Внеатмосферная астрономия

ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ, раздел астрономии, в котором для исследования космических объектов используется научная аппаратура, вынесенная за пределы плотных слоёв земной атмосферы с помощью высотных баллонов (аэростатов), самолётов, ракет, искусственных спутников Земли (ИСЗ) и автоматических межпланетных станций (АМС). Как правило, научные приборы устанавливаются на беспилотных аппаратах, однако возможно использование и пилотируемых станций.

Исследования космических лучей со свободно летящих аэростатов проводились с начала 20 века (смотри Баллонная астрономия). В конце 1940-х годов начались исследования Солнца в УФ и рентгеновском диапазонах длин волн с вертикальных ракет, способных поднимать аппаратуру массой до 1 тонны на высоту свыше 100 км. В 1960-х годах с помощью рентгеновской аппаратуры, установленной на ракетах, достигавших высот от 100 до 500 км, было сделано выдающееся открытие: обнаружены космические источники рентгеновского излучения (Р. Джаккони, США; Нобелевская премия, 2002).

Главное преимущество внеатмосферных методов наблюдений состоит в полном отсутствии влияния атмосферы. Земная атмосфера прозрачна почти полностью лишь для излучения двух сравнительно узких спектральных диапазонов: оптического (длина волны от 0,3 мкм до 1,5-2 мкм) и радиодиапазона (от 1 мм до 15-30 м). Имеется также несколько так называемых окон прозрачности в ближней ИК области спектра. Непрозрачность атмосферы для излучения других длин волн определяется поглощением и рассеянием излучения на молекулах (Н₂О, СО₂, О₃) и атомах, а также отражением радиоволн от электронов ионосферы. Благодаря выносу инструментов за пределы земной атмосферы стало возможным изучать излучение астрономических объектов во всём диапазоне длин волн - от жёсткого гамма-излучения до длинноволнового радиоизлучения (смотри Гамма-астрономия, Рентгеновская астрономия, Ультрафиолетовая астрономия, Инфракрасная астрономия). Внеатмосферная астрономия даёт также возможность проводить непосредственные измерения в межпланетном пространстве, исследовать солнечный ветер, наблюдать атомы межзвёздной среды, проникающие в Солнечную систему, и так далее.

Внеатмосферная астрономия позволила достичь предельного углового разрешения оптических и УФ-телескопов, ограниченных лишь дифракцией излучения на входном отверстии телескопа. Благодаря выносу с поверхности Земли радиоантенн с базой, превышающей диаметр Земли, получено угловое разрешение выше миллисекунды дуги (спутник VSOP, Япония), недоступное наземным радиоинтерферометрам.

С помощью АМС получен большой объём информации об объектах Солнечной системы - планетах и их спутниках, кометах и астероидах, Солнце и солнечном ветре. Часто на АМС устанавливают приборы, регистрирующие галактические и солнечные космические лучи и излучение в различных диапазонах длин волн от объектов, находящихся за пределами Солнечной системы.

Для исследований Солнца запущены десятки специализированных спутников (OSO, «Yoho», SOHO, КОРОНАС и др.). С их помощью проводится непрерывный мониторинг солнечной активности в различных диапазонах длин волн - от оптической части спектра до жёсткого гамма-излучения. Регистрируются также потоки заряженных частиц солнечного ветра и солнечные компоненты космических лучей, ведутся наблюдения солнечной короны в оптическом и мягком рентгеновском диапазонах на расстояниях вплоть до десяти радиусов Солнца.

Наиболее успешно реализуются проекты с использованием специализированных аппаратов, предназначенных для решения лишь одной задачи в том или ином спектральном диапазоне.

Исследования в ИК- и субмиллиметровом диапазонах. Поглощение излучения в этой области спектра почти полностью определяется присутствующими в атмосфере парами воды, углекислым газом СО₂ и озоном О₃. С высотой резко снижается содержание СО₂ и паров воды, и выше 10 км атмосфера становится почти прозрачной в данной области спектра. Поэтому исследования ИК- и субмиллиметрового излучения могут проводиться при помощи самолётных обсерваторий на высоте 10-12 км и баллонов, поднимающихся на высоты до 40 км. Например, для наблюдений реликтового излучения и его пространственных флуктуаций удобнее всего использовать аппаратуру, установленную на баллонах, способных нести полезную нагрузку свыше 1 тонны и проводить непрерывные наблюдения длительностью до 10 суток. С помощью спутников исследуются межпланетная и межзвёздная пыль, газово-пылевые облака, зоны звездообразования и др. Для регистрации излучения в этих диапазонах длин волн применяются сверхпроводящие болометры различных типов, требующие охлаждения ниже температуры жидкого гелия (4,2 К).

Наиболее успешными были запуски спутников IRAS (Infrared Astronomical Satellite; США, Нидерланды, Великобритания; 1983) и ISO (Infrared Space Observatory; Европейское космическое агентство, 1995-98). Так, со спутника IRAS зарегистрировано свыше 500 тысяч дискретных источников инфракрасного излучения, в основном холодных звёзд-карликов с температурой поверхности не более 2500 К, открыты десятки новых астероидов и комет, наблюдались тысячи галактик и квазаров.

