Десять років тому телескоп NASA, встановлений на облавку літака, — Стратосферна обсерваторія для інфрачервоної астрономії (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, SOFIA) — уперше подивився в космос. Спостереження невидимого для людського ока інфрачервоного світла, які SOFIA почала вночі 26 травня 2010 року, дали змогу зробити багато наукових відкриттів, що стосуються прихованого Всесвіту.

Під час першого польоту SOFIA, відомого як «перше світло», телескоп спостерігав, як тепло з надр Юпітера проникає крізь розриви в хмарах, і заглянув крізь щільні пилові хмари в галактиці Мессьє 82, щоб побачити, як формуються десятки тисяч зір. Повністью готовою до роботи обсерваторія стала в 2014 році (це відповідає запуску космічного телескопа), однак вона почала робити відкриття ще під час випробувань її приладів і телескопа.

Модифікований Boeing 747SP з телескопом, головне дзеркало якого має діаметр 2,5 м, піднімається на висоту до 13,5 км над поверхнею Землі. Це дає змогу уникнути завад понад 99% водяної пари в атмосфері й мати чіткий погляд на інфрачервоний Всесвіт, який не можна спостерігати наземними телескопами. Мобільність обсерваторії також уможливлює спостереження швидкоплинних астрономічних явищ над віддаленими місцями, такими як відкритий океан. Оскільки SOFIA приземляється після кожного польоту, її можна вдосконалювати, наприклад оснащати новітніми приймачами, щоб виконувати пошук відповідей на деякі найактуальніші питання науки.

Завдяки SOFIA, науковці серед інших відкриттів виявили в космосі молекули, що першими виникли у Всесвіті, з’ясували нові подробиці народження та смерті зір і планет, а також пояснили, що впливає на надмасивні чорні діри та як формуються і розвиваються галактики. Далі коротко про першу десятку відкриттів SOFIA за останнє десятиліття.

Знайдено, нарешті, молекули, що першими утворилися у Всесвіті

SOFIA знайшла молекули, що першими утворилися у Всесвіті, — гідрид гелію. Ці молекули утворилися лише через 100 000 років після Великого Вибуху й стали першим кроком в космічній еволюції, що врешті-решт привела до появи складного Всесвіту, який ми знаємо нині. Молекула цього типу має існувати в сучасному Всесвіті, але її ніколи не знаходили за межами лабораторій, допоки SOFIA не знайшла її в планетарній туманності NGC 7027. Виявлення цієї молекули в теперішньому Всесвіті підтверджує фундаментальну складову нашого загального розуміння раннього Всесвіту.

Знімок планетарної туманності NGC 7027 із зображенням молекул гідриду гелію. У цій планетарній туманності SOFIA виявила гідрид гелію, поєднання гелію (червоний) та водню (синій), який був першим типом молекули, що коли-небудь утворювалися у ранньому Всесвіті. Це перше виявлення гідриду гелію в сучасному Всесвіті. Фото з сайту https://astrobiology.nasa.gov.

Новонароджена зоря в туманності Оріона запобігає народженню зоряних сестер

Зоряний вітер від новонародженої зорі в туманності Оріона заважає утворенню поблизу нових таких об’єктів, бо він очищає пузир навколо неї. Астрономи називають ці ефекти «зворотним зв’язком», і вони є головними для розуміння зір, які ми бачимо нині, й тих, які можуть сформуватися в майбутньому. До цього відкриття науковці вважали, що інші процеси, такі як вибухи наднових, значною мірою відповідають за регулювання процесу утворення зір.

Потужний вітер від сформованої зорі в центрі туманності Оріона створює пузир (чорний) і заважає формуватися новим зорям у її околицях. Водночас вітер виштовхує молекулярний газ (ріжний колір) по певної межі, спричиняючи утворення навколо пузиря щільної оболонки з речовини, де можуть формуватися майбутні покоління зір. Фото з сайту https://astrobiology.nasa.gov.

Зважування вітру від галактики дає підказки щодо еволюції цих зоряних систем

SOFIA встановила, що вітер з центра Галактики Сигара (M82), дме уздовж силових ліній магнітного поля і переносить величезну кількість речовини. Магнітні поля зазвичай паралельні площині галактики, але в цьому разі дія вітру спричинила те, що воно стало перпендикулярним. Потужний вітер, зумовлений високим темпом народження зір у галактиці, може стати одним із механізмів виносу речовини з галактики. Схожі процеси в ранньому Всесвіті вплинули б на фундаментальну еволюцію перших галактик.

