Невероятные космические открытия, сделанные благодаря «Хабблу» и вопреки злому року

Это не просто красивые картинки из космоса. За 28 лет, проведённые на орбите, космический телескоп «Хаббл» передал на Землю информацию, изменившую представление ученых и простых людей об образовании и эволюции галактик, позволил изучить невидимые области вселенной и узреть самые далекие космические объекты. 25 апреля 1990 года шаттл «Дискавери» STS-31 вывел телескоп на расчётную орбиту. И первое разочарование — многолетнюю подготовку «запорол» техник, собиравший прибор на земле. Он ошибся при работе с лазерным измерителем, с помощью которого нужно было с точностью до миллиметра установить зеркало телескопа. В итоге вместо четких снимков вселенной ученые получили жуткий «расфокус». Но уводить аппарат с орбиты и возвращать на землю для ремонта было крайне долго и дорого. Как ученым удалось элегантно выйти из ситуации и об открытиях, которые удалось сделать при помощи «Хаббла», — в материале Пятого канала.

Фото: tassphoto.com

Идея наблюдать за космосом из космоса впервые появилась еще в 20-х годах прошлого века. О концепции орбитального телескопа впервые говорится в книге Германа Оберта «Ракета в межпланетном пространстве», увидевшей свет в 1923 году. В 1946-м американский астрофизик Лайман Спитцер опубликовал статью «Астрономические преимущества внеземной обсерватории». Преимуществ было два. Говоря простым языком, во-первых, турбулентные потоки в земной атмосфере не будут искажать картинку и, во-вторых, космический телескоп сможет наблюдать за галактикой в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах, что невозможно с Земли. Спустя более чем 15 лет, в 1962 году Национальной академией наук США был опубликован доклад, рекомендовавший включить разработку орбитального телескопа в космическую программу. Спустя еще три года Спитцер был назначен главой комитета, в задачу которого входило определение научных задач для крупного космического телескопа. В 1978 году Конгресс утвердил финансирование в размере 36 миллионов долларов. Начались полномасштабные работы по проектированию.

Миссия Хаббла и «момент сотворения мира»

Телескоп назвали в честь астронома Эдвина Хаббла, предложившего концепцию расширяющейся Вселенной. Исследования Хаббла и его коллег в 1920-е годы показали, что галактики разбегаются друг от друга будто пространство Вселенной равномерно растягивается. 

Фото: i.ytimg.com

Современная скорость расширения позволяет определить возраст Вселенной с помощью параметра постоянной Хаббла — это скорость разбегания галактик. Обратная ей величина (если пренебречь ускорением и торможением) дает время, когда галактики были рядом. Это — точка отсчета, момент «сотворения мира». Значение постоянной Хаббла помогает рассчитать рост галактик, формирование легких элементов и установления продолжительности фаз космической эволюции. Именно точный расчет постоянной Хаббла и был целью телескопа, названного в честь гениального ученого. Точность полученного значения постоянной Хаббла составила около 10%. На данный момент считается, что возраст Вселенной — 13,7 миллиарда лет. Такие данные были получены по результатам наблюдений квазаров — самых ярких астрономических объектов. Ученые получили современную космологическую модель, представляющую собой Вселенную, расширяющуюся с ускорением, заполненную тёмной энергией, и ее возраст. 

Вперед, в космос! Или брак на миллиарды

Запуск телескопа был запланирован на 1983 год. В итоге от начала проектирования до запуска было затрачено 2,5 миллиарда долларов, при начальном бюджете в 400 миллионов. А «Хаббл» выведен на орбиту лишь в 90-м. И все это едва не обернулось крупным скандалом. Когда телескоп передал вот такие снимки (на фото слева):

Справа — кадры после корректировки
Фото: wikipedia.org

Такая нечеткость появилась из-за дефекта зеркала. Ошибка была совершена при монтаже главного нуль-корректора, полевая линза которого была сдвинута на 1,3 мм относительно правильного положения. История умалчивает о судьбе техника, который после окончания монтажа заметил непредвиденный зазор между линзой и поддерживающей её конструкцией, но вместо того, чтобы исправить брак, просто вставил обычную металлическую шайбу. Так многомиллионный проект и отправился бороздить космическое пространство — криво собранный.

Фото: tassphoto.com

В первые три года работы, пока ученые разрабатывали систему коррекции сферической аберрации, «Хаббл» все-таки выполнил большое количество наблюдений. Дефект не оказывал влияния на спектроскопические замеры. Однако, самые зрелищные результаты начались после установки системы коррекции, состоявшей из двух зеркал. Одно из них и компенсировало дефект. 

