Кіріспе

НАСА спутниктерінің сериясы – НАСА-ның Ұлы обсерваториялар спутниктерінің сериясы 1990 және 2003 жылдар аралығында ұшырылған төрт ірі, қуатты ғарыш астрономиялық телескоптары. Олар электромагниттік спектрдің нақты толқын ұзындығы/энергия аймақтарын зерттеу үшін әртүрлі технологиялармен құрастырылды: гамма-сәулелер, рентген сәулелері, көрінетін және ультракүлгін сәулелер, сондай-ақ инфрақызыл сәулелер. Хаббл ғарыш телескопы (HST) көбінесе көрінетін жарық пен ультракүлгінге жақын сәулелерді бақылайды. Ол 1990 жылы STS-31 миссиясы барысында «Space Shuttle Discovery» ғарыш кемесімен ұшырылды. 1997 жылы STS-82 қызмет көрсету миссиясы инфрақызыл спектрде мүмкіндіктерді кеңейтті, ал 2009 жылы STS-125 миссиясы телескопты жөндеп, оның күтілетін қызмет мерзімін ұзартты. Комптон гамма-сәулелер обсерваториясы (CGRO) негізінен гамма-сәулелерін бақыласа да, қатты рентген сәулелерін де зерттеді. Ол 1991 жылы STS-37 миссиясы кезінде «Atlantis» ғарыш кемесімен ұшырылды және 2000 жылы гироскоптың бұзылуынан кейін орбитадан шығарылды. Чандра рентгендік обсерваториясы (CXO) негізінен жұмсақ рентген сәулелерін бақылайды. Ол 1999 жылы STS-93 миссиясы барысында «Columbia» ғарыш кемесімен эллипстік, жоғары Жер орбитасына ұшырылды және бастапқыда «Advanced X-ray Astronomical Facility» (AXAF) деп аталды. Спитцер ғарыш телескопы (SST) инфрақызыл спектрді бақылады. Ол 2003 жылы «Delta II» зымыратымен Жерді ұстап жүретін күн орбитасына ұшырылды. 2009 жылы сұйық гелий салқындатқышының азайуы оның функционалдығын шектеді, нәтижесінде оның құрамында екі қысқа толқынды бейнелеу модулі ғана қалды. Ол 2020 жылдың 30 қаңтарында қызметтен алынып, қауіпсіз режимге көшірілді. Хаббл ғарыш телескопы мен Чандра рентгендік обсерваториясы 2024 жылдың сәуір айына дейін жұмысын жалғастыруда.

Үлкен обсерватория бағдарламасының пайда болуы

Ұлы обсерватория бағдарламасы тұжырымдамасы алғаш рет 1979 жылғы «80-жылдарға арналған ғарыш астрономиясы және астрофизикасы стратегиясы» атты NRC есебінде ұсынылған. Бұл есеп Ұлы обсерваториялар үшін маңызды негіз болды және оған Питер Мейер (1977 жылғы маусымға дейін), содан кейін Харлан Дж. Смит (жарияланғанға дейін) төрағалық етті. 1980-жылдардың ортасында, Фрэнк Мартин мен Чарли Пелерін сияқты NASA бас кеңсесінің барлық астрофизика бөлімдерінің директорлары оны одан әрі дамытты. NASA-ның «Ұлы обсерваториялар» бағдарламасы төрт жеке спутникті пайдаланды, олардың әрқайсысы жердегі жүйелердің қамти алмайтын спектрдің әртүрлі бөлігін зерттеуге арналған. Бұл көзқарас, ұсынылған рентген және инфрақызыл обсерваторияларын Хаббл және CGRO-мен басталған астрономиялық бағдарламаның жалғасы ретінде қарастыруға мүмкіндік берді, олар бәсекелес немесе алмастырушы емес еді. NASA астрофизика бөлімі және NASA астрофизиканы басқару жұмыс тобы үшін NASA жариялаған екі түсіндірме құжат, обсерваториялар жиынтығының мақсатын және спектр бойынша қарастырылатын мәселелерді баяндады. Олар төрт телескопқа қолдау алу және оны сақтап қалу кампаниясында маңызды рөл атқарды.