Зображення Галактики Сигара (її також позначають М82), яке утворено з ріжних знімків. Галактика лежить від Землі на відстані 12 мільйонів світлових років у напрямку сузір’я Великої Ведмедиці й відрізняється тим, що в ній відбувається сильний процес утворення зір. Виявлене обсерваторією SOFIA магнітне поле (показане спрямованими лініями), схоже, слідує за біполярними відтоками речовини (червоні), породженими інтенсивним зореутворенням. На зображенні об’єднано видиме зоряне світло (сірий колір) та випромінювання водню (червоний) за даними спостережень обсерваторії Піт Кітт, інфрачервоне випромінювання ближнього і середнього діапазонів від зір та пилу (жовтий колір), зареєстроване за допомогою обсерваторії SOFIA та космічного телескопа «Спітцер». Фото з сайту https://astrobiology.nasa.gov.

Планетна система, що міститься поруч, схожа на нашу

Планетна система зорі Епсилон Ерідана (eps Eri) — це найближча до Землі планетна система зорі, що схожа на молоде Сонце. SOFIA вивчила інфрачервоне світло від нагрітого пилу, підтвердивши, що система за її будовою дуже схожа на Сонячну систему. Її матеріал розташований принаймні в одному вузькому поясі поблизу планети розміром як Юпітер.

Уявлення художника про систему Епсилон Ерідані, що показує екзопланету Епсилон Ерідана b. На передньому плані праворуч внизу зображена планета, маса якої співмірна з масою Юпітера. Вона обертається навколо своєї материнської зорі на зовнішньому краю пояса астероїдів. На задньому плані видно ще один вузький астероїдний чи кометний пояс, а також зовнішній пояс, схожий за розмірами на пояс Койпера в Сонячній системі. Подібність будови системи Епсилон Ерідана з Сонячною системою надзвичайна, хоча Епсилон Ерідана набагато молодша, ніж Сонце. Спостереження SOFIA підтвердили існування пояса астероїдів, прилеглого до орбіти екзопланети Джовіан (Jovian). Фото з сайту https://astrobiology.nasa.gov.

Магнітні поля можуть живити активні чорні діри

Магнітні поля в галактиці Лебідь А (Cygnus A) «постачають» речовину в центральну чорну діру галактики. SOFIA виявила, що невидимі сили, показані як спрямовані лінії на цій ілюстрації, утримують речовину впритул до центра галактики, де вона лежить досить близько до чорної діри, що дає змогу цьому об’єкту нею «харчуватися». Однак магнітні поля в інших галактиках, можливо, заважають чорним дірам споживати речовину.

Уявлення художника про центр галактики Лебідь А. Показано пил у формі пончика, який називають тором, і струмені (джети), що виходять з центра. Магнітні поля спричинили концентрацію пилу в торі, що вказує на їх причетність до можливого механізму «харчування» чорної діри в центрі галактики. Пил у торі лежить близько до чорної діри, а тому вона може його поглинати. Фото з сайту https://astrobiology.nasa.gov.

Магнітні поля, можливо, забезпечують спокійну поведінку чорної діри в центрі Молочного Шляху

SOFIA виявила магнітні поля, показані на зображенні як потоки, що можуть направляти газ на орбіту навколо чорної діри, а не прямо на неї. Це може пояснити, чому чорна діра нашої галактики відносно спокійна, коли в інших галактиках такі об’єкти активно споживають речовину.

Потоки, що вказують на магнітні поля, нанесені на кольорове зображення кільця пилу навколо масивної чорної діри Молочного Шляху. Y-подібна структура — це тепла речовина, що падає у напрямку чорної діри. Вона розташована поблизу місця, де перетинаються два плеча в формі Y. Потоки показують, що магнітне поле чітко відстежує форму структури з пилу. Кожна із частин (синій колір) Y-подібної структури має своє поле, яке суттєво відрізняється від поля в решті кільця, показаного рожевим кольором. Фото з сайту https://astrobiology.nasa.gov.

Молекули «кухонного диму» в туманності дають підказки, як утворюються «будівельні блоки» життя

SOFIA встановила, що складні органічні молекули в туманності NGC 7023 перетворюються у більш складніші молекули при попаданні на них випромінювання сусідніх зір. Дослідники з подивом виявили, що випромінювання допомагало цим молекулам рости, а не знищувало їх. Формування цих молекул — один із етапів, який може за сприятливих обставин спричинити виникнення життя.

