Введение

Серия спутников NASA Great Observatories представляет собой четыре больших, мощных космических телескопа, запущенных в период с 1990 по 2003 год. Они были созданы с использованием различных технологий для изучения определенных диапазонов длин волн/энергии электромагнитного спектра: гамма-лучей, рентгеновских лучей, видимого и ультрафиолетового света, а также инфракрасного излучения. Космический телескоп Хаббл (HST) в основном наблюдает видимый свет и ближний ультрафиолет. Он был запущен в 1990 году на борту космического шаттла "Дискавери" во время миссии STS-31. В 1997 году в ходе сервисной миссии STS-82 была добавлена возможность наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне, а в 2009 году миссия STS-125 позволила отремонтировать телескоп и продлить его расчетный срок службы. Обсерватория гамма-лучей Комптона (CGRO) в основном наблюдала гамма-лучи, хотя её диапазон также включал жесткие рентгеновские лучи. Она была запущена в 1991 году на борту "Атлантиса" во время миссии STS-37 и была сведена с орбиты в 2000 году после отказа гироскопа. Обсерватория рентгеновских лучей Чандра (CXO) в основном наблюдает мягкие рентгеновские лучи. Она была запущена в 1999 году на борту "Колумбии" во время миссии STS-93 на эллиптическую высокоэллиптическую околоземную орбиту и первоначально называлась Advanced X-ray Astronomical Facility (AXAF). Космический телескоп Спитцер (SST) наблюдал инфракрасный спектр. Он был запущен в 2003 году ракетой Delta II на гелиоцентрическую орбиту, следующую за Землей. Истощение запасов жидкого гелия в 2009 году снизило его функциональность, оставив в рабочем состоянии только два модуля для получения изображений на коротких волнах. Он был выведен из эксплуатации и переведен в безопасный режим 30 января 2020 года. Космический телескоп Хаббл и рентгеновская обсерватория Чандра продолжают функционировать по состоянию на апрель 2024 года.

Истоки программы Большой обсерватории

Концепция программы Большой обсерватории была впервые предложена в отчете NRC 1979 года "Стратегия космической астрономии и астрофизики на 1980-е годы". Этот отчет заложил основу для Больших обсерваторий и возглавлялся Питером Мейером (до июня 1977 года), а затем Харланом Дж. Смитом (до публикации). В середине 1980-х годов ее дальнейшее развитие было поддержано всеми директорами Отдела астрофизики в штаб-квартире НАСА, включая Фрэнка Мартина и Чарли Пеллерина. Программа НАСА "Великие обсерватории" использовала четыре отдельных спутника, каждый из которых был разработан для наблюдения различной части спектра способами, недоступными для наземных систем. Такой подход позволил рассматривать предлагаемые рентгеновские и инфракрасные обсерватории как логическое продолжение астрономической программы, начатой с помощью телескопов "Хаббл" и CGRO, а не как конкурентов или замену им. Два пояснительных документа, опубликованных НАСА и подготовленных для Отдела астрофизики НАСА и Рабочей группы по управлению астрофизикой НАСА, обосновывали необходимость создания комплекса обсерваторий и определяли вопросы, которые можно было исследовать во всем спектре. Они сыграли важную роль в кампании по получению и сохранению поддержки для строительства четырех телескопов.