Хаббл ғарыш телескобы

Хаббл ғарыш телескобының тарихы 1946 жылы астроном Лайман Спитцер «Күнделікті обсерваторияның астрономиялық артықшылықтары» деген мақала жазғаннан басталады. Спитцер өмірінің көп бөлігін ғарыш телескобын іске қосуға арнады. 1966–1972 жылдарғы орбиталық астрономиялық обсерватория миссиялары ғарыштан жүргізілетін бақылаулардың астрономияда қаншалықты маңызды рөл атқаратынын көрсетті. 1968 жылы НАСА 3 метрлік айнасы бар, алғашқыда Үлкен орбиталық телескоп немесе Үлкен ғарыш телескопы (LST) деп аталған, ғарышқа негізделген рефлекторлық телескопты жасау жоспарларын әзірледі, оның ұшырылуы 1979 жылға жоспарланған. Конгресс 1978 жылы 36 миллион АҚШ долларын қаржыландыруға келісім берді, ал LST жобалау жұмыстары 1983 жылғы ұшыруға бағытталған күшпен басталды. 1980 жылдардың басында телескоп Эдвин Хабблдің құрметіне аталды. Хабблді бастапқыда ғарыш кемесімен Жерге қайтарып әкелу жоспарланған, бірақ кейіннен бұл жоспардан бас тартылды. 2006 жылдың 31 қазанында НАСА әкімшісі Майкл Д. Гриффин соңғы жөндеу миссиясын жүзеге асыруға рұқсат берді. 11 мамыр 2009 жылы «Атлантис» ғарыш кемесімен іске қосылған 11 күндік STS 125 миссиясы жаңа батареяларды орнатты, барлық гироскоптарды ауыстырды, басқару компьютерін жаңалады, бірнеше құралдарды жөндеді және Кең өрістік камера 3-ті және Космикалық тектік спектрографты орнатты.

Комптон гамма сәулелер обсерваториясы

Гамма сәулелері атмосфераның үстінен бірнеше ерте ғарыш миссияларында зерттелді. 1977 жылы NASA жоғары энергиялы астрономия обсерваториясы бағдарламасы аясында гамма сәулелері астрономиясы үшін "үлкен обсерватория" салу жоспарларын жариялады. Гамма сәулелер обсерваториясы (GRO), кейін Комптон гамма сәулелер обсерваториясы (CGRO) деп аталды, 1980 жылдары детектор технологиясындағы маңызды жетістіктерді пайдалану үшін жобаланды. 14 жылдық еңбекten кейін CGRO 1991 жылдың 5 сәуірінде ұшырылды. 1999 жылдың желтоқсан айында Комптон гамма сәулелер обсерваториясындағы үш гироскоптың біреуі бұзылды. Обсерватория екі гироскоппен толыққандай жұмыс істесе де, NASA екінші гироскоптың істен шығуы орбиталық ыдырау салдарынан Жерге қайтар дамырында спутникті басқару мүмкін болмайтынын болжады. Сондықтан NASA 2000 жылдың 4 маусымында Комптонды орбитадан шығаруға шешім қабылдады. Жерге қайта кіргеннен кейін сақталған бөліктер Тынық мұхитында суға түсті.

Чандра рентгендік обсерваториясы

1976 жылы Риккардо Дьякони мен Харви Тананбаум «Чандра» рентгендік обсерваториясын (сол кезде AXAF деп аталған) NASA-ға ұсынды. Алдын ала жұмыстар келесі жылы Маршалл ғарыш орталығында (MSFC) және Смитсониялық астрофизикалық обсерваторияда (SAO) басталды. Осы арада, 1978 жылы NASA бірінші бейнелейтін рентгендік телескопты, «Эйнштейн» обсерваториясын (HEAO 2) орбитаға шығарды. «Чандра» жобасының жұмысы 1980 және 1990 жылдары жалғасты. 1992 жылы шығындарды төмендету мақсатында ғарыш кемесі қайта жобаланды. Жоспарланған он екі айнаның төртеуі, ал алты ғылыми құралдың екеуі алынып тасталды. «Чандраның» жоспарланған орбитасы эллипстік орбитаға өзгертілді, ол Айдың ең алыс нүктесіне дейінгі қашықтықтың үштен біріне жетеді. Бұл ғарыш кемесімен жақсарту немесе жөндеу мүмкіндігін жойды, бірақ обсерваторияны орбитасының көп бөлігінде Жердің радиациялық белдеулерінен жоғары орналастырды.