Поєднання трьох кольорових зображень NGC 7023 від обсерваторії SOFIA (червоний та зелений) та космічного телескопа «Спітцер» (синій) показують різні популяції молекул. Фото з сайту https://astrobiology.nasa.gov.

Пил виживає після спалаху наднової

SOFIA виявила, що вибух наднової спричиняє появу великої кількості речовини, з якої можуть утворюватися планети, зокрема як Земля. Результати інфрачервоних спостережень хмари, породженої надновою 10 000 років тому, вказують на те, що вона містять таку кількість пилу, якої б вистачило на утворення 7000 планет, схожих на Землю. Науковцям вже відомо: речовина, появу якої спричинила перша зовнішня ударна хвиля, може пережити наступну хвилю-«рикошет», що виникає, коли перша хвиля стикається з навколишнім міжзоряним газом та пилом.

Ілюстрація наднової як потужної вибухової хвилі проходить через її зовнішнє кільце до наступного удару всередину. SOFIA виявив, що речовина, яку винесла перша зовнішня хвиля, може пережити другу хвилю. З такої речовини згодом можуть сформуватися планети. Фото з сайту https://astrobiology.nasa.gov.

Новий погляд на центр Чумацького Шляху виявляє народження масивних зір

SOFIA зробила надзвичайно чітке інфрачервоне зображення центра нашої галактики Молочний Шлях. Простягаючись на понад 600 світлових років, ця панорама розкриває з високою роздільною здатністю окремі утворення у щільних завихреннях газу та пилу, прокладаючи шлях для майбутніх досліджень того, як утворюються масивні зорі та що живить надмасивну чорну діру в ядрі нашої галактики.

Інфрачервоне зображення центра нашої галактики Молочний Шляху, складене з окремих знімків. Воно охоплює понад 600 світлових років і допомагає науковцям дізнатися, скільки масивних зір утворюється в центрі нашої галактики. Нові дані SOFIA, отримані в довжинах хвиль 25 і 37 мкм й показані синім і зеленим кольором, поєднано з даними від космічної обсерваторії «Гершель» (їх показано червоним) на хвилі 70 мкм і від космічного телескопа «Спітцер» (8 мкм), показаних білим кольором. Дані від SOFIA виявили особливості, які раніше ніколи не бачили. Фото з сайту https://astrobiology.nasa.gov.

Що відбувається, коли екзопланети стикаються

Система з двох зір, відома як BD +20 307, лежить на відстані понад 300 світлових років від Землі. Ймовірно в ній відбулося надзвичайне зіткнення землеподібних екзопланет. Спостереження цієї системи, виконані десять років тому, дали перші натяки на зіткнення. Тоді навколо старих зір, яким не менше мільярда років, виявили окремі згустки речовини, гарячіші, ніж мали би бути. Спостереження, виконані за допомогою SOFIA, дали змогу з’ясувати, що яскравість речовини в інфрачервоному світлі вища у понад 10%. Це свідчить про те, що нині в системі ще багато гарячого пилу і що зіткнення відбулося порівняно недавно. Схожа подія в Сонячній системі, можливо, привела до формування Місяця.

Уявлення художника про катастрофічне зіткнення двох землеподібних екзопланет у системі BD +20 307,  що перетворило обидва об’єкти в уламки чи (на жаргоні астрономів) сміття. Десять років тому науковці висловили припущення, що гарячий пил у цій системі виник внаслідок зіткнення двох планети. SOFIA виявила ще більше теплого пилу, що підтверджує здогад про зіткнення землеподібних екзопланет. Такі спостереження допомагають створити повніше уявлення про історію Сонячної системи. Схоже зіткнення, можливо, спричинило колись утворення Місяця. Фото з сайту https://astrobiology.nasa.gov.

SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy) — Стратосферна обсерваторія для інфрачервоної астрономії — це реактивний літак Boeing 747SP, модифікований з метою розміщення на його борту телескопа з діаметром дзеркала 2,4 метри. Це спільний проект NASA та Німецького аерокосмічного центру (German Aerospace Center). Науково-дослідний центр Еймса (Ames Research Center) в Силіконовій долині керує науковою програмою обсерваторії SOFIA у співпраці з Асоціацією університетів з космічних досліджень (Universities Space Research Association) зі штаб-квартирою в Коламбії (штат Меріленд) та Німецьким інститутом SOFIA (DSI) при університеті Штутгарта. NASA обслуговує літак в Центрі досліджень польотів 703 імені Армстронґа (Armstrong Flight Research Center Building 703) в Каліфорнії.

За інф. з сайту https://astrobiology.nasa.gov