Космическая бомбардировка

В 1994-м году ученые NASA с изумлением узнали, что Солнечная система — настоящий тир. За год до гибели кометы Шумейкеров-Леви 9 «Хаббл» получил изображения, показывающие, что она раскололась на более 20-ти растянувшихся в цепочку фрагментов. Первый «кусок» 16 июля 1994 года врезался в атмосферу Юпитера. В течение недели такую же траекторию повторили и остальные части кометы. «Хаббл» зафиксировал выбросы, поднимавшиеся над горизонтом Юпитера, похожие на гриб ядерного взрыва. Через 10 минут после столкновения «облако» оседало и рассасывалось. Но последствия можно было наблюдать в течение нескольких месяцев. Они-то и помогли ученым приподнять завесу тайны состава газового гиганта. На снимке, полученном с «Хаббла» восемь темных пятен, наложившихся друг на друга, — это места столкновений. Фрагменты кометы повредили южное полушарие Юпитера. Изображение было получено 22 июля 1994 года. На нижнем снимке — выброс, похожий на ядерный гриб, над лимбом планеты через 6 минут после столкновения 16 июля того же года. 

Фото: Hubble Space Telescope Comet Team and NASA 

Планеты за пределами Солнечной системы

Сегодня известно около 180 таких объектов. Большинство из них обнаружили при помощи наземных телескопов. Но такой способ наблюдения дает минимум информации: только размер и эллиптичность орбиты планеты, а также нижний предел ее массы. С помощью «Хаббла» обнаружили экзопланету HD 209458 b или Осирис. Теперь она уже самая изученная за пределами Солнечной системы. Планета находится на расстоянии 153 световых лет от нашего светила. Ее радиус в 1,4 раза больше, чем у Юпитера, в то время как масса составляет всего лишь 0,7 его же массы. В 2007 году удалось зафиксировать следы атмосферы Осириса. В том же году появилась информация, что на планете обнаружена вода. Это первоначальное предположение нашло новое подтверждение в 2013-м.

Фото: tassphoto.com

Агония звезд

«Хабблу» удалось подсмотреть за смертью звезды. Это было настоящей удачей для астрономов. В теории, звезда с массой от 8 до 25 масс Солнца завершает свою жизнь взрывом сверхновой. Это происходит из-за того, что она исчерпывает запасы топлива и резко теряет способность удерживать собственный вес. Ядро звезды коллапсирует и превращается в нейтронную звезду — массивный, сверхплотный объект. Внешние слои газа выбрасываются в пространство со скоростью 5% от скорости света. Но в нашей Галактике сверхновые звезды не взрывались аж с 1680 года, поэтому на практике эту теорию проверить не удавалось. Но 23 февраля 1987-го произошел взрыв сверхновой в соседней галактике, спутнике Млечного Пути, — Большом Магеллановом Облаке. Через три года только что запущенный «Хаббл» начал отслеживать этот процесс и открыл три кольца, окружавших взорвавшуюся звезду. В 1994 году телескоп начал замечать яркие пятна, возникающие одно за другим на центральном кольце: в него врезался выброс сверхновой. Когда ударная волна достигла ранее существовавшего газового кольца, запылали горячие пятна. 

Фото: Dr. Christopher Burrows, ESA/STScI and NASA 

Рождение звезд

С помощью «Хаббла» удалось также воочию увидеть и рождение новой звезды. О появлении светила, согласно теории, свидетельствуют выбрасываемые узкие и быстрые струи газа, длинной в несколько световых лет. Магнитное поле пронизывает газопылевой диск, окружающий молодую звезду. Ионизованное вещество вынуждено течь вдоль магнитных силовых линий, при этом напоминая бусины на вращающейся нитке. Наблюдения «Хаббла» подтвердили теорию, согласно которой струи рождаются в центре диска. На снимке ниже как раз и запечатлены те самые пылевые диски (похожие на амеб или медуз), они окружают формирующиеся звезды в туманности Ориона.

Фото: NASA, J.Bally (University of Colorado, Boulder, CO), H.Throop (Southwest Research Institute, Boulder, CO), C.R.OʼDell 

Также «Хаббл» опроверг другую теорию, касавшуюся околозвездных дисков. Считалось, что они сидят глубоко в родительском облаке и увидеть их нельзя. «Хаббл» же обнаружил более десятка протоплатных дисков, — заметных в виде силуэта на фоне туманности. Оказалось, что половина изученных молодых звезд обладает такими. Это говорит о том, что «сырья» для формирования планет в Галактике более чем достаточно.

Как галактики друг друга «ели»

Снимки, сделанные «Хабблом» дали основания предположить, что странные молодые звезды на окраине Туманности Андромеды могут быть «осколками» столкновения галактик. Ученые считают, что крупные галактики, такие как Млечный Путь и Туманность Андромеды выросли, поглотив более мелкие. Это заметно по расположению входящих в низ звезд, а также по их возрасту и составу. «Хаббл» наблюдал за звездным гало — сферическим облаком звезд и звездных скоплений вокруг основного галактического диска Туманности Андромеды. Оказалось, что возраст самых старых из них достигает 11-13,5 миллиардов лет, а юных — 6-8 миллиардов. Последние могли попасть в Туманность Андромеды из поглощенной ею галактики-спутника. 

