с Луны: ИК-астрономия, радиоастрономия, оптическая интерферометрия, РСДБ;

4) Каталогизация обьектов в околоземном космическом пространстве: действующие КА, космический мусор искусственной и естественной природы;

5) Экзопланеты (Extrasolar planets)

5.2 Космические аппараты на околоземных орбитах

Развитие современной техники, в частности, космической, позволило реализовать в 1989-93гг

проект HIPPARCOS (HIgh Precision PARallax COllecting Satellite). Успех первого космического эксперимента в области позиционной астрономии привел к созданию в 1997 году двух каталогов: а) Hipparcos каталог (HC), включающий 118 тысяч звезд до 10-й величины и точностью положений около 0.001 и б) Tycho каталог (TC), включающий один миллион звезд до 12-й величины и точностью положений около 0.025. По сравнению с точностью наземных телескопов в существенно короткие сроки было достигнуто увеличение точности по пяти астрометрическим параметрам (координаты, собственные движения, параллаксы) примерно в 100 раз значительного количества звезд.

Новые космические проекты 21-го века направлены на достижение в позиционной астрономии уже микросекундного уровня точности (см. табл. 5.1).

Космический проект GAIA (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics) [http://astro.estec.esa.nl/GAIA/] обещает впечатляющие результаты: точность положений в каталоге должна быть повышена до 4 - 20 микросекунд для звезд до 16-20 величин, при количестве до 1.3 млрд звезд. Космический аппарат GAIA будет работать на орбите в Лагранжевой точке L2 на расстоянии 1.01 а.е. от Солнца в течение 5 лет и передавать данные наблюдений на Землю со скоростью более 100 МБ\сек.

Оптическая схема и общий вид КА GAIA показан на рис. 5.1, состав КА на рис. 5.2, положение на орбите – рис. 5.3, задачи проекта представлены на рис. 5.4. Технические параметры и ожидаемые результаты приведены в Табл. 5.1

Табл. 5.1 Проекты космических аппаратов для астрофизики и позиционной астрономии (Рис.5.1, 5.2)

Название проекта	Технические данные: кол-во и размер базы, оптические параметры	ПЗС-приемник, Угловое поле	Число обьектов, научные задачи	Предельная звездная величина	Точность определения 5 астрометр. пара метров (,,,)	Начало проекта и период работы
SIM(NASA) Space Interferometry Mission	Переменная база (7), Длина до 10м, Апертура 0.5m	Камера высокого динамичес. диапазона (HLRC),14^m.	10 000, избранные обьекты, астрометр. параметры (,,,)	До 20^m	4asдо12^m 300asдо20^m	2012г.; 5 лет
GAIA (ESA) Global Astrometric Interferometer forAstrophysics	Базовый угол 106, FOV [1,4x0,5m^2], F=50m	Мозаика из 180 ПЗС матриц (2100х2600),сканир., FOV [0.6]	1.3млрд звезд, определение астрометрич параметров, фотомет. в 6 полосах	16 - 20^m	4 - 20as; 4as до 12^m 10as до15^m 200as до 20^m	2013г.; 5 лет
Habble Space Telescope (HST)	D=2.4m F= 4 m	0.1-2.5 mkm FOV [69']	фотомет. в 8 полосах	до 26^m	1mas- 5mas	C 1990, 2013 и далее
James Webb Space Telescope (JWST)	D=6.5m F= 131.4m	0.6-27 mkm IR	Экзопланеты типа Земли; первые звезды и галактики	до 28^m	1 mas	2018 на 5 лет и более

Рис.5.1 Оптическая схема и общий вид телескопа GAIA

Рис.5.2 Состав космического аппарата GAIA

Рис.5.3 Положение на орбите космического аппарата GAIA

Рис.5.4 Задачи космического аппарата GAIA

Телескоп HST <http://hubble.esa.int>

В1990 году был запущен на околоземную орбиту уникальный телескопHST (Hubble Space Telescope), более известный как “Телескоп Хаббла” Европейского Космического Агенства (ESA). Свое имя телескоп получил в честь выдающегося астронома Эдвина Хаббла – исследователя в области галактической астрономии, открывшего закон красного смещения.