Космический телескоп Хаббл

История космического телескопа Хаббл начинается в 1946 году, когда астроном Лайман Спиццер опубликовал статью «Астрономические преимущества внеземной обсерватории». Спиццер посвятил значительную часть своей карьеры продвижению идеи создания космического телескопа. Миссии «Орбитальной астрономической обсерватории» в период с 1966 по 1972 год продемонстрировали важную роль, которую наблюдения из космоса могут играть в астрономии. В 1968 году NASA разработала конкретные планы по созданию космического отражающего телескопа с 3-метровым зеркалом, временно известного как «Большой орбитальный телескоп» или «Большой космический телескоп» (LST), запуск которого планировался на 1979 год. Конгресс в конечном итоге одобрил финансирование в размере 36 миллионов долларов США на 1978 год, и разработка LST началась в серьёзном ключе, с прицелом на дату запуска в 1983 году. В начале 1980-х годов телескоп был назван в честь Эдвина Хаббла. Изначально предполагалось, что Хаббл будет возвращён на Землю с помощью космического шаттла, но от этого плана впоследствии отказались. 31 октября 2006 года администратор NASA Майкл Д. Гриффин дал добро на финальную миссию по обслуживанию. 11-дневная миссия STS-125, выполненная шаттлом «Атлантис» и стартовавшая 11 мая 2009 года, установила новые аккумуляторы, заменила все гироскопы, заменила бортовой компьютер, отремонтировала несколько приборов и установила камеру широкого поля 3 и спектрограф для изучения космического происхождения.

Обсерватория гамма-лучей Комптона

Гамма-лучи исследовались над атмосферой несколькими ранними космическими миссиями. В ходе своей программы высокоэнергетической астрономической обсерватории в 1977 году НАСА объявило о планах по созданию "большой обсерватории" для гамма-лучевой астрономии. Гамма-лучевая обсерватория (GRO), переименованная в обсерваторию Комптона гамма-лучей (CGRO), была разработана с использованием значительных достижений в технологии детекторов в 1980-х годах. После 14 лет работы CGRO была запущена 5 апреля 1991 года. В декабре 1999 года один из трех гироскопов обсерватории Комптона гамма-лучей вышел из строя. Несмотря на то, что обсерватория оставалась полностью функциональной с двумя гироскопами, НАСА посчитало, что отказ второго гироскопа приведет к невозможности управления спутником при его неизбежном возвращении на Землю из-за снижения орбиты. Вместо этого НАСА приняло решение о превентивном затоплении Комптона 4 июня 2000 года. Обломки, пережившие вход в атмосферу, упали в Тихий океан.

Рентгеновская обсерватория Чандра

В 1976 году обсерватория рентгеновских лучей Чандра (в то время называвшаяся AXAF) была предложена НАСА Риккардо Дьякони и Харви Таннанбаумом. Предварительные работы начались в следующем году в Маршалльском космическом центре (MSFC) и Смитсоновской астрофизической обсерватории (SAO). Тем временем, в 1978 году, НАСА вывело на орбиту первый рентгеновский телескоп с формированием изображения, Обсерваторию Эйнштейна (HEAO 2). Работа над проектом Чандра продолжалась в 1980-х и 1990-х годах. В 1992 году, для снижения стоимости, космический аппарат был перепроектирован. Были исключены четыре из двенадцати запланированных зеркал, а также два из шести научных инструментов. Планируемая орбита Чандры была изменена на эллиптическую, достигающую одной трети расстояния до Луны в самой дальней точке. Это исключило возможность модернизации или ремонта с помощью космического шаттла, но позволило разместить обсерваторию выше радиационных поясов Земли на большей части орбиты.