Фото: NASA, ESA and T.M.Brown (STScI) 

Сверхмассивные черные дыры — «сердца» галактик?

В 1960-х астрономы получили доказательства того, что источником энергии квазаров (одних из самых ярких объектов в Солнечной системе) и других активных ядер галактик являются черные дыры, захватывающие окружающее их вещество. И «Хаббл» вновь подтвердил теорию. У каждой галактики, которую он детально наблюдал, нашлись указания на спрятанную в ее центре черную дыру. Изображения квазаров показали, что они располагаются в ярких эллиптических или взаимодействующих галактиках. Это говорит о том, что нужны особые условия, чтобы питать центральную черную дыру. Во-вторых, масса гигантской черной дыры тесно коррелирует с массой сферического звездного балджа (сгущения), окружающего галактический центр. Таким образом формирование и эволюция галактики и ее черной дыры тесно связаны. На снимке плазменная струя, бьющая из галактики М 87, по-видимому, генерируется черной дырой массой в 3 миллиарда масс Солнца.

Фото: astronet.ru

Самые мощные взрывы во Вселенной

«Хаббл» помог и в становлении нескольких гипотез. Ранее считалось, что гамма-всплески — это короткие вспышки гамма-излучения, длящиеся от нескольких миллисекунд до десятков минут. В тех, что были длиннее двух секунд образуются менее энергичные фотоны. Однако, исследования, проведенные Комптоновской гамма-обсерваторией, рентгеновским спутником BeppoSAX и наземными обсерваториями, дали основания полагать, что вспышки возникают при коллапсе ядер звезд типа сверхновой. Но возникал вопрос, почему только малая доля сверхновых дает гамма-всплески. На фото галактика, в которой наблюдался гамма-всплеск 971214. На снимке выглядит как небольшое пятнышко под стрелкой.

Фото: S.R.Kulkarni and S.G.Djorgovski (Caltech), the Caltech GRB Team, and NASA

«Хаббл» обнаружил: несмотря на то, что во всех областях звездообразования в галактиках вспыхивают сверхновые, продолжительные гамма-всплески, сконцентрированы в наиболее ярких областях, как раз там, где сосредоточены самые массивные звезды. Также оказалось, что продолжительные гамма-всплески чаще всего возникают в небольших бедных тяжелыми элементами галактиках. Дефицит таких элементов в массивных светилах делает их звездный ветер менее мощным. На протяжении жизни они сохраняют большую часть своей массы и, когда приходит время взрываться, оказываются более массивными. Коллапс их ядер приводит к образованию не нейтронной звезды, а черной дыры. Ученые полагают, что продолжительные гамма-всплески вызваны тонкими струями, выброшенными быстро вращающимися черными дырами. Решающими факторами для того, чтобы коллапс ядра звезды вызвал мощный гамма-всплеск, являются масса и скорость вращения звезды в момент ее смерти. История с короткими гамма-всплесками оказалась куда более сложной для понимания. В последние годы несколько таких гамма-всплесков были запечатлены спутниками HETE 2 и Swift. «Хаббл» и рентгеновская обсерватория «Чандра» получили данные, что энергия таких вспышек слабее, чем продолжительных, и возникают они в совершенно разных типах галактик, включая и эллиптические, где звезды сейчас почти не формируются. Похоже, что короткие вспышки связаны не с массивными, короткоживущими звездами, а с остатками их эволюции. Согласно наиболее популярной гипотезе, короткие гамма-всплески возникают при слиянии двух нейтронных звезд.

Край мироздания

«Хаббл» помогает решать и ещё одну из фундаментальных зачад астрономии, — исследовать развитие галактик и их предков во временном интервале, максимально приближенном к моменту Большого взрыва. Чтобы понять, как выглядел Млечный Путь, ученые пытаются получить изображения галактик разного возраста. «Хаббл» совместно с другими обсерваториями получил с длительными экспозициями изображения нескольких маленьких участков космоса. Он запечатлил и передал на землю сверхглубокие снимки далеких галактик.

Фото: NASA, ESA, S.Beckwith (STScI) and the HUDF Team 

Ускоряющаяся Вселенная

Снимки с «Хаббла» помогли ученым понять, что расширение Вселенной ускоряется. К такому выводу в 1998 году пришли сразу две независимые группы. Ранее астрономы полагали, что Вселенная тормозится, так как притяжение галактик друг к другу предположительно замедляло их разбегание. В физике появился сложнейший вопрос: что вызывает ускорение? Рабочая гипотеза гласит: во Вселенной содержится невидимая составляющая, называемая «темной энергией». Наблюдения наземных телескопов и «Хаббла» указывают, что в этой темной энергии содержится три четверти полной плотности энергии Вселенной.

Фото: NASA and J.Blakeslee (JHU)

На кадрах разные по времени снимки. Их сопоставление привело к обнаружению далекой сверхновой галактики и к выявлению ускоренного расширения Вселенной. Ученые подсчитали, что оно началось примерно пять миллиардов лет назад, а до того момента Вселенная действительно тормозилась. В 2004 году «Хаббл» обнаружил 16 далеких сверхновых галактик, которые тогда вспыхнули. Но чем может быть темная энергия? Возможно, энергия принадлежит самому пространству, даже если оно совершенно пустое. Сегодня наблюдение далеких сверхновых остается лучшим методом изучения темной энергии.  

Новый спутник Нептуна

В 2013 году, после изучения сделанных телескопом в 2004—2009 годах снимков, Марк Шоуолтер открыт спутник Нептуна S/2004 N 1. У него пока нет официального названия. Но по традиции спутники Нептуна называют именами персонажей античной мифологии, связанных с богом Нептуном или Посейдоном. Шоуолтер предлагал назвать открытый им объект в честь сына Посейдона Полифема, чье имя еще не задействовано.

Фото: wikipedia.org

Галактика в созвездии Большой Медведицы

По состоянию на 3 марта 2016 года яркая галактика GN-z11 является самым удалённым из известных объектов во Вселенной. Свет от нее шёл 13,4 миллиарда лет. Он был испущен спустя 400 миллионов лет после Большого взрыва. Эта галактика в 25 раз меньше Млечного Пути по размеру и в 100 раз меньше массы звезд. Наблюдаемая скорость звездообразования оценочно в 20 раз превышает современную для Млечного Пути.

Фото: wikipedia.org 

Черная дыра, нарушающая законы физики

В январе прошлого года «Хаббл» помог сделать очередное сенсационное открытие. Орбитальная обсерватория сделала фотографии необычно легкой черной дыры в центре небольшой галактики в созвездии Девы. Ее невозможно высокая яркость нарушила представления человечества о поведении и устройстве подобных объектов. Их изучают уже несколько десятков лет. Согласно действующим гипотезам, в центре большинства крупных галактик существует хотя бы одна сверхмассивная черная дыра. Причины их образования не ясны. Но наблюдение за искривление пространства вокруг них дает основания полагать, что типичная масса сверхмассивных черных дыр находится в диапазоне от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца. Наблюдать такие черные дыры крайне сложно из-за того, что их скрывает пыль и газ, окружающие ядра галактик. Черная дыра, обитающая в центре спиральной галактики RX J1140.1+0307, обладает относительно небольшим весом — она является одной из самых «легких» сверхмассивных черных дыр, найденных за последние десятилетия. Эта галактика находится в созвездии Девы и удалена от нас примерно на миллиард световых лет. Она повернута к Земле «боком», — именно это позволяет увидеть часть ядра галактики. Многие астрономы даже относят ее к другому классу объектов — так называемым черным дырам промежуточной массы, которые сегодня считают «потерянным звеном» эволюции галактик.

Фото: ESA/Hubble & NASA // Judy Schmidt

Ученые наблюдают за активностью черной дыры в галактике  RX J1140.1+0307 при помощи оптических, рентгеновских и радиотелескопов. Последние наблюдения раскрыли удивительную вещь — яркость черной дыры в данной галактике на порядки выше того, что предсказывает теория, и ее невозможно объяснить при помощи текущих представлений об устройстве черных дыр и их роли в жизни галактик. Дальнейшие наблюдения должны дать ответ на вопрос, как данной чёрной дыре удается быть такой яркой и какую роль подобные объекты играли в процессе роста галактик. 

Старичок все еще на орбите

28 лет на орбите, четыре ремонтных экспедиции и не самое удачное начало, — но старичок «Хаббл» до сих пор в строю. Это при том, что в 2014-м его должен был сменить космический телескоп «Джеймс Уэбб». Но, как это принято при строительстве космических телескопов, из-за крайне внушительного превышения бюджета и переноса сроков сдачи «Джеймса Уэбба», НАСА сначала перенесла дату старта новый миссии на сентябрь 2015-го, а потом и вовсе на октябрь 2018-го.

Фото: tassphoto.com

Но нет, точку в истории «Хаббла» не поставят через несколько месяцев. Два года назад программу «Хаббла» официально продлили до 30 июня 2021 года. С соответствующим финансированием. NASA сообщило, что телескоп все еще находиться в отличном техническом состоянии. А если так,  кто знает какие еще картины из тайников Вселенной он покажет человечеству.