Центр астрофизики Гарвард-Смитсоновский институт

Введение

Астрономическая обсерватория в Массачусетсе, США

Центр астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт (CfA), ранее известный как Гарвардско-Смитсоновский центр астрофизики, – это астрофизический исследовательский институт, совместно управляемый обсерваторией Гарвардского колледжа и Смитсоновской астрофизической обсерваторией. Основанный в 1973 году и расположенный в Кембридже, штат Массачусетс, США, CfA руководит масштабной исследовательской программой в области астрономии, астрофизики, наук о Земле и космосе, а также научного образования. CfA возглавляет или участвует в разработке и эксплуатации более чем пятнадцати наземных и космических астрономических исследовательских обсерваторий, охватывающих весь электромагнитный спектр, включая строящийся Гигантский телескоп Магеллана (GMT) и рентгеновскую обсерваторию Чандры, одну из Больших обсерваторий НАСА. В CfA работает более 850 ученых, инженеров и вспомогательного персонала, что делает его одним из крупнейших астрономических исследовательских институтов в мире. Его проекты включают открытия, удостоенные Нобелевской премии в области космологии и астрофизики высоких энергий, обнаружение множества экзопланет и получение первого изображения черной дыры. CfA также играет ключевую роль в мировом астрофизическом сообществе: например, система астрофизических данных CfA (ADS) получила всеобщее признание как онлайн-база данных астрономических и физических публикаций. Известный на протяжении большей части своей истории как «Гарвардско-Смитсоновский центр астрофизики», CfA в 2018 году изменил свое название, чтобы отразить свой уникальный статус совместного предприятия Гарвардского университета и Смитсоновского института. Нынешним директором CfA (с 2022 года) является Лиза Кьюли, сменившая Чарльза Р. Алкока (директор с 2004 по 2022 год), Ирвина И. Шапиро (директор с 1982 по 2004 год) и Джорджа Б. Филда (директор с 1973 по 1982 год).

История CfA

Центр астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов не является формально независимой юридической организацией, а представляет собой институциональное образование, функционирующее на основании меморандума о взаимопонимании между Гарвардским университетом и Смитсоновским институтом. Это сотрудничество было оформлено 1 июля 1973 года с целью координации взаимосвязанных исследовательских работ обсерватории Гарвардского колледжа (HCO) и Смитсоновской астрофизической обсерватории (SAO) под единым руководством директора и размещено в едином комплексе зданий на территории Гарвардского кампуса в Кембридже, штат Массачусетс. Таким образом, история Центра астрофизики неразрывно связана с историей двух полностью независимых организаций, из которых он состоит. Обладая более чем 300-летней историей, HCO и SAO стали свидетелями и участниками важнейших событий в истории астрономии, предшествовавших созданию Центра астрофизики. Краткий обзор этих событий представлен ниже.

История Смитсоновской астрофизической обсерватории (SAO)

Самуэль Пирпонт Лэнгли, третий секретарь Смитсоновского института, основал Смитсоновскую астрофизическую обсерваторию на южной лужайке Смитсоновского замка (на Национальной аллее США) 1 марта 1890 года. Первоначальной основной целью Астрофизической обсерватории было "регистрировать количество и характеристики солнечного тепла". Чарльз Грили Аббот был назначен первым директором SAO, и обсерватория использовала солнечные телескопы для ежедневных измерений интенсивности Солнца в различных областях оптического электромагнитного спектра. Благодаря этому обсерватория позволила Эбботу внести существенные уточнения в солнечную постоянную, а также случайно открыть солнечную переменность. Вероятно, ранняя история SAO как солнечной обсерватории послужила одним из источников вдохновения для логотипа Смитсоновского института в виде "солнечных лучей", разработанного в 1965 году Кримильдой Понтес. В 1955 году научная штаб-квартира SAO переехала из Вашингтона, округ Колумбия, в Кембридж, штат Массачусетс, чтобы сотрудничать с обсерваторией Гарвардского колледжа (HCO) и создать глобальную сеть отслеживания спутников, работая с Военно-воздушными силами США в рамках проекта "Космический трек". С созданием NASA в следующем году и на протяжении всей космической гонки SAO возглавила основные усилия по разработке орбитальных обсерваторий и крупных наземных телескопов, лабораторной и теоретической астрофизики, а также применению компьютеров для решения астрофизических задач.