Космический телескоп Спитцер

К началу 1970-х годов астрономы начали рассматривать возможность размещения инфракрасного телескопа над влиянием, затрудняющим наблюдения, со стороны атмосферы Земли. Большинство ранних концепций предусматривали повторные полеты на борту космического челнока НАСА. Этот подход был разработан в эпоху, когда предполагалось, что программа шаттлов способна поддерживать еженедельные рейсы продолжительностью до 30 дней. В 1979 году Национальный исследовательский совет Национальной академии наук в докладе «Стратегия космической астрономии и астрофизики на 1980-е годы» определил Шаттл-инфракрасный телескоп (SIRTF) как «один из двух основных астрофизических объектов [для разработки] для Spacelab» – платформы, размещаемой на шаттле. Запуск инфракрасного астрономического спутника класса Explorer, предназначенного для проведения первого инфракрасного обзора неба, вызвал ожидания создания прибора с использованием новой технологии инфракрасных детекторов. К сентябрю 1983 года НАСА рассматривало «возможность долгосрочной миссии SIRTF, работающей как самостоятельный аппарат». Полет Spacelab 2 на борту STS 51 F в 1985 году подтвердил, что условия на борту шаттла не подходят для инфракрасного телескопа, и более предпочтительным был аппарат, работающий на свободной орбите. Первое слово в названии было изменено с «Shuttle» на «Space», и телескоп стал называться Космическим инфракрасным телескопом. Спитцер был единственной из Больших обсерваторий, не запущенной космическим шаттлом. Первоначально планировался запуск с помощью шаттла, но после катастрофы «Челленджера» использование верхней ступени «Кентавр» LH2/LOX, необходимой для вывода аппарата на гелиоцентрическую орбиту, было запрещено. Запуск ракет-носителей Titan и Atlas был отменен из-за высокой стоимости. После перепроектирования и облегчения конструкции, в 2003 году аппарат был запущен ракетой-носителем Delta II. До запуска он назывался Космическим инфракрасным телескопом (SIRTF). Телескоп был выведен из эксплуатации после завершения работы 30 января 2020 года.

Сильные стороны

Поскольку атмосфера Земли препятствует проникновению рентгеновских лучей, гамма-лучей и дальнего инфракрасного излучения к поверхности, космические миссии были необходимы для обсерваторий Комптона, Чандры и Спитцера. Хаббл также выигрывает от расположения над атмосферой, так как атмосфера искажает наземные наблюдения очень слабых объектов, снижая пространственное разрешение (однако более яркие объекты могут быть получены с гораздо более высоким разрешением, чем с Хаббла с земли, с использованием астрономических интерферометров или адаптивной оптики). Крупные наземные телескопы лишь недавно достигли разрешения Хаббла для ближних инфракрасных длин волн слабых объектов. Нахождение над атмосферой устраняет проблему воздушного свечения, позволяя Хабблу проводить наблюдения ультраслабых объектов. Наземные телескопы не могут компенсировать воздушное свечение при наблюдении ультраслабых объектов, поэтому для наблюдения очень слабых объектов требуются длительные и неэффективные экспозиции. Хаббл также может проводить наблюдения в ультрафиолетовом диапазоне, который не проникает сквозь атмосферу. Каждая обсерватория была разработана для расширения границ технологий в своей области электромагнитного спектра. Комптон был значительно больше, чем любые гамма-инструменты, запущенные в рамках предыдущих миссий HEAO, открывая совершенно новые области для наблюдений. Он был оснащен четырьмя приборами, охватывающими энергетический диапазон от 20 кэВ до 30 ГэВ, которые дополняли чувствительность, разрешение и поля зрения друг друга. Гамма-лучи испускаются различными высокоэнергетическими и высокотемпературными источниками, такими как черные дыры, пульсары и сверхновые. У Чандры также не было наземных предшественников. Он последовал за тремя спутниками программы HEAO NASA, в частности, за весьма успешной обсерваторией Эйнштейна, которая первой продемонстрировала эффективность рентгеновской оптики с фокусировкой за счет скользящего отражения, обеспечивая пространственное разрешение на порядок величины лучше, чем у коллимированных инструментов (сопоставимое с оптическими телескопами) и значительно повысив чувствительность. Большой размер Чандры, высокая орбита и чувствительные ПЗС-матрицы позволили проводить наблюдения очень слабых источников рентгеновского излучения. Спитцер также наблюдает на длинах волн, которые в значительной степени недоступны для наземных телескопов. Ему предшествовали в космосе более компактная миссия NASA IRAS и крупный телескоп ISO Европейского космического агентства (ESA). Приборы Спитцера использовали быстрый прогресс в технологии инфракрасных детекторов, достигнутый с момента запуска IRAS, в сочетании с большой апертурой, благоприятными полями зрения и длительным сроком службы. Научные результаты оказались выдающимися. Инфракрасные наблюдения необходимы для очень далеких астрономических объектов, где весь видимый свет подвергается красному смещению в инфракрасный диапазон, для холодных объектов, излучающих мало видимого света, и для областей, оптически затененных пылью.