Спитцер ғарыш телескобы

1970 жылдардың басында астрономдар Жер атмосферасының кедергілі әсерінен инфрақызыл телескопты орналастыру мүмкіндігін қарастыра бастады. Алғашқы ұсыныстардың көпшілігі NASA ғарыш шаттлымен бірнеше рет ұшуды көздеді. Бұл тәсіл шаттл бағдарламасы апта сайын 30 күнге дейін ұшуға қабілетті деп есептелген кезеңде әзірленді. 1979 жылы Ұлттық Ғылым академиясының Ұлттық зерттеулер кеңесінің «1980 жылдардағы ғарыш астрономиясы және астрофизикасы стратегиясы» атты есебінде Шаттл инфрақызыл телескоп құрылғысы (SIRTF) «Spacelab үшін дамытылатын екі маңызды астрофизикалық құрылғының бірі» ретінде, шаттлмен тасымалданатын платформа ретінде белгіленді. Аспанды инфрақызыл сәулелермен алғаш рет зерттеуге арналған Explorer класындағы спутник – инфрақызыл астрономиялық спутниктің іске қосылуы жаңа инфрақызыл детектор технологиясын пайдаланатын құралды күтуге алып келді. 1983 жылдың қыркүйегінде NASA «ұзақ мерзімді [еркін ұшатын] SIRTF миссиясын жүзеге асыру мүмкіндігін» қарастырды. 1985 жылы STS 51 F рейсімен жасалған Spacelab 2 ұшуы шаттл ортасының борттағы инфрақызыл телескопқа қолайлы еместігін растады, ал еркін ұшу дизайны тиімдірек болды. Атаудың бірінші сөзі «Shuttle» дегеннен «Space Infrared Telescope Facility» деп өзгертілді. Спитцер – ғарыш шаттлымен іске қосылмаған Ұлы обсерваториялардың жалғыз бірі. Бастапқыда оны осылай іске қосу жоспарланған, бірақ «Челленджер» апатынан кейін оны гелиоцентрлік орбитаға шығару үшін қажет болған Centaur LH2/LOX жоғарғы сатысы шаттл пайдалануына тыйым салынды. Titan және Atlas ұшыру құралдары шығындарға байланысты тоқтатылды. Жаңа жобалаудан және жеңілдетуден кейін 2003 жылы Delta II ұшыру құралымен іске қосылды. Іске қосылмас бұрын ол Space Infrared Telescope Facility (SIRTF) деп аталды. Телескоп 2020 жылдың 30 қаңтарында жұмысын аяқтағаннан кейін өшірілді.