История обсерватории Гарвардского колледжа (HCO)

Отчасти в ответ на возобновление общественного интереса к астрономии после возвращения кометы Галлея в 1835 году, Гарвардская колледжская обсерватория была основана в 1839 году, когда Гарвардская корпорация назначила Уильяма Кранча Бонда «Астрономическим наблюдателем при университете». В течение первых четырех лет работы обсерватория располагалась в доме Даны Палмер (где также проживал Бонд) недалеко от Гарвардского двора и состояла всего лишь из трех небольших телескопов и астрономических часов. Именно в этот период HCO начала использовать методы, близкие к массовому производству, для анализа данных. В это время в обсерватории было совершено несколько важных открытий в истории астрономии, ставших возможными благодаря так называемым «компьютерам» (женщинам, нанятым Пикерингом в качестве квалифицированных работников для обработки астрономических данных). Среди этих «компьютеров» были Уильмина Флеминг, Энни Джамп Каннон, Генриетта Свон Ливитт, Флоренс Кушман и Антония Мори, все они сегодня признаны выдающимися деятелями науки. Генриетта Свон Ливитт, например, открыла так называемую зависимость период-светимость для классических цефеид, установив первую крупномасштабную «стандартную свечу» для измерения расстояний до галактик. Это открытие, ныне известное как «закон Левитта», считается одним из основополагающих и важнейших в истории астрономии; астрономы, такие как Эдвин Хаббл, впоследствии использовали закон Левитта, чтобы установить, что Вселенная расширяется, что является основным доказательством в пользу теории Большого взрыва. После выхода Пикеринга на пенсию в 1921 году руководство HCO перешло к Харлоу Шэпли (основному участнику так называемых «Великих дебатов» 1920 года). Эта эпоха обсерватории прославилась работами Сесилии Пейн-Гапошкиной, которая стала первой женщиной, получившей докторскую степень по астрономии в колледже Рэдклифф (в нескольких минутах ходьбы от обсерватории). В своей диссертации 1925 года Пейн-Гапошкина предположила, что звезды состоят в основном из водорода и гелия, что в то время считалось абсурдной идеей. В период между пребыванием Шэпли у власти и созданием CfA обсерваторией руководили Дональд Х. Мензель, а затем Лео Голдберг, оба из которых поддерживали известные программы в области солнечной и звездной астрофизики. Мензель сыграл ключевую роль в убеждении Смитсоновской астрофизической обсерватории переехать в Кембридж и наладить более тесное сотрудничество с HCO.