В 2003 году запущен спутник SIRTF (Space Infrared Telescope Facility, США), с помощью которого планируется исследование около 100 тысяч ИК-объектов. Основными задачами спутника являются также поиск и изучение коричневых карликов (звёзд предельно малой массы) и поиск тел промежуточной массы между звёздами-карликами и планетами, которые могут вносить существенный вклад в тёмное вещество галактик. Предполагается детальное изучение газово-пылевых облаков в зонах звездообразования, протопланетных дисков у звёзд, а также объектов Солнечной системы: астероидов, спутников планет, комет, межпланетной пыли. В программу наблюдений включено также изучение активных и ИК-галактик, поиск протогалактик в ранней Вселенной. В 2004 году начала работать крупнейшая летающая ИК-обсерватория SOFIA (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy; США, Германия), установленная на самолёте Боинг-747.

В 2007 году европейские астрономы планируют запуск спутников «Ilerschel» и «Planck» с ИК-аппаратурой. Первый из них предназначен для исследования точечных и протяжённых источников, включая реликтовое излучение, в диапазоне 60-670 мкм, второй - для изучения мелкомасштабных флуктуаций реликтового излучения вплоть до масштабов порядка 1’.

Исследования в УФ-диапазоне успешно реализованы в четырёх крупных проектах. В 1972 году запущен спутник «Copernicus» (США), основной задачей которого было изучение химического состава межзвёздной среды (проработал до 1981 года). В 1978 году запущен спутник IUE (International Ultraviolet Explorer; США, Великобритания, Европейское космическое агентство). При экспозиции 8 ч были доступны для наблюдения горячие звёзды вплоть до 15-16-й звёздных величин. За 19 лет работы спутника исследовано свыше 50 тысяч объектов, включая звёзды, туманности, галактики и квазары. В 1983-89 годах успешно осуществлён отечественный проект «Астрон». На борту АМС размещались УФ-телескоп «Спика» с диаметром главного зеркала 80 см и рентгеновский телескоп, работавший в диапазоне длин волн 0,2-2,5 нм.

В 1990 году запущен на орбиту космический телескоп «Хаббл» (США) с диаметром главного зеркала 2,4 м. После установки в фокальной плоскости телескопа линзового асферическая корректора на нём было впервые достигнуто дифракционное угловое разрешение порядка 0,02". С помощью этого телескопа сделаны выдающиеся открытия, главным образом в области внегалактической астрономии и космологии. Помимо камер для получения прямых снимков и УФ-спектрометров на телескопе установлен комплекс приборов для ближней ИК области спектра NICMOS (Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer). Для работы с телескопом и обработки получаемой информации создан специальный институт (Космического телескопа институт, Мэриленд, США). Телескоп «Хаббл» находится на 600-км круговой орбите и обладает системой стабилизации с точностью 0,003". На теневых участках орбиты им были получены изображения участков неба с проницающей силой до 28-й звёздной величины в видимой и ближней УФ областях спектра.

В 2010 году в России планируется запуск УФ-телескопа «Спектр-УФ» с диаметром зеркала 1,7 м. Исследования в рентгеновском диапазоне внесли большой вклад в развитие астрономии, позволив открыть и исследовать новые классы компактных объектов - нейтронные звёзды и чёрные дыры. Для регистрации жёсткого рентгеновского излучения с энергией фотонов свыше 1-3 кэВ используются пропорциональные газонаполненные счётчики или сцинтилляционные кристаллические детекторы с кодирующей апертурной маской или коллиматорами различных типов. Для регистрации мягкого рентгеновского излучения применяются зеркала косого падения с диаметром свыше 1 м, имеющие угловое разрешение вплоть до 1". В качестве детекторов используются микроканальные фотоумножители или приборы с зарядовой связью (ПЗС-матрицы).

Первый спутник для исследований в рентгеновском диапазоне запущен в 1970 году («Uhuru», США); впоследствии на орбиту было выведено несколько десятков таких спутников (США, Великобритания, Россия, Нидерланды, Италия, Япония). С их помощью найдены тысячи рентгеновских источников, в том числе двойные звёздные системы с аккрецией. К 2006 году успешно работают на орбите спутники «Chandra» и «XMM-Newton» с зеркальными рентгеновскими телескопами косого падения диаметром более 1 м и европейский спутник INTEGRAL, ведущий наблюдения в более коротковолновой области спектра.

Исследования в гамма-диапазоне. Для исследований излучения жёсткого гамма-диапазона (с энергией фотонов свыше 30 МэВ) применяются искровые камеры, позволяющие определять как энергию, так и направление прихода каждого зарегистрированного фотона. Обнаружено около 100 дискретных источников гамма-излучения; лишь небольшая часть их отождествлена с остатками вспышек сверхновых, а также с некоторыми галактиками, скоплениями галактик и квазарами.

Разработаны специальные спутники для исследования космических гамма-всплесков, позволяющие определять их координаты, временные и спектральные характеристики [Compton GRO (США; 1991-2000), Beppo-SAX (Италия, Нидерланды; 1996-2003), НЕТЕ-2 (США, Япония, Франция, Италия; 2000) и др.]. В 2004 году запущен спутник «Swift» (США), предназначенный для изучения космических гамма-всплесков, определения их координат и передачи данных на наземные телескопы с задержкой не более нескольких секунд. В 2005 году с помощью установленной на этом спутнике аппаратуры обнаружен гамма-всплеск с красным смещением 6,29; это означает, что наблюдалась звезда, взорвавшаяся около 13 миллиард лет назад, когда возраст Вселенной был менее 1 млрд. лет.

Лит.: Физика космоса: Маленькая энциклопедия. 2-е изд. М., 1986.