Жақсы жақтары

Жер атмосферасы рентген сәулелерін, гамма сәулелерін және алыс инфрақызыл сәулелерді жерге жетуіне кедергі келтіретіндіктен, ғарыш миссиялары Комптон, Чандра және Спитцер обсерваториялары үшін маңызды болды. Хаббл да атмосфераның үстінде болу арқасында тиімді жұмыс істейді, себебі атмосфера өте әлсіз объектілердің жердегі бақылауларын бұрмалап, кеңістіктік ажыратымдылықты төмендетеді (бірақ жарық объектілерді астрономиялық интерферометрлер немесе адаптивті оптика қолданылып, Хабблдан әлдеқайда жоғары ажыратымдылықпен жерден бейнелеуге болады). Жердегі ірі телескоптар жақында ғана Хабблдың жақын инфрақызыл толқын ұзындығындағы әлсіз нысандардың ажыратымдылығымен теңесті. Атмосферадан жоғары орналасу ауа жарқылының әсерін жояды, Хабблға өте әлсіз нысандарды бақылауға мүмкіндік береді. Жердегі телескоптар өте әлсіз нысандардың ауа жарқылын жоя алмайды, сондықтан оларды бақылау үшін өте ұзақ және тиімсіз экспозиция уақыты қажет. Хаббл сондай-ақ атмосфераға өтпейтін ультракүлгін толқындарда да бақылау жүргізе алады. Әр обсерватория электромагниттік спектрдің өзіндік аймағындағы технологияның шегін кеңейту үшін жасалған. Комптон бұрынғы HEAO миссияларында ұшқан гамма сәулелі құралдардан әлдеқайда үлкен болды, бұл бақылаудың жаңа салаларын ашты. Онда 20 кэВ-тан 30 ГэВ-қа дейінгі энергия диапазонын қамтитын төрт құрал болды, олар бір-бірінің сезімталдығын, ажыратымдылығын және көру бұрышын толықтырды. Гамма сәулелері қара тесіктер, пульсарлар және суперновалар сияқты жоғары энергиялы және жоғары температуралы көздерден шығарылады. Чандраның да жердегі тікелей алдын бастарлары болған жоқ. Ол NASA HEAO бағдарламасының үш спутнигінен кейін келді, оның ішінде өте табысты Эйнштейн обсерваториясы да бар, ол алғаш рет рентген сәулелерін фокустаудың тиімділігін көрсетті, бұл кеңістіктік ажыратымдылықты коллимцияланған құралдарға қарағанда (оптикалық телескоптарға ұқсас) едәуір арттырды және сезімталдықты күрт жоғарылатты. Чандраның үлкен мөлшері, жоғары орбитасы және сезімтал CCD-лері өте әлсіз рентген сәулелерінің көздерін бақылауға мүмкіндік берді. Спитцер де жердегі телескоптарға қол жеткізе алмайтын толқын ұзындықтарында бақылау жүргізеді. Оған дейін ғарышқа NASA-ның кішігірім IRAS миссиясы және Еуропалық ғарыш агенттігінің (ESA) ірі ISO телескобы жіберілген. Спитцердің құралдары IRAS-тен бері инфрақызыл детектор технологиясындағы үлкен жетістіктерді пайдаланды, сонымен қатар оның үлкен апертурасы, қолайлы көру бұрыштары және ұзақ қызмет ету мерзімі де осыған ықпал етті. Осының нәтижесінде ғылыми нәтижелер өте жоғары болды. Инфрақызыл бақылаулар алыс астрономиялық нысандарды зерттеу үшін қажет, себебі олардан шығатын барлық көрінетін жарық қызылға қарай ығысып, инфрақызыл толқын ұзындығына айналады, салқын нысандарды зерттеу үшін, олар аз көрінетін жарық шығарады, және шаңмен жабылып, көрінбейтін аймақтарды зерттеу үшін қажет.