Partly in response to renewed public interest in astronomy following the 1835 return of Halley's Comet, the Harvard College Observatory was founded in 1839, when the Harvard Corporation appointed William Cranch Bond as an "Astronomical Observer to the University". For its first four years of operation, the observatory was situated at the Dana Palmer House (where Bond also resided) near Harvard Yard, and consisted of little more than three small telescopes and an astronomical clock. and applied mass production methods to the analysis of data. It was during this time that HCO became host to a series of major discoveries in astronomical history, powered by the observatory's so called "Computers" (women hired by Pickering as skilled workers to process astronomical data). These "Computers" included Williamina Fleming, Annie Jump Cannon, Henrietta Swan Leavitt, Florence Cushman and Antonia Maury, all widely recognized today as major figures in scientific history. Henrietta Swan Leavitt, for example, discovered the so called period luminosity relation for Classical Cepheid variable stars, establishing the first major "standard candle" with which to measure the distance to galaxies. Now called "Leavitt's law", the discovery is regarded as one of the most foundational and important in the history of astronomy; astronomers like Edwin Hubble, for example, would later use Leavitt's law to establish that the Universe is expanding, the primary piece of evidence for the Big Bang model. Upon Pickering's retirement in 1921, the directorship of HCO fell to Harlow Shapley (a major participant in the so called "Great Debate" of 1920). This era of the observatory was made famous by the work of Cecelia Payne Gaposchkin, who became the first woman to earn a PhD in astronomy from Radcliffe College (a short walk from the observatory). Payne Gapochkin's 1925 thesis proposed that stars were composed primarily of hydrogen and helium, an idea thought ridiculous at the time. Between Shapley's tenure and the formation of the CfA, the observatory was directed by Donald H. Menzel and then Leo Goldberg, both of whom maintained widely recognized programs in solar and stellar astrophysics. Menzel played a major role in encouraging the Smithsonian Astrophysical Observatory to move to Cambridge and collaborate more closely with HCO.

Совместная история как Центр астрофизики (CfA)

Сотрудничество, которое в конечном итоге привело к созданию Центра астрофизики, началось с переезда SAO в Кембридж в 1955 году. Фред Уиппл, который уже был председателем Гарвардского астрономического департамента (входил в состав HCO с 1931 года), был назначен новым директором SAO в начале этой новой эры, что стало ранним испытанием модели единого руководства HCO и SAO. В последующие 18 лет два независимых учреждения все теснее сближались, фактически (но неформально) функционируя как единый крупный исследовательский центр. 1 июля 1973 года эти совместные отношения были оформлены в новый Гарвардско-Смитсоновский центр астрофизики. Джордж Б. Филд, в то время сотрудничавший с Беркли, был назначен его первым директором. В том же году был создан новый астрономический журнал – CfA Preprint Series, а инструмент CfA/SAO, установленный на борту Skylab, обнаружил корональные дыры на Солнце. Основание CfA совпало с рождением рентгеновской астрономии как новой, важной области, в первые годы которой доминировали ученые CfA. Риккардо Джаккони, считающийся «отцом рентгеновской астрономии», основал Отдел астрофизики высоких энергий в рамках нового CfA, переведя большую часть своей исследовательской группы (тогда в American Sciences and Engineering) в SAO в 1973 году. Эта группа впоследствии запустила обсерваторию Эйнштейна (первый рентгеновский телескоп, формирующий изображение) в 1976 году и возглавила разработку и предложения, которые привели к созданию рентгеновской обсерватории Чандра. Чандра, вторая из «Великих обсерваторий» NASA и по-прежнему самый мощный рентгеновский телескоп в истории, продолжает функционировать сегодня как часть Центра рентгеновских лучей Чандра при CfA. В 2002 году Джаккони был удостоен Нобелевской премии по физике за основополагающие работы в области рентгеновской астрономии. Вскоре после запуска обсерватории Эйнштейна Стивен Вайнберг из CfA получил Нобелевскую премию по физике в 1979 году за свои работы по электрослабому взаимодействию. В следующее десятилетие началось знаковое исследование CfA Redshift Survey (первая попытка составить карту крупномасштабной структуры Вселенной), а также был опубликован «Отчет по полевым исследованиям» – влиятельный десятилетний обзор по астрономии и астрофизике под председательством уходящего директора CfA Джорджа Филда. В 1982 году его сменил Ирвин Шапиро, который в период своего пребывания на посту директора (1982–2004 годы) курировал расширение наблюдательных объектов CfA по всему миру, включая недавно названную обсерваторию Фреда Лоуренса Уиппла, инфракрасный телескоп (IRT) на борту космического шаттла, 6,5-метровый многозеркальный телескоп (MMT), спутник SOHO и запуск Чандры в 1999 году. Среди важных открытий, сделанных CfA в этот период, – основополагающие работы по сверхновой 1987A, «Великая стена CfA2» (тогда крупнейшая известная когерентная структура во Вселенной), наиболее убедительные доказательства существования сверхмассивных черных дыр и первые убедительные доказательства существования экзопланеты. В 1980-х годах CfA также сыграла заметную роль в истории компьютерных наук и Интернета: в 1986 году SAO начала разработку SAOImage, одного из первых в мире приложений на основе X11, предоставленных в открытый доступ (его преемник, DS9, остается самым широко используемым астрономическим просмотрщиком изображений FITS во всем мире). В то же время ученые и разработчики программного обеспечения в CfA начали работу над тем, что стало системой астрофизических данных (ADS) – одной из первых в мире онлайн-баз данных научных публикаций.

