Хаббл празднует 30 лет

Любимая в мире орбитальная обсерватория изменила наши знания об атмосферах экзопланет, судьбе Вселенной и почти всем, что между ними.

Одна из главных звездных фабрик Млечного Пути — туманность Киля (NGC 3372), возникшая около 3 миллионов лет назад, когда звезды впервые загорелись в облаке молекулярного водорода. С этой точки зрения струи газа вспыхивают от младенческих звезд, появляющихся из их мест рождения.NASA / ESA / M. Ливио и команда 20-летия Хаббла (STScI)Трудно поверить, что почти половина людей, живущих сегодня, никогда не знали мира без космического телескопа Хаббла. 24 апреля 1990 года космический челнок «Дискавери» сорвался со своим драгоценным грузом из космического центра Кеннеди, и на следующий день экипаж из пяти человек доставил обсерваторию размером со школьный автобус на низкую околоземную орбиту. За прошедшие 30 лет Хаббл помог пересмотреть нашу вселенную, решая проблемы, которые мучили астрономов на протяжении десятилетий, а также открывая новые загадки, которые никто не мог себе представить.

Космический телескоп Хаббла свободно плавает на низкой околоземной орбите после того, как астронавты завершили пятую и последнюю миссию по обслуживанию в мае 2009 года. Благодаря новому набору приборов он был готов ко второму десятилетию XXI века.НАСАКонечно, история Хаббла была не без глюков. Наиболее критические появились в течение нескольких недель после его развертывания. Ранние изображения показали, что 2,4-метровое зеркало телескопа было дефектным — его края были слишком плоскими на 2 микрометра или примерно на 1/50 ширины человеческого волоса — и не могли резко фокусировать свет. Для телескопа, весь смысл которого был в том, чтобы доставить кристально чистые виды космоса из-за искажающих воздействий земной атмосферы, несовершенство было более чем разочаровывающим.

К счастью, НАСА разработало Hubble для регулярного обслуживания. 3 декабря 1993 года команда из семи астронавтов вылетела на орбиту на борту космического корабля «Индевор». Их самая важная задача: установить два новых инструмента, которые будут служить «очками», и превратить нечеткие изображения в кристальную четкость.

Четыре последующие миссии по обслуживанию — последняя в мае 2009 года — полностью реконструировали обсерваторию и превратили ее в научную машину 21-го века. Он снял более 1 миллиона изображений космоса, исследуя объекты, такие же близкие к Луне и далекие, как некоторые из первых галактик, которые сформировались в ранней вселенной. И он изучил множество примеров почти всех типов целей, которые находятся между ними.

В январе 2002 года звезда в центре этого изображения вспыхнула и стала одним из самых ярких солнц нашей галактики. На этом снимке, сделанном в октябре 2004 года, видны окружающие его пыль, освещенные извержением.НАСА / ЕКА / Команда Наследия Хаббла (STScI / AURA)

Планетарный метеорологический спутник

Когда люди думают о Хаббле, большинство из них представляют потрясающие изображения туманностей Млечного Пути и разноцветных галактик. Но ученые часто ставят свои достопримечательности ближе к дому. С 1980-х годов ни один космический корабль не посещал Уран или Нептун, и Хаббл и большие наземные телескопы не могли справиться с этим. Космический телескоп показал, что Уран, который выглядел как мягкий, голубоватый шар, когда Voyager 2 пролетел мимо в 1986 году, был активным миром с яркими облаками метана. А в атмосфере Нептуна Хаббл обнаружил сильные штормы, некоторые размером с Землю, вызванные ветрами со средней скоростью 900 миль в час (1450 км / ч).

Хаббл также отслеживал штормы на Юпитере и Сатурне, увеличивая наблюдения, сделанные на орбите космического корабля. И это был космический телескоп, который первым обнаружил доказательства того, что водяной пар может извергаться с Луны Юпитера Европы. Шлейфы, вероятно, представляют материал из подземного океанского выброса через ледяную кору луны.

Хаббл сыграл ключевую роль в успехе миссии НАСА «Новые горизонты» в Плутоне. В период с 2005 по 2012 год орбитальная обсерватория обнаружила четыре новые цели для новых горизонтов: малые луны Гидра, Никс, Керберос и Стикс. Но, что более важно, наблюдения, сделанные в течение нескольких лет, наносили на карту светлые и темные области на поверхности карликовой планеты. Самые яркие из этих областей настолько заинтриговали ученых Нью-Горизонтов, что они нацелились на облет, чтобы он был впереди и ближе к центру при ближайшем сближении в июле 2015 года. Именно так мы узнали так много о сердцевидном леднике из азотного льда, который теперь известен как Томбо Реджио. , Хаббл также обнаружил объект пояса Койпера 2014 MU69, названный Аррокот, который «Новые горизонты» пролетели после 1 января 2019 года.

