Хоча більшість читачів «Країни Знань» (стаття вміщена в № 3/4 часопису за 2016 рік — Ред.) ще навчається в школі, але для тих із них, хто обере астрономію своєю професією, нинішнє покоління науковців та інженерів вже будують космічні телескопи. Що цікаво, ця робота не лише відкриває нові горизонти для майбутніх дослідників Всесвіту, але й рухає уперед найновіші технології. Адже сучасний великий телескоп — дуже складна, значною мірою, унікальна «машина».
Перші в історії астрономії телескопи (експозиція Музею Ґалілео Ґалілея у м. Флоренція). Фото з сайту http://blogs.futura-sciences.com.
Перший телескоп збудував понад 400 років тому відомий вчений Ґалілео Ґалілей. То була, як на наш час, примітивна підзорна труба, що давала 30-кратне збільшення. Але насправді тоді трапилася видатна подія — завдяки появі нового наукового інструмента астрономія отримала неймовірні можливості для розвитку. Розпочалася телескопічна ера, що триває досі й буде, мабуть, тривати доти, доки існуватиме людство.
Від 1609 р., коли Ґалілей зробив перший телескоп, і дотепер було збудовано багато цих інструментів. Хочу звернути увагу на те, що виготовлення нових телескопів зводилось не лише до простого копіювання «труби Ґалілея», але, головно, до вдосконалення оптичної схеми, збільшення розмірів об’єктиву тощо. Тобто кожен новий більший розмірами телескоп дозволяв астрономам краще бачити небесні світила й відкривати невідомі об’єкти нашого Всесвіту. Зрозуміло, такі «знакові» телескопи залишили назавжди слід в історії науки. Взагалі тема телескопобудування дуже цікава — є багато неймовірних історій, пов’язаних з виготовленням різних телескопів.
Наприклад, центральним експонатом Паризької Всесвітньої виставки в 1900 р. був телескоп-рефрактор з об’єктивом діаметром 1,25 м і фокусною відстанню 57 метрів, зібраний у чавунній трубі завдовжки 60 м. Через великі розміри телескоп встановили у фіксованому горизонтальному положенні, а світло від небесних об’єктів до нього направляло рухоме плоске дзеркало поперечником майже 2 метри. Телескоп не був призначений для наукових цілей, але з його допомогою французькі астрономи отримали кілька фотографій поверхні Місяця. Зрештою його трубу розбили на металобрухт, а деякі оптичні деталі (дзеркало й лінзи) передали на зберігання в Паризьку обсерваторію.
Телескоп-рефрактор — центральний експонат Всесвітньої виставки 1900 р. в Парижі. Фото з сайту http://blog.quartoknows.com.
В телескопі Ґалілея об’єктивом є лінза. Знаменитий науковець Ісаак Ньютон 1672 р. виготовив телескоп, де об’єктивом було вігнуте (сферичне) дзеркало. Тривалий час ці два типи об’єктивів «конкурували» розмірами, але врешті-решт лінза, що досі слугує головним елементом для об’єктива телескопа-рефрактора, поступилася розміром дзеркалу (об’єктив телескопа-рефлектора). Найбільший лінзовий об’єктив має розмір 1,02 м (телескоп Єркської обсерваторії), а найбільші дзеркальні об’єктиви наземних телескопів нині подолали межу 10 м і невдовзі сягатимуть майже 40 м.
Хоча на поверхні Землі можна будувати телескопи з великими дзеркалами, астрономи також воліють мати інструменти в космічному просторі, адже атмосфера нашої планети є суттєвою завадою для виконання астрономічних спостережень. Деякі з них взагалі неможливо виконати на Землі, бо до її поверхні крізь атмосферу проникає не все електромагнітне випромінювання небесних тіл.
Тому телескопи космічного базування — нагальна потреба. Астрономам допомогла її задовольнити космонавтика, адже тільки ракети-носії можуть виводити у космічний простір різноманітні вантажі, зокрема й наукові прилади.
Всі, кого цікавить астрономія, чули і знають про Космічний телескоп імені Габбла (Hubble Space Telescope, HST). Результати його роботи бачили й ті, хто про цей телескоп нічого ніколи не чув. Бо дуже красиві світлини, отримані ним, використовують не лише в Інтернеті, чи на телебаченні, але й інколи в рекламі. Трапилося так, що знімки небесних тіл і ділянок зоряного неба, зроблені HST, стали культурним надбанням землян. І це дуже красномовний приклад того, як суто наукові здобутки виходять за межі науки й набувають ціннісного значення для широкого загалу.
