Скрытая Вселенная телескопа Hersсhel

Сегодня за пределами земной атмосферы работает два десятка космических телескопов, которые изучают Вселенную во всех диапазонах электромагнитного спектра.

Обсерватория Herschel была запущена Европейским Космическим Агентством (ESA) в 2009 г. для изучения Вселенной в дальнем инфракрасном диапазоне и на субмиллиметровых волнах. Эта замечательная миссия предоставила астрономам первую детальную картину скрытого космоса, показав звезды, формирующиеся в плотных облаках пыли и газа, непрозрачных для видимого света. Если же говорить о внегалактической астрономии, результаты миссии Herschel рассказали нам о том, как на протяжении истории Вселенной менялась скорость образования новых звезд и как на эту скорость влияла межзвездная среда. Но, пожалуй, самое важное — то, что эти результаты сопровождались получением совершенно удивительных снимков!

Европейский инфракрасный телескоп

Основная цель миссии Herschel — наблюдение формирования звезд в нашей и других галактиках. Кроме Европейского Космического Агентства, в ее организации приняла активное участие NASA.

20 лет назад телескоп Hubble сделал знаменитый снимок «Столпов Творения», в действительности представляющих собой гигантские башни из пыли, внутри которых скрываются рождающиеся звезды. «Столпы Творения» — часть более крупной туманности M16 под названием «Орел» — светящегося облака межзвездного газа.

Чтобы понять, что находится внутри этих пылевых структур, необходимо использовать другой диапазон электромагнитных волн. В конце XVIII столетия сэр Уильям Гершель (Sir William Herschel) проверял гипотезу о том, что лучи синего цвета представляют собой излучение с большей энергией. При помощи призмы он разложил световой луч в спектр и разместил термометры таким образом, чтобы сравнить температуру воздуха, нагретого излучением с разной длиной волны. Взглянув на термометр, который расположенный в темном участке за пределами красного конца спектра, ученый обнаружил, что тот тоже нагрелся под действием некоего невидимого излучения, которое мы сейчас называем инфракрасным или тепловым. Потом были открыты другие виды излучения, и теперь мы можем осуществлять наблюдения во всех диапазонах электромагнитного спектра.

Астрономия подразделяет инфракрасный диапазон на ближний, средний и дальний (по отношению к видимому свету). Этот диапазон шире визуального на два порядка и соответствует температурам в десятки и сотни кельвинов. Обсерватория Herschel способна регистрировать излучение субмиллиметрового и дальнего инфракрасного диапазона.

В видимом свете можно наблюдать лишь внешние области пылевых облаков, скрывающих внутри звезды. Herschel дает возможность увидеть эти звезды вместе со свечением пыли, вызванным их светом, а также места, где прямо сейчас идет формирование новых светил. Межзвездная пыль вносит значительную составляющую в общее свечение неба, которая до определенного момента оставалась вне поля зрения астрономов, а теперь наблюдается обсерваторией Herschel.

Излучение среднего и дальнего инфракрасного диапазона полностью поглощается молекулами воды, присутствующими в земной атмосфере. Поэтому для работы с ним нужна именно космическая обсерватория. Herschel был выведен в точку Лагранжа L2, находящуюся на расстоянии 1,5 млн км от Земли в направлении, противоположном Солнцу, и для него это идеальное положение в пространстве. Размеры обсерватории — 8×4×4 м, ее взлетная масса — 4 тонны. Диаметр ее главного зеркала равен 3,5 м: это самое большое цельное зеркало, которое когда-либо запускали в космос. Для охлаждения трех научных приборов до температуры 0,3 K на борту космического аппарата находилось 2200 литров жидкого гелия. Рабочий диапазон принимаемого излучения составлял от 70 до 700 мкм.

Никаких светофильтров на борту не установлено: все излучение рабочего диапазона принималось одновременно, а при завершающей обработке оно кодируется цветом таким образом, что синий соответствует более теплой материи (коротковолновое изучение), а красный — более холодной (длинноволновое изучение).