Туманность Пузырь, также известная как NGC 7635, — это эмиссионная туманность, расположенная на расстоянии 8 000 световых лет от нас. Это потрясающее новое изображение было обнаружено космическим телескопом им. Хаббла НАСА / ЕКА, чтобы отпраздновать свое 26-летие в космосе.

Сокровища Млечного Пути

За пределами Солнечной системы Хаббл открыл новое окно в рождение звезды и смерть звезды. Поднятый над темной атмосферой Земли космический телескоп собирает не только видимый свет, но также ультрафиолетовое и инфракрасное излучение (свет с длиной волны немного короче и длиннее, соответственно, чем мы видим). Дополнительная информация позволяет ученым глубже исследовать густые облака газа и пыли, которые скрывают молодые звезды.

Теперь астрономы могут наблюдать молодых звезд в газовых туманностях, появляющихся из их коконов. Они могут наблюдать, как самые горячие из этих звездных юношей копают полости вокруг себя и разрушают заполненные пылью столбы, где пытаются формироваться новые звезды. В соседней туманности Ориона Хаббл обнаружил протопланетные диски, окружающие десятки маленьких звезд. Эти пыльные диски кажутся сырьем, которое природа использует для создания планет.

Крабовидная туманность (M1) представляет собой светящиеся усики массивной звезды, которую наблюдатели, связанные с землей, взорвали почти 1000 лет назад, в 1054 году. Астрономы смогли определить скорость расширения туманности благодаря отчасти наблюдениям Хаббла.

Когда Хаббл запустился, ученые насчитали только девять планет во Вселенной. (Это было до понижения Плутона до статуса карликовой планеты в 2006 году.) С начала 1990-х годов астрономы обнаружили более 4000 планет, вращающихся вокруг других звезд. Несмотря на то, что космический телескоп внес лишь небольшую долю в этот итог, его спектрографы проанализировали атмосферу нескольких экзопланет. Возможно, наиболее интригующе, Хаббл обнаружил значительное количество водяного пара в некоторых из этих миров.

Жизнь звезд разыгрывается в течение миллионов, миллиардов, а иногда и триллионов лет, и космический телескоп предоставил астрономам места в первом ряду для изучения почти всех этапов эволюции звезд. Звезда, подобная Солнцу, в конце концов оторвется от своих внешних слоев, создав светящийся плащ смерти, известный как планетарная туманность. Хаббл исследовал десятки этих прекрасных сооружений и обнаружил, что они намного сложнее, чем предполагалось ранее. Вместо того, чтобы выдохнуть одно умирающее дыхание, многие похожие на Солнце звезды испытывают многочисленные смертельные муки. Сложные формы развиваются, когда недавно выброшенный газ взаимодействует с материалом из более старых извержений.