Синергия

Помимо присущих миссиям возможностей (особенно чувствительности, которую невозможно воспроизвести с помощью наземных обсерваторий), программа Больших обсерваторий позволяет миссиям взаимодействовать для получения большего научного результата. Разные объекты излучают на разных длинах волн, но одновременное наблюдение двух или более обсерваторий за одним объектом позволяет получить более глубокое понимание. Исследования высокоэнергетического излучения (в рентгеновском и гамма-диапазонах) пока демонстрировали лишь умеренное разрешение изображений. Изучение рентгеновских и гамма-объектов с помощью телескопа Хаббл, а также Чандры и Комптона, предоставляет точные данные об их размерах и положении. В частности, разрешение Хаббла часто позволяет определить, является ли объект самостоятельным или частью родительской галактики, а также установить, находится ли яркий объект в ядре, рукавах или гало спиральной галактики. Аналогично, меньшая апертура Спитцера позволяет Хабблу добавлять более детальную пространственную информацию к изображениям, полученным Спитцером. В марте 2016 года Спитцер и Хаббл были использованы для обнаружения самой удаленной известной галактики GN z11. Этот объект был зафиксирован таким, каким он существовал 13,4 миллиарда лет назад. Ультрафиолетовые исследования с помощью Хаббла также позволяют изучать временные состояния высокоэнергетических объектов. Рентгеновское и гамма-излучение сложнее обнаружить с помощью современных технологий, чем видимый свет и ультрафиолет. Поэтому Чандре и Комптону требовались длительные периоды накопления данных для сбора достаточного количества фотонов. Однако объекты, излучающие в рентгеновском и гамма-диапазонах, могут быть небольшими и изменять свою яркость за минуты или секунды. Такие объекты требуют последующих наблюдений с помощью Хаббла или Rossi X-ray Timing Explorer, которые способны измерять детали с точностью до угловых секунд или даже долей секунды благодаря различной конструкции. Последний полный год работы Rossi пришелся на 2011 год. Способность Спитцера проникать сквозь пыль и плотные газы полезна для наблюдений за ядрами галактик. Массивные объекты в центрах галактик излучают в рентгеновском, гамма- и радиодиапазонах, но инфракрасные исследования этих затуманенных областей могут выявить количество и положение объектов. В то же время у Хаббла недостаточно ни поля зрения, ни времени для изучения всех интересных объектов. Перспективные цели часто обнаруживаются с помощью наземных телескопов, которые дешевле, или с помощью небольших космических обсерваторий, которые иногда специально разрабатываются для обзора больших участков неба. Кроме того, другие три Большие обсерватории обнаружили интересные новые объекты, которые требуют перенаправления ресурсов Хаббла. Одним из примеров синергии обсерваторий является изучение Солнечной системы и астероидов. Малые тела, такие как небольшие спутники и астероиды, слишком малы и/или слишком далеки, чтобы их можно было непосредственно различить даже с помощью Хаббла; их изображение проявляется в виде дифракционной картины, определяемой яркостью, а не размером. Однако минимальный размер можно оценить с помощью Хаббла, зная альбедо тела. Максимальный размер можно определить с помощью Спитцера, зная температуру тела, которая в основном определяется его орбитой. Таким образом, истинный размер тела можно ограничить сверху и снизу. Дальнейшая спектроскопия Спитцера может определить химический состав поверхности объекта, что ограничивает возможные значения альбедо и, следовательно, уточняет нижнюю оценку размера. На другом конце космической лестницы расстояний наблюдения, выполненные с помощью Хаббла, Спитцера и Чандры, были объединены в рамках проекта Great Observatories Origins Deep Survey для получения многоволновой картины формирования и эволюции галактик в ранней Вселенной.