Космічний телескоп імені Габбла працює вже понад 25 років — 24 квітня 1990 р. його вивів на орбіту космічний корабель багаторазового використання «Дискавері». Після того, як 1993 р. спеціальна ремонтна команда астронавтів усунула проблему з головним дзеркалом телескопа, він показав астрономам у видимому, а також інфрачервоному й ультрафіолетовому, світлі досі небачений Всесвіт, дозволив розкрити багато його таємниць, а отже суттєво просунутися на шляху його пізнання.
На світлині ліворуч Космічний телескоп імені Габбла над поверхнею Землі, а праворуч одна з його знаменитих світлин — «стовпи творіння» — ділянка зореутворення в туманності Орла. Фото з сайту NASA.
Тривалу «живучість» HST пояснити просто — телескоп зробили таким, що його можна обслуговувати на орбіті — замінювати окремі вузли і змінювати наукові прилади. Загалом було чотири космічні експедиції для обслуговування «Габбла». Під час останнього польоту для ремонту телескопа в 2009 р. було замінено зношені деталі й за оцінками науковців телескоп зможе працювати ще протягом десяти років. Цей термін спливає 2019 р. і до його закінчення лишилося не так багато часу. Чи готують астрономи щось на зміну HST? Так.
2018 р. телескоп імені Габбла поступиться місцем лідера Космічному телескопу імені Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST). Дзеркало нового телескопа матиме поперечник 6,5 метрів. Його будуть складати 18 окремих берилієвих дзеркал діаметром 1,3 м. і масою майже 40 кг. (На час написання цієї статті дзеркало JWST вже виготовлене й зібране на Землі) Поверхня дзеркал — та її частина, яка збиратиме випромінювання — вкрита тонким шаром золота. Кожне дзеркало обладнане приводами (мініатюрними двигунами), що дозволять з окремих дзеркал-сегментів утворювати як кілька окремих, так і одне велике дзеркало.
Оскільки космічної ракети, що могла б умістити вантаж поперечником 6,5 м, немає, то дзеркало JWST відправлять у космос в складеному стані. Воно розкриється тільки тоді, коли телескоп вийде на призначену йому орбіту — в районі поблизу точки Лаґранжа L2 системи Земля — Сонце (ця точка міститься на відстані 1,5 млн кілометрів від Землі).
Зрозуміло, що виготовити відносно легкі дзеркала, їхнє оснащення, а також систему синхронізації — справа дуже складна. З цим могли упоратися тільки високотехнологічні фірми з висококваліфікованим персоналом (дзеркала для JWST виготовила американська компанія Ball Aerospace & Technologies Corporation).
Космічний телескоп імені Джеймса Вебба буде спостерігати зоряне небо в інфрачервоному діапазоні електромагнітного спектра. Це дозволить астрономам вивчати природу темної матерії, досліджувати зорі й галактики, що виникли на ранньому етапі розвитку нашого Всесвіту, а також вести пошук нових екзопланет. Безперечно, завдяки JWST астрономія здійснить новий якісний прорив у дослідженні Космосу.
На світлині — Космічний телескоп імені Джеймса Вебба на орбіті в уявленні художника. Фото з сайту NASA.
Хоча Космічний телескоп імені Джеймса Вебба тільки на шляху до старту, астрономи вже розмірковують над ідеєю його наступника. Її оприлюднила Асоціація університетів для досліджень в астрономії (Association of Universities for Research in Astronomy, AURA). Ідеться про Космічний телескоп високої роздільної здатності (High-Definition Space Telescope, HDST) з дзеркалом 12 метрів, що матиме таку ж конструкцію, як і дзеркало JWST.
На світлині в лівому верхньому куті показано телескоп HDST в уявленні художника. У правому верхньому куті — порівняння розмірів дзеркал трьох космічних телескопів. На нижньому знімку показано можливості HST і HDST щодо якості зображення: HDST буде у 100 разів чутливішим до світла, ніж HST, а його знімки — у 5 разів чіткішими. Фото з сайту AURA, колаж — ВЦ «Наше небо».
Згідно із задумом, HDST має розміститися в точці Лагранжа L2, але, на відміну від «Джеймса Вебба», буде спостерігати зоряне небо в оптичному й ультрафіолетовому діапазонах електромагнітного спектра.
Великих розмірів дзеркало дозволить HDST виконувати завдання, що непосильні нинішнім телескопам, наприклад, пошук ознак життя в атмосферах екзопланет. Цей телескоп має допомогти землянам у пошуках відповіді на одвічне запитання: «Чи не самотні ми у Всесвіті?». Звісно, він буде працювати над розгадкою й інших космічних таємниць, просуваючи уперед астрономічну науку.
Якщо ідея створення HDST втілиться в життя, то новий флагманський космічний телескоп може стати до роботи в середині 2030-х років.
© Іван Крячко, 2016