Изящные извилистые рукава величественной спиральной галактики M51 (NGC 5194) выглядят как большая спиральная лестница, несущаяся сквозь пространство. На самом деле это длинные полосы звезд и газа, пронизанные пылью. Это самое резкое изображение, сделанное в январе 2005 года с помощью усовершенствованной камеры для съемок на космическом телескопе Хаббла NASA / ESA, иллюстрирует грандиозный дизайн спиральной галактики: от ее изогнутых спиральных рукавов, в которых находятся молодые звезды, до желтоватого центрального ядра, дом старых звезд. Галактика называется Водоворот из-за своей вихревой структуры. Наиболее яркой особенностью Whirlpool являются две изогнутые руки, отличительные признаки так называемых спиральных галактик грандиозного дизайна. Многие спиральные галактики обладают многочисленными плечами свободной формы, которые делают их спиральную структуру менее выраженной. Эти руки служат важной цели в спиральных галактиках. Это фабрики по образованию звезд, которые сжимают газообразный водород и создают скопления новых звезд. В водовороте сборочная линия начинается с темных газовых облаков на внутреннем крае, затем перемещается в ярко-розовые области звездообразования и заканчивается блестящими синими звездными скоплениями вдоль внешнего края. Некоторые астрономы полагают, что руки Водоворота настолько выдающиеся из-за эффектов близкого столкновения с NGC 5195, маленькой желтоватой галактикой на внешней оконечности одного из рук Водоворота. На первый взгляд компактная галактика, кажется, дергает руку. Четкое представление Хаббла, однако, показывает, что NGC 5195 проходит позади Водоворота. Маленькая галактика скользила мимо Водоворота на протяжении сотен миллионов лет. По мере прохождения NGC 5195 его гравитационные мышцы накачивают волны внутри диска в форме блина вихревой ванны. Волны похожи на рябь в пруду, возникающую, когда в воду бросают камень. Когда волны проходят через газовые облака вокруг диска, они сжимают газообразный материал вдоль внутреннего края каждой руки. Темный пыльный материал похож на грозовые тучи. Эти плотные облака разрушаются, создавая след рождения звезды, как видно в ярко-розовых областях звездообразования. Крупнейшие звезды в конечном итоге сметают пыльные коконы потоком радиации, ураганными звёздными ветрами и ударными волнами от вспышек сверхновых. Яркие голубые звездные скопления появляются из хаоса, освещая руки водоворота, как городские уличные фонари. Водоворот является одним из галактических любимцев астрономии. Расположенный примерно в 25 миллионах световых лет от Земли в созвездии Тростников Венатичи (Охотничьи собаки), прекрасный вид и близость к Земле Водоворота позволяют астрономам изучать структуру классической спиральной галактики и процессы звездообразования.

Массивные взрывы

Не всем звездам суждено умереть в относительном мире. Звезды, которые начинают жизнь с более чем 8 или около того солнечными массами, покидают эту вселенную в сильных взрывах сверхновых. Эти титановые взрывы затягивают космос тяжелыми элементами, оставляя после себя сильно сжатое звездное ядро ​​- либо нейтронную звезду, либо черную дыру. Хаббл изучил остатки этих взрывов, отслеживая элементы, выбрасываемые в результате взрывов, и наблюдая, как их газообразные усики медленно развиваются со временем.

Пожалуй, самое главное, космический телескоп отследил остаток, развивающийся вокруг сверхновой 1987А, сверхгигантской звезды, которая взорвалась в Большом Магеллановом облаке (ЛМК) — самой большой спутниковой галактике Млечного Пути — в феврале 1987 года. За последние 30 лет Хаббл был свидетелем взрывной волны сверхновой, освещающей газ, выбрасываемый ее звездой-прародителем около 20 000 лет назад, и наблюдал, как формируется зарождающийся остаток сверхновой.

Это изображение объединяет наблюдения Хаббла Мессье-106 с дополнительной информацией, полученной астрономами-любителями Робертом Гендлером и Джеем Габани. Гендлер объединил данные Хаббла с собственными наблюдениями, чтобы получить это потрясающее цветное изображение. Мессье 106 — это относительно близкая спиральная галактика, расположенная на расстоянии чуть более 20 миллионов световых лет.

Острый глаз телескопа бродил по всей LMC. Ее исследование туманности Тарантул — крупнейшего известного звездообразующего региона во вселенной — раскрыло одну давнюю загадку о скоплении в сердце Тарантула. Ядро скопления, получившее название R136a, казалось, представляло собой одну звезду, весящую 1000 солнечных масс или более, что намного больше, чем считают возможными астрофизики. Но Хаббл разделил плотное ядро ​​скопления на несколько более мелких звезд. Хотя многие склоняют чашу весов более чем на 100 солнечных масс, что делает их одними из самых высоких известных звезд, они больше не нарушают физический закон. LMC наблюдения Хаббла показывают, что телескоп может видеть объекты в близлежащих галактиках с той же детализацией, когда это возможно только в Млечном Пути.

Черные дыры (почти) везде

Когда Хаббл заглянул глубже во вселенную, он сделал одно открытие за другим. Возможно, никто не пробудил воображение публики больше, чем подтверждение того, что черные дыры существуют и что они играют жизненно важную роль в эволюции галактик. Это выдающееся достижение произошло в 1990-х годах, когда Хаббл исследовал ядра M84 и M87, двух самых больших галактик в соседнем скоплении Девы. Эта коллекция из тысяч галактик находится на расстоянии около 50 миллионов световых лет от Земли. Используя спектрографы для изучения быстрых движений газа в ядрах этих галактик, телескоп обнаружил сверхмассивную черную дыру, скрывающуюся в центре каждой из них. Хотя более ранние наблюдения намекали на то, что в некоторых галактиках могут существовать черные дыры, Хаббл предоставил железное доказательство.