The collaborative foundation for what would ultimately give rise to the Center for Astrophysics began with SAO's move to Cambridge in 1955. Fred Whipple, who was already chair of the Harvard Astronomy Department (housed within HCO since 1931), was named SAO's new director at the start of this new era; an early test of the model for a unified directorship across HCO and SAO. The following 18 years would see the two independent entities merge ever closer together, operating effectively (but informally) as one large research center. This joint relationship was formalized as the new Harvard–Smithsonian Center for Astrophysics on July 1, 1973. George B. Field, then affiliated with Berkeley, was appointed as its first director. That same year, a new astronomical journal, the CfA Preprint Series was created, and a CfA/SAO instrument flying aboard Skylab discovered coronal holes on the Sun. The founding of the CfA also coincided with the birth of X ray astronomy as a new, major field that was largely dominated by CfA scientists in its early years. Riccardo Giacconi, regarded as the "father of X ray astronomy", founded the High Energy Astrophysics Division within the new CfA by moving most of his research group (then at American Sciences and Engineering) to SAO in 1973. That group would later go on to launch the Einstein Observatory (the first imaging X ray telescope) in 1976, and ultimately lead the proposals and development of what would become the Chandra X ray Observatory. Chandra, the second of NASA's Great Observatories and still the most powerful X ray telescope in history, continues operations today as part of the CfA's Chandra X ray Center. Giacconi would later win the 2002 Nobel Prize in Physics for his foundational work in X ray astronomy. Shortly after the launch of the Einstein Observatory, the CfA's Steven Weinberg won the 1979 Nobel Prize in Physics for his work on electroweak unification. The following decade saw the start of the landmark CfA Redshift Survey (the first attempt to map the large scale structure of the Universe), as well as the release of the "Field Report", a highly influential Astronomy and Astrophysics Decadal Survey chaired by the outgoing CfA Director George Field. He would be replaced in 1982 by Irwin Shapiro, who during his tenure as director (1982 to 2004) oversaw the expansion of the CfA's observing facilities around the world, including the newly named Fred Lawrence Whipple Observatory, the Infrared Telescope (IRT) aboard the Space Shuttle, the 6.5 meter Multiple Mirror Telescope (MMT), the SOHO satellite, and the launch of Chandra in 1999. CfA led discoveries throughout this period include canonical work on Supernova 1987A, the "CfA2 Great Wall" (then the largest known coherent structure in the Universe), the best yet evidence for supermassive black holes, and the first convincing evidence for an extrasolar planet. The 1980s also saw the CfA play a distinct role in the history of computer science and the internet: in 1986, SAO started developing SAOImage, one of the world's first X11 based applications made publicly available (its successor, DS9, remains the most widely used astronomical FITS image viewer worldwide). During this time, scientists and software developers at the CfA also began work on what would become the Astrophysics Data System (ADS), one of the world's first online databases of research papers. ]]