Бірлескен әсері

Миссияның ішкі мүмкіндіктерінен басқа (әсіресе жердегі обсерваториялар қайталай алмайтын сезімталдық), Үлкен обсерваториялар бағдарламасы миссияларға ғылыми нәтижелерді арттыру үшін бірлесіп жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Әртүрлі нысандар әртүрлі толқын ұзындығында сәйкес келеді, бірақ бір нысанға екі немесе одан көп обсерваторияны бағыттау тереңірек түсінікке жол ашады. Жоғары энергиялы зерттеулер (рентген және гамма сәулелері) әзірге орташа бейнелеу шешіміне ие. Хаббл, Чандра және Комптон арқылы рентген және гамма сәулелері нысандарын зерттеу дәл өлшемдер мен орналасу деректерін ұсынады. Атап айтқанда, Хабблдің шешімі нысанның жеке тұрған нысан екенін немесе ана галактиканың бөлігі екенін, ал жарқын нысан спиральді галактиканың ядросында, спираль қолдарында немесе галосында орналасқандығын анықтауға көмектеседі. Сол сияқты, Шпиццердің кішкентай апертурасы Хабблдің Шпиццер суретіне кеңістіктік ақпаратты қоса алатынын білдіреді. 2016 жылдың наурыз айында хабарланғандай, Спитцер мен Хаббл ең алыстағы белгілі галактиканы, GN z11-ді табу үшін қолданылды. Бұл нысан 13,4 миллиард жыл бұрын қалай болған екенін көрсетеді. (Ең алыс астрономиялық нысандар тізімі) Хабблмен жүргізілген ультракүлгін зерттеулер жоғары энергиялы нысандардың уақытша күйлерін де ашады. Рентген және гамма сәулелерін қазіргі технологиямен көру және ультракүлгін сәулелерге қарағанда анықтау қиынырақ. Сондықтан, Чандра мен Комптонға жеткілікті фотондарды жинау үшін ұзақ интеграция уақыты қажет болды. Дегенмен, рентген және гамма сәулелерімен сәйкес келетін нысандар кішкентай болуы мүмкін және минуттар немесе секундтар ішінде өзгеруі мүмкін. Мұндай нысандар Хаббл немесе Росси рентгендік уақытты зерттеушісінен қосымша зерттеуді қажет етеді, олар әртүрлі конструкцияларға байланысты бұрыштық секундтарда немесе секундтың үлесінде егжей-тегжейлі өлшемдерді жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Россидің соңғы толық жұмыс жылы 2011 жыл болды. Спитцердің шаң мен тығыз газдар арқылы көру қабілеті галактикалық ядроларды зерттеу үшін пайдалы. Галактикалардың ортасындағы массивті нысандар рентген, гамма және радио толқындарымен жарқырайды, бірақ бұл бұлтты аймақтардағы инфрақызыл зерттеулер нысандардың саны мен орналасуын анықтауға мүмкіндік береді. Ал Хабблдың барлық қызықты нысандарды зерттеуге жеткілікті көру өрісі де, уақыты да жоқ. Қызықты нысандар көбінесе арзан жердегі телескоптармен немесе кейде аспанның үлкен аумақтарын қамтуға арналған кішкентай ғарыш обсерваторияларымен табылады. Сонымен қатар, басқа үш Үлкен обсерваториялар Хабблдің назарын аударуға лайық жаңа нысандарды тапты. Обсерваториялық синергияның бір мысалы – Күн жүйесі мен астероидтарды зерттеу. Кішкентай айлар мен астероидтар сияқты кішкентай денелер Хабблмен тікелей шешілмейді, олардың бейнесі өлшем емес, жарықтығымен анықталатын дифракциялық үлгі ретінде көрінеді. Дегенмен, дененің альбедосын білу арқылы Хаббл дененің ең кішкентай өлшемін анықтай алады. Шпиццер дененің ең үлкен өлшемін оның орбитасынан белгілі дене температурасын білу арқылы анықтай алады. Осылайша, дененің нақты өлшемі шектелген. Спитцердің қосымша спектроскопиясы нысанның бетінің химиялық құрамын анықтай алады, бұл оның мүмкін альбедосын шектейді және кішкентай өлшемді бағалауды жақсартады. Космикалық қашықтық сатысының қарама-қарсы шетінде Хаббл, Спитцер және Чандрамен жасалған бақылаулар Үлкен обсерваториялардың шығу тегі терең зерттеуінде біріктіріліп, ғаламның ерте кезеңдерінде галактикалардың қалыптасуы мен эволюциясының көп толқынды суретін ұсынады.

Әсері

Төрт телескоптың барлығы астрономияға маңызды әсер етті. Комптон, Чандра және Спитцердің жоғары ажыратымдылықтағы, жоғары сезімталдықпен жаңа толқын диапазондарын ашуы астрономиялық объектілер туралы білімімізді революциялық түрде өзгертті және мыңдаған жаңа, қызықты объектілерді табуға мүмкіндік берді. Хаббл телескопы басқа телескоптарға қарағанда халық арасында және бұқаралық ақпарат құралдарында зор әсер етті, бірақ оптикалық толқын ұзындығында Хаббл қазіргі құралдармен салыстырғанда сезімталдық және ажыратымдылық бойынша шамалы жақсарту жасады. Хабблдың кез келген уақытта кез келген астрономиялық объектінің біркелкі жоғары сапалы суретін түсіру мүмкіндігі көптеген астрономиялық объектілерді дәл зерттеуге және салыстыруға ықпал етті. Хабблдың тереңдікке бағытталған зерттеулері алыс галактикаларды зерттеу үшін өте маңызды болды, себебі олар бұл объектілердің тынығу күйіндегі ультракөк сәулелік суреттерін ұсынады, бұл суреттердегі пикселдердің саны жақын галактикалардың бұрынғы ультракөк сәулелік суреттеріндегі пикселдер санымен шамалас келеді, тікелей салыстыруға мүмкіндік береді.