Рис.5.3 Оптическая схема телескопа HST

Оптические данные HST:

• Оптическая схема HST (рис.5.3) кассегреновского типа (вариант Ричи-Кретьена) включает главное зеркало (b), диаметром 2.4 метра (f/1.24); зеркало гиперболическое, изготовлено из керамики;

• Вторичное зеркало (a) также гиперболическое;

• Имеется активный корректор адаптивной оптики.

Технические характеристики:

• Диаметр поля зрения (FOV) окулярного регистрирующего устройства (c) 69 имеет три сектора для научных приборов: - WFPC2 (планетарная камера широкого поля), STIS (спектрограф), NICMOS (инфра-красная камера), FOC (камера узкого поля для наблюдения слабых обьектов), Fine Guidance Sensors (камера для гидирования и астрометрии); все приборы работают независимо;

• Диапазон длин волн: 0.1 - 2.5 микрон;

• Величина углового разрешения до 0.005;

• Предельная звездная величина около 26^m , при длительных экспозициях до десяти и более часов;

• Стартовый вес телескопа - 11.1 тонн;

• Габаритные размеры телескопа: длина 15.9 м, диаметр - 4.2 м; 2 солнечные панели - каждая размером 2.4м  12.1м;

• Орбита - круговая, 600 км над поверхностью Земли, наклон к экватору 28.⁰5;

• Ожидаемое время работы - 20 лет, каждые 2.5 года выполнятся полеты КА «Шаттл» для ремонта и замены оборудования, 5 лет - для профилактики и коррекции орбиты; связь с HST выполняется через геостационарные коммуникационные спутники, в обьеме около 5 Гигабайт за сутки;

• Стоимость HST около 1.2 млрд долларов США, стоимость одного полета Шаттла около 420 млн долларов.

По сравнению с наземными телескопами, угловое разрешение которых 0.5-1.0, разрешение Хаббла в 100 раз выше (0.005); также возможны наблюдения обьектов на порядок более удаленных (до 14 млрд световых лет). HST - телескоп коллективного пользования для 16 европейских стран в рамках обсерватории Хаббла и института STScI при научном сотрудничестве ESA и NASA. Общее количество сотрудничающих с HST организаций насчитывает 864.

Задачи и достижения HST:

• Космология и структура Вселенной (глубокие обзоры для определения возраста и размера Вселенной - Hubble Deep Fields)

• Происхождение и эволюция Галактик - открытие скоплений (кластеров) галактик, гравитационных линз

• Млечный путь и его окружение

• Рождение и формирование звезд

• Происхождение и эволюция планетарных систем

• Определение координат избранных обьектов с точностью до 0.001.

Hubble Deep Fields - имели экспозиции от нескольких часов (обычно) до сверхдлинных, более 100 часов! Наблюдалось около 3000 галактик в одном поле (3.'6х3.'6). Получены совершенно новые данные о самом молодом периоде развития нашей Вселенной.

С помощью HST было подтверждено существование сверхмассивных обьектов, т.н. “черные дыры”, “гравитационные линзы”; С помощью HST были открыты десятки спутников больших планет (Юпитера, Сатурна) нашей солнечной системы, новые изображения поверхности Плутона, что невозможно с помощью наземных обсерваторий. был обнаружен кометный пояс из сотен млн комет, окружающий Солнечную систему; у спутника Юпитера Европы обнаружена тонкая кислородная атмосфера и др.

По своим возможностям HST можно сравнить с 8-10 метровым телескопом, установленным на Земле.

Рис.5.4 Общий вид: Шаттл и HST

Рис.5.5 Изображения полей «Глубокого обзора» с космического телескопа Хаббла