Что показал нам Herschel

Галактика M51. Первым снимком, который передал Herschel после выхода на рабочую позицию, стала фотография галактики M51, на которой были обнаружены светящиеся области пыли, отмечающие места, где идет формирование новых звезд. Прибор SPIRE продемонстрировал, что весь инфракрасный фон наполнен далекими галактиками, чей свет вследствие красного смещения изменил свою длину волны настолько существенно, что попал в диапазон приема датчиков инфракрасной обсерватории (на тестовом снимке не видны).

Окрестности полюса мира. Из наиболее примечательных изображений, полученных телескопом Herschel, заслуживает упоминания снимок приполярной области небесной сферы, на котором видны мощные облака светящейся в инфракрасном диапазоне холодной галактической пыли, укрывающие, словно вуалью, Полярную звезду и ее окрестности. Если присмотреться к фрагменту этой области, можно заметить, что позади холодной пыли открывается внегалактическое пространство, усеянное очень далекими галактиками. Инфракрасный «цвет» этих галактик почти совпадает с «цветом» пыли, поэтому отличить эти пятнышки света от пылевых скоплений переднего плана часто бывает трудно.

«Жемчужины» Орла. В этом созвездии Herschel обнаружил неизвестную область звездообразования, удаленную от нас примерно на тысячу световых лет и содержащую около семисот «новорожденных» звезд. Их окружает сложная система газово-пылевых волокон. Весь комплекс является частью огромной тороидальной формации, известной под названием «Пояс Гулда» (Gould’s Belt).

Разнообразные структуры межзвездной пыли, нагретой до температуры около 200 K (до -50…-100°C), ранее были недоступны космическим телескопам, работавшим в диапазонах, намного более близких к видимому. Кроме того, здесь заметны тонкие волокна, в которых просматриваются крохотные «жемчужины» — плотные облака протозвездных туманностей. Они конденсируются из холодного газа, постепенно сжимаясь и нагревая его.

RCW120. На снимке объекта, имеющего индекс RCW120, можно увидеть, как массивная звезда своим ветром — потоками заряженных частиц (в основном протонов) — выталкивает всю окружающую пыль из своих окрестностей, образуя пузырь, граница которого представляет собой область повышенной плотности и температуры. Плотность вещества на изображении характеризуется яркостью, а температура — синим цветом, оттенки которого отражают интенсивность излучения среднего инфракрасного диапазона, попавшего на датчики телескопа. Этот снимок также подтверждает, что образование звезд новых поколений может «запускаться» светом более старых ярких светил, своим световым давлением и звездным ветром сжимающих облака пыли и газа в своих окрестностях. Этот объект интересен еще и тем, что звезда в центре массой в десяток солнечных (ее излучение Herschel «не видит») окружена пылью и газом, общая масса которых оценивается в две тысячи масс Солнца. Процесс звездообразования на самом деле не очень эффективен: из всего этого материала на формирование звезд пойдет едва ли больше 10%, поэтому ученым интересно понаблюдать за тем, как эта масса со временем начнет распределяться, распадаясь на отдельные протозвезды, и что с ней будет дальше — в течение следующих 10 млн лет.

Область звездообразования W3. Газово-пылевые сгустки, в которых идет формирование звезд малой массы, на этом изображении видны как желтые «вкрапления» в более холодном межзвездном веществе, показанном красным цветом. Горячие светила с массами более восьми солнечных испускают мощное излучение, сильно нагревающее окружающий газ и пыль, из-за чего на данном снимке они выглядят голубыми.

Объект W3 GMC — необычно большое скопление молодых звезд, расположенное на расстоянии 6200 световых лет в галактическом рукаве Персея. Здесь продолжается образование как массивных, так и сравнительно «легких» объектов. Вначале, как показывает анализ снимка, идет формирование звезд по краям газово-пылевого сгустка, а затем новорожденные светила «сбивают» вещество в его центр, вызывая, таким образом, активные процессы звездообразования и в этом регионе. Это значит, что звездный ветер может работать «в противоположном направлении», образуя не только пузыри в межзвездном газе, но и его уплотнения.

Столпы Творения. Туманность M16 «Орел» стала знаменитой после того, как были опубликованы ее детальные снимки, сделанные обсерваторией Hubble и запечатлевшие гигантские колонны вещества, в которых рождаются новые звезды. Конечно же, после этого ее активно изучали и другие космические телескопы. Эти структуры светятся в среднем инфракрасном диапазоне на фоне более холодных облаков пыли, а в дальних пределах туманности находятся плотные протозвезды, которые полностью скрыты пылью на снимках телескопа Hubble.

На изображении, переданном обсерваторией Herschel, красный цвет соответствует материи с температурой около 10 K (-263°C), излучающей на волне 250 мкм, голубой — 40 K (-233°C, 70 мкм). Заметна сложная волокнистая структура с огромными полостями, подобными той, которая окружает «Столпы творения», очертания которых с трудом угадываются на этом снимке. Из пыли и газа, в изобилии содержащихся в туманности, продолжают формироваться новые звезды.

Регион DR21 в созвездии Лебедя. Лебедь X (Cygnus X) — гигантское молекулярное облако, обширная область звездообразования, расположенная в созвездии Лебедя примерно в 5000 световых лет от Солнца. Одной из самых примечательных деталей этого облака является сложная сеть волокон и колонн вещества, обеспечивающих интенсивную звездообразовательную активность. Это регион DR21 — необычно плотная волокнистая структура, в которой рождаются очень массивные звезды. Он представляет собой своеобразный «узел», где сходятся волокна материала практически со всех направлений, чтобы сформировать протозвезды и «зажечь» их — запустить в них термоядерные реакции.

Туманность IC 5146 «Кокон» также содержит межзвездную материю в виде волокон. После определения их толщины стало ясно, что они сжимаются не гравитацией, а под действием сверхзвуковой ударной волны, идущей от остатков взрыва сверхновой (расположенных за левым краем снимка). Детальное изучение изображений, переданных обсерваторией, выявило в общей сложности 27 волокон вещества, имеющих очень близкую ширину — порядка 0,3 светового года. Здесь же зарегистрировано более 350 «беззвездных» газово-пылевых сгустков, встроенных в волокнистые структуры. 45 из них, скорее всего, являются гравитационно связанными протозвездными глобулами — «зародышами» будущих звезд. Все они расположены в самых плотных, неустойчивых волокнах, в основном вдоль основного «потока», видимого в центральной части изображения.

Светящаяся полость в левой части снимка (собственно туманность «Кокон») представляет собой область ионизированного водорода, освещенную молодой и яркой звездой класса B0 — ее свет водород «переизлучает» в видимой части спектра. Некоторые молодые звездные объекты заметны как яркие пятна вдоль основных волокон; другие тоже находятся в туманности, но не видны на этом изображении.

Комплекс областей звездообразования IC 5146 расположен на расстоянии около 1500 световых лет и также относится к объектам Пояса Гулда — гигантского кольца из звезд и газово-пылевых туманностей, окружающего Солнце.

Телескоп Herschel внес очень существенный вклад в науку. Примерно треть от общего числа его наблюдений касалась проблем звездообразования, чуть меньше трети было посвящено изучению галактик, и еще одна треть — космологии. Общее количество наблюдательного времени достигло 23 476 часов. На основе исследований, проведенных телескопом, уже написано 1277 статей.

17 июня 2013 г. на борт космического аппарата отправили команду на полное выключение систем управления и научных приборов. Тем не менее, обработка полученных им данных займет еще не один год, и среди них, несомненно, найдется место новым открытиям.