Үлкен обсерваториялардың мұрагері

Джеймс Уэбб ғарыш телескопы (JWST) 2021 жылдың желтоқсан айында ұшырылды және Хабблмен бірдей уақытта жұмыс істейді. Оның сегменттелген, жайылмалы айнасы Хаббл айнасынан екі еседен астам кең, бұл бұрыштық ажыратымдылықты едәуір арттырады және сезімталдықты күрт жоғарылатады. Хабблдан өзгеше, JWST космологиялық қашықтықтағы шаңды тесіп өту үшін инфрақызыл сәуледе байқау жүргізеді. Бұл оның Спитцердің кейбір мүмкіндіктерін жалғастыратынын, ал Хабблдің кейбір мүмкіндіктері көрінетін және әсіресе ультракөк сәуле ұзындықтарында жоғалып кеткенін білдіреді. JWST жақын инфрақызыл диапазонда Спитцердің көрсеткіштерін асып түседі. 2009 жылдан 2013 жылға дейін жұмыс істеген Еуропалық ғарыш агенттігінің Гершель ғарыш обсерваториясы алыс инфрақызыл диапазонда Спитцерден басым түсті. SOFIA (Инфрақызыл астрономияның стратосфералық обсерваториясы) әуе платформасы жақын және орта инфрақызыл диапазондарында байқау жүргізеді. SOFIA-ның апертурасы Спитцерге қарағанда үлкен, бірақ салыстырмалы сезімталдығы төмен. Ферми гамма сәулелі ғарыш телескопы (FGRST), бұрын Гамма сәулелі кең аудандағы ғарыш телескопы деп аталған, 2008 жылдың 11 маусымында ұшырылған Комптонның жалғасы болып табылады. FGRST анықтамасы бойынша тар және әлдеқайда кішкентай; ол тек бір негізгі құрал – Үлкен аудандағы телескоп (LAT) және екінші эксперимент – Гамма сәулелі жарылыс мониторы (GBM) құрамында. FGRST 2004 жылы ұшырылған Swift және одан бұрын 2000 жылы ұшырылған HETE 2 телескоптарымен толықтырылды. 2002 жылы ұшырылған Реувен Рамати жоғары энергиялы күн спектроскопиялық бейнелеу құралы (RHESSI) Комптон және Чандра сәуле ұзындықтарының кейбірін байқаса да, әрдайым Күнге бағытталған. Кейде ол Күннің айналасында орналасқан жоғары энергиялы нысандарды байқайды. INTEGRAL, Еуропаның халықаралық гамма сәулелі астрофизикалық зертханасы, 2002 жылы ұшырылды және Комптон сияқты жиіліктерде байқау жүргізеді. INTEGRAL түбегейлі түрленген телескоп технологиясын қолданады – кодталған апертуралық маскалар. Осылайша, оның мүмкіндіктері Комптон және Фермиге толықтырылады.

Кейінгі бағдарламалар

"Эйнштейннен тыс" бағдарламасы ғылымның жаңа салаларын дамытуға көмектеседі. X шоқжұлдызы және Лазерлік интерферометрлік ғарыш антеннасы (LISA) НАСА-ның қазіргі ұрпақтан ерекшелендіру үшін Айнштейннің Ұлы обсерваториялары деп аталды. Дегенмен, олар Ұлы обсерваториялар бағдарламасына жатпайды. Халықаралық Күн-Жер физикасы ғылыми бастамасы (ISTP) Ұлы обсерваториялар бағдарламасының дәстүрінде Күнді және Жер маңындағы электромагниттік құбылыстарды зерттеуге арналған құралдар жиынтығы болып табылады.