А.В. ЗАСОВ, доктор физико-математических наук ГАИШ МГУ
Гигантский газопылевой (протопланетный) диск вокруг звезды Фомальгаут в созвездии Южной Рыбы. Центральная звезда закрыта непрозрачным экраном (радиальные лучи на изображении – результат частичного просачивания ее света). По размеру диск более чем впятеро превосходит Солнечную планетную систему. Снимок получен КТХ в видимой области спектра, однако подобные пылевые структуры вокруг звезд – мощные источники излучения в далеком ИК-диапазоне. NASA
Современная техника регистрации инфракрасного излучения, приходящего к нам из космоса, позволила увидеть Вселенную в новом свете. Астрономы получили бесценную информацию о том, что скрывается за пеленой космической пыли, где прячется самое холодное вещество, открыли органические молекулы в межзвездном газе и многое-многое другое…
Открытие ИК-излучения
В Англии во второй половине XVIII в. – начале XIX в. жил и работал выдающийся астроном, оптик и музыкант (органист, учитель музыки) Вильям Гершель (1738 – 1822). Приобретя стекольную мастерскую, он освоил искусство изготовления сферических зеркал для телескопов и с помощью созданных им инструментов вместе со своей сестрой Каролиной занялся систематическим поиском и изучением различных небесных объектов. Работа этого талантливого исследователя привела к серии столь значительных открытий, что каждое из них достаточно для увековечения его имени в истории науки. Так, ему принадлежит открытие планеты Уран и нескольких спутников Сатурна и Урана, многих неизвестных ранее туманностей, двойных и кратных звезд (в 1804 г. он опубликовал их каталог). В. Гершель определил направление движения Солнца относительно окружающих звезд, дал первую оценку формы и размеров нашей Галактики. Но здесь пойдет речь о его другом, но не менее важном открытии.
В. Гершель первым поставил задачу, говоря современным языком, по измерению распределения энергии в спектре солнечного излучения. Для этого им был проведен уникальный физический эксперимент. Узкий пучок солнечного света он пропустил сквозь стеклянную призму, разложившую свет в цветную полоску спектра, а затем поместил в различные области спектра (синюю, зеленую, красную) обычные ртутные термометры с зачерненными (чтобы уменьшить отражение) ртутными шариками. По степени нагрева каждого термометра можно было объективно судить о количестве тепловой энергии, переносимой солнечными лучами того или иного цвета. Обнаружилось, что сильнее всех нагрелся тот термометр, на который солнечный свет, казалось бы, совсем не попадал. Он лежал за красным концом спектральной полоски. Рост температуры означал, что энергия может переноситься излучением, не воспринимаемым глазом. Проведя несложные опыты, В. Гершель убедился, что это невидимое излучение, переносящее тепло, подчиняется тем же законам преломления и отражения, что и видимый свет. Впоследствии его стали называть инфракрасным излучением. Как выяснилось позднее, ИК-излучение достаточно высокой мощности все же воспринимается человеком, но не глазом, а… кожей, поскольку создает ощущение тепла.
 Инфракрасное излучение связано с различными физическими процессами, его часто называют тепловым, поскольку оно излучается всеми нагретыми телами, а энергия излучения черпается из их тепловой энергии. Поэтому тепловое излучение – это самый универсальный механизм охлаждения любых тел. При понижении температуры слабеет тепловое излучение и одновременно увеличивается длина волны, на которую приходится максимум в его спектре.
Подтвердилось, что природа ИК-излучения такая же, как и у видимого света, его спектральный диапазон лежит между красным концом спектра (0.65 – 0.7 мкм) и началом радиодиапазона (около 1 мм). Весь диапазон инфракрасного излучения принято разделять на ближний, средний и дальний (длинноволновый). К первому относятся волны длиной 0.7 – 5 мкм. Этот диапазон используется, например, для передачи информации по стекловолоконным кабелям, на него же приходится максимальная энергия излучения большинства звезд, более холодных, чем Солнце. Средний диапазон соответствует 5 – 30 мкм, на него приходится максимум излучения тел, нагретых до нескольких сотен кельвинов. В ближнем и средневолновом диапазоне располагаются спектральные линии различных молекул, несущие важную информацию о составе разреженной среды. Более длинные волны относятся к дальнему ИК-диапазону, самому трудному для регистрации и исследований. Диапазон в сотни микрометров называют также субмиллиметровым. Это область излучения самых холодных тел и сред, температура которых может быть всего лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля.
Прошло время, и прежде загадочное ИК-излучение стало использоваться в научных экспериментах и медицинских целях, в различных оптических и технических установках. Нет смысла доказывать, сколь широкое применение нашли инфракрасные приборы в быту и на производстве. Достаточно вспомнить, что при нажатии на кнопки пульта дистанционного управления инфракрасные сигналы поступают в телевизоры и DVD-плееры. Метеорологические ИСЗ получают ИК-изображения облачного покрова планеты (даже на ее ночной стороне!), необходимые для прогноза погоды. Но во всех перечисленных случаях речь идет об ИК-источниках достаточно высокой яркости. Чтобы наблюдать астрономические объекты, требуются более чувствительные приемники, чем бытовые.
Центральная область нашей Галактики. Изображение в видимом свете (слева) и ближнем ИК-диапазоне (по обзору 2MASS). Размер полей – около 2 градусов. NASA
Зарегистрировать и измерить приходящее на Землю из космоса ИК-излучение оказалось непростой задачей. В течение ста лет после открытия В. Гершеля наше светило оставалось единственным известным космическим источником инфракрасных волн (если не считать слабого теплового излучения Луны, зарегистрированного в середине XIX в): инфракрасный свет от звезд, даже более горячих, чем Солнце, был слишком слаб, чтобы его могли почувствовать физические приборы.
В начале ХХ столетия завершилась эпоха визуальных наблюдений в астрономии, ученые перешли к фотографированию неба. Но даже чувствительная к красному свету фотоэмульсия плохо реагирует на ИК-излучение. Тем не менее научиться наблюдать небо в ИК-лучах оказалось очень привлекательной задачей – это прямой путь к поискам и изучению холодных небесных тел, к дистанционному измерению температур различных космических объектов. К тому же ИК-излучение легче проходит сквозь межзвездную пыль, чем видимое. Обычный свет сильно ослабляется с расстоянием, особенно в направлениях, близких к полосе Млечного Пути, где как раз сконцентрировано много интересных астрономических объектов.
В 1960-е гг. первый обзор неба в ближнем ИК-диапазоне выполнили американские ученые обсерватории Маунт Вильсон, обнаружив более 20 тыс. ИК-источников на небе