Исследования в CfA

Чарльз Алкок, известный рядом крупных работ, связанных с массивными компактными объектами гало, был назначен третьим директором CfA в 2004 году. Сегодня Алкок курирует один из крупнейших и наиболее продуктивных астрономических институтов в мире. CfA является ведущим или основным партнером в работе обсерватории Фреда Лоуренса Уиппеля, субмиллиметрового массива, обсерватории MMT, телескопа Южного полюса, VERITAS и ряда других небольших наземных телескопов. Стратегический план CfA на 2019–2024 годы включает строительство Гигантского телескопа Магеллана в качестве приоритетного направления для центра. Наряду с рентгеновской обсерваторией Чандра, CfA играет центральную роль в ряде космических наблюдательных комплексов, включая недавно запущенный солнечный зонд Parker Solar Probe, космический телескоп Kepler, обсерваторию солнечной динамики (SDO) и Hinode. CfA, через Смитсоновскую астрофизическую обсерваторию, недавно сыграла важную роль в рентгеновской обсерватории Lynx, крупном концептуальном исследовании миссии, финансируемом НАСА и заказанном в рамках десятилетнего обзора по астрономии и астрофизике 2020 года ("Astro2020"). В случае запуска, Lynx станет самой мощной рентгеновской обсерваторией, построенной на сегодняшний день, обеспечивая возможности, на порядок превосходящие возможности Чандры. SAO является одним из 13 институтов-участников Совета телескопа Event Horizon Telescope, а CfA размещает его Центр операций Array. В 2019 году проект представил первое прямое изображение черной дыры. Этот результат широко признан триумфом не только наблюдательной астрономии, но и ее взаимодействия с теоретической астрофизикой. Объединение наблюдательной и теоретической астрофизики является одним из основных направлений деятельности CfA с момента его основания. В 2018 году CfA изменил название на "Центр астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт", чтобы отразить свой уникальный статус как совместное предприятие Гарвардского университета и Смитсоновского института. Сегодня CfA получает около 70% финансирования от NASA, 22% из федеральных фондов Смитсоновского института и 4% от Национального научного фонда. Оставшиеся 4% поступают от спонсоров, включая Министерство энергетики США, Фонд Анненберга, а также другие пожертвования и целевые взносы.

Charles Alcock, known for a number of major works related to massive compact halo objects, was named the third director of the CfA in 2004. Today Alcock oversees one of the largest and most productive astronomical institutes in the world,

The CfA is either a lead or major partner in the operations of the Fred Lawrence Whipple Observatory, the Submillimeter Array, MMT Observatory, the South Pole Telescope, VERITAS, and a number of other smaller ground based telescopes. The CfA's 2019–2024 Strategic Plan includes the construction of the Giant Magellan Telescope as a driving priority for the center. Along with the Chandra X ray Observatory, the CfA plays a central role in a number of space based observing facilities, including the recently launched Parker Solar Probe, Kepler space telescope, the Solar Dynamics Observatory (SDO), and Hinode. The CfA, via the Smithsonian Astrophysical Observatory, recently played a major role in the Lynx X ray Observatory, a NASA funded large mission concept study commissioned as part of the 2020 Astronomy and Astrophysics Decadal Survey ("Astro2020"). If launched, Lynx would be the most powerful X ray observatory constructed to date, enabling order of magnitude advances in capability over Chandra. SAO is one of the 13 stakeholder institutes for the Event Horizon Telescope Board, and the CfA hosts its Array Operations Center. In 2019, the project revealed the first direct image of a black hole. The result is widely regarded as a triumph not only of observational astronomy, but of its intersection with theoretical astrophysics. Union of the observational and theoretical subfields of astrophysics has been a major focus of the CfA since its founding. In 2018, the CfA rebranded, changing its official name to the "Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian" in an effort to reflect its unique status as a joint collaboration between Harvard University and the Smithsonian Institution. Today, the CfA receives roughly 70% of its funding from NASA, 22% from Smithsonian federal funds, and 4% from the National Science Foundation. The remaining 4% comes from contributors including the United States Department of Energy, the Annenberg Foundation, as well as other gifts and endowments.