Влияние

Все четыре телескопа оказали значительное влияние на астрономию. Открытие новых диапазонов длин волн для наблюдений с высоким разрешением и высокой чувствительностью, осуществленное телескопами Compton, Chandra и Spitzer, произвело революцию в нашем понимании широкого круга астрономических объектов и привело к обнаружению тысяч новых интересных объектов. Телескоп Хаббл оказал гораздо большее влияние на общественность и средства массовой информации, чем другие телескопы, хотя в оптическом диапазоне Хаббл обеспечил более умеренное улучшение чувствительности и разрешения по сравнению с существующими инструментами. Возможность Хаббла получать однородные изображения высокого качества любого астрономического объекта в любое время позволила проводить точные обследования и сравнения большого числа астрономических объектов. Наблюдения в рамках программы "Глубокое поле Хаббла" имели большое значение для изучения далеких галактик, поскольку они предоставляют ультрафиолетовые изображения этих объектов с аналогичным числом пикселей на галактику, как и предыдущие ультрафиолетовые изображения более близких галактик, что позволяет проводить прямое сравнение.

Преемники великих обсерваторий

Космический телескоп Джеймса Вебба (JWST) был запущен в декабре 2021 года и работает одновременно с телескопом Хаббл. Его сегментированное, развертываемое зеркало более чем в два раза шире, чем у Хаббла, что значительно увеличивает угловое разрешение и чувствительность. В отличие от Хаббла, JWST наблюдает в инфракрасном диапазоне, чтобы проникать сквозь пыль на космологических расстояниях. Это означает, что он продолжает некоторые возможности телескопа «Спицер», в то время как некоторые возможности Хаббла теряются в видимом и особенно в ультрафиолетовом диапазонах. JWST превосходит «Спицер» в ближнем инфракрасном диапазоне. Космическая обсерватория Гершеля Европейского космического агентства, работавшая с 2009 по 2013 год, превзошла «Спицер» в дальнем инфракрасном диапазоне. Летающая платформа SOFIA (Стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии) наблюдала в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах. SOFIA имела большую апертуру, чем «Спицер», но меньшую относительную чувствительность. Космический телескоп гамма-лучей Ферми (FGRST), ранее известный как гамма-телескоп большой площади, является продолжением миссии телескопа Комптона, запущенного 11 июня 2008 года. FGRST имеет более узкую специализацию и значительно меньше по размеру; он несет только один основной инструмент и дополнительный эксперимент – Большой телескоп (LAT) и монитор гамма-всплесков (GBM). FGRST дополняется телескопом Swift, запущенным в 2004 году, и ранее телескопом HETE 2, запущенным в 2000 году. Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (RHESSI), запущенный в 2002 году, наблюдает в некоторых длинах волн, используемых телескопами Комптона и Чандры, но постоянно направлен на Солнце. Иногда он регистрирует высокоэнергетические объекты, случайно попадающие в поле зрения вокруг Солнца. Еще одна крупная высокоэнергетическая обсерватория – INTEGRAL, Европейская международная астрофизическая лаборатория гамма-лучей, запущенная в 2002 году. Она наблюдает в частотных диапазонах, близких к диапазонам телескопа Комптона. INTEGRAL использует принципиально иную технологию телескопа – кодированные апертурные маски. Таким образом, его возможности дополняют возможности телескопов Комптона и Ферми.

Последующие программы

Программа Beyond Einstein будет направлена на развитие новых областей науки. NASA называет Constellation X и космическую антенну лазерного интерферометра (LISA) «Великими обсерваториями Эйнштейна», чтобы отличить их от текущего поколения. Однако они не входят в программу Больших обсерваторий. Международная научная инициатива по изучению Солнца и Земли (ISTP), в духе программы «Великие обсерватории», представляет собой комплекс инструментов для изучения Солнца и связанных с ним электромагнитных явлений вблизи Земли.