Как и Млечный Путь, NGC 1300 в Эридане представляет собой спиральную галактику с перемычками, которая охватывает чуть более 100 000 световых лет. 
В таких галактиках спиральные рукава выходят из концов заполненного звездами бара. 
НАСА / ЕКА / Команда Наследия Хаббла (STScI / AURA)

Но что еще более важно, Хаббл обнаружил, что сверхмассивные черные дыры являются обычным явлением. По сути, в каждой галактике, которая обладает плотной сферической выпуклостью звезд, окружающих ее центр, обитает один из этих зверей. Размер этих черных дыр варьируется от примерно 100 000 солнечных масс в карликовых галактиках до нескольких миллиардов солнечных масс в самых больших островных вселенных. Хаббл также показал, что черная дыра и ее галактика тесно связаны: массы звездного выступа и черной дыры растут в тандеме.

Конечно, Хаббл не ограничивает свой взгляд сердцами галактик. Он регулярно исследует отдельные звезды, известные как переменные Cepheid в близлежащих галактиках, чтобы определить скорость расширения Вселенной. Известный как постоянная Хаббла после американского астронома Эдвина Хаббла, который открыл это расширение и для которого назван космический телескоп, скорость играет фундаментальную роль в космологии.

Цефеиды служат критической ступенью на космической лестнице расстояний, потому что период их пульсаций отслеживается с их собственной светимостью. Наблюдайте, как ярко появляется на небе, и вы можете рассчитать, как далеко он находится. Затем измерьте, насколько быстро галактика-хозяин отступает от Земли, и вы получите скорость расширения. Тридцать лет наблюдений Хаббла определили скорость расширения в 73 километра в секунду на мегапарсек (один мегапарсек равен 3,26 миллиона световых лет). Как ни странно, измерения со спутника Планка Европейского космического агентства дают значение 67, и ученым еще предстоит выяснить, как преодолеть этот разрыв. (См. «Напряжение в основе космологии» в выпуске за июнь 2019 года.)

Advanced Camera for Surveys (ACS), новейшая камера космического телескопа Хаббла НАСА / ESA, запечатлела впечатляющую пару галактик, участвующих в небесном танце кошки-мышки или, в данном случае, мыши и мыши. Расположенные в 300 миллионах световых лет в созвездии Кома-Беренис, сталкивающиеся галактики получили прозвище «Мыши» из-за длинных хвостов звезд и газа, исходящих из каждой галактики. В противном случае, известная как NGC 4676, пара в конечном итоге объединится в одну гигантскую галактику.

Когда космический телескоп смотрит на галактики полностью, он обычно находит соседа или двух. На самом деле, Хаббл показал, что столкновения между галактиками являются скорее правилом, чем исключением. Некоторые из этих столкновений находятся на ранних стадиях. Например, Галактика Вихря и ее спутник, NGC 5195, показывают только тонкие следы начального взаимодействия. Другие, такие как мыши, демонстрируют искаженные формы и длинные приливные хвосты, которые развиваются, когда гравитация действует в течение более длительных периодов времени. И все же другие, примером которых являются галактики Антенны, испытывают полномасштабное воздействие. Здесь галактики утратили большую часть своей индивидуальности, поскольку газовые облака врезаются друг в друга и вызывают водоворот рождения звезды.

Говоря о столкновениях галактик, Хаббл подтвердил, что Млечный Путь не застрахован. Подробные наблюдения нашего большого соседа, Галактики Андромеды, показывают, что она находится на пути столкновения с нашей галактикой и не просто пройдет близко. В течение следующих нескольких миллиардов лет эти два бегемота разыграют те же сцены, которые сейчас исполняют Мыши и Антенны.

Не удивительно, что галактики часто сталкиваются. В конце концов, наблюдения Хаббла показывают, что во Вселенной содержится не менее 100 миллиардов галактик. Число получено в результате исследования нескольких «глубоких полей», которые телескоп взял, повернув свои камеры на небольшие участки, по-видимому, пустого неба и обнажая их несколько дней подряд. Каждое глубокое поле захватывает тысячи галактик, по которым астрономы могут оценить общее количество вселенной.

Используя космические телескопы Хаббла и Спитцера, ученые изучили «Горячий Сатурн» под названием WASP-39b — горячую раздутую экзопланету с массой Сатурна, расположенную примерно в 700 световых годах от Земли. Разобрав звёздный свет, проникающий сквозь атмосферу планеты в составляющие его цвета, команда нашла явные доказательства большого количества водяного пара. Фактически, WASP-39b имеет в три раза больше воды, чем Сатурн. Хотя исследователи предсказывали, что они увидят воду, они были удивлены тем, сколько они нашли. Это говорит о том, что планета образовалась дальше от звезды, где на нее обрушилось много ледяного материала. Поскольку в WASP-39b гораздо больше воды, чем в Сатурне, он, должно быть, сформировался не так, как наш знаменитый сосед.

Спектры, сделанные Хабблом и его сестрой Великой обсерваторией, Космическим телескопом Спитцера, помогли определить состав атмосферы этой экзопланеты с Сатурном. Наблюдения показывают присутствие водяного пара и ряда других важных соединений.Астрономия: Роен Келли, после НАСА / ESA / G. Бэкон и А. Фейлд (STScI) / H. Уэйкфорд (STScI / Университет Эксетера)

На темную сторону

Чувствительные детекторы Хаббла воспринимают только свет, исходящий от небесных объектов. Но умные ученые использовали его наблюдения, чтобы наметить темноту, которая доминирует над нашей вселенной. Темная материя — это таинственный материал, который не излучает свет, но гравитация которого служит клеем, удерживающим отдельные галактики и скопления галактик. Он составляет 27 процентов от массы-энергии во вселенной, более чем в пять раз больше, чем нормальное вещество, которое образует звезды, планеты и людей.

Космический телескоп смог отобразить распределение космической темной материи, несмотря на ее невидимость. Когда астрономы смотрят на большие скопления галактик, они часто видят тонкие дуги и иногда множественные изображения фоновых галактик, гравитационно линзируемых материалом в скоплении на переднем плане. Эти линзы увеличивают и искажают свет от более отдаленных объектов. Астрономы анализируют изображения Хаббла и вычисляют, где должна находиться темная материя, чтобы вызвать наблюдаемые искажения.

Это изображение Хаббла Сверхновой 1987А показывает осветляющее кольцо осколков сверхновой. Самая близкая сверхновая, наблюдаемая почти за 400 лет, Сверхновая 1987А расположена в Большом Магеллановом Облаке.

Хаббл изучал последствия сверхновой 1987А на протяжении 30 лет на орбите. В этом представлении, выпущенном в 2011 году, изодранные останки звезды-предшественника выглядят как неправильный шарик в центре, а окружающее его яркое кольцо состоит из материала, который звезда выпустила 20 000 лет назад, когда вспыхивает ударная волна сверхновой.НАСА / ЕКА / Пит Чаллис (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики)

Хотя астрономы видели намеки, которые предвосхитили многие из заметных открытий Хаббла, величайшее открытие телескопа появилось внезапно. Две исследовательские группы — одна во главе с Солом Перлмуттером из Калифорнийского университета в Беркли, а другая — Брайаном Шмидтом из Австралийского национального университета — наблюдали сверхновые типа Ia на расстоянии. Эти взрывы происходят в двойных звездных системах, в которых белый карлик тянет материал от красного гигантского компаньона. Когда белый карлик достигает 1,4 солнечных масс, он взрывается.Поскольку сверхновые типа Ia возникают из почти идентичных звезд-предшественников, их пиковые значения светимости совпадают. Итак, как только астрономы увидят, насколько яркой выглядит сверхновая, они смогут рассчитать ее расстояние. Команды обнаружили, что самые отдаленные взрывы типа Iа были слабее, чем предполагалось на их расстояниях. Это имеет смысл только в том случае, если какая-то сила, называемая «темной энергией», ускоряет космическое расширение. Планк показал, что темная энергия составляет около 68 процентов от массы вселенной, что является признаком того, что наша вселенная будет расширяться вечно со все возрастающей скоростью.

Несмотря на богатство научных достижений Хаббла, красота его изображений входит в число его главных наследий. Кто не тронут, увидев, что звезды буквально оживают в светящемся газе близлежащей туманности, наблюдая за деликатными усиками умирающей звезды, по пути которой солнце пойдет однажды, или наблюдая драматическую спиральную структуру соседней галактики?

Почти каждое изображение имеет свой шарм, без сомнения, потому что оно отражает красоту, присущую природе. И, если повезет, хиты будут продолжаться еще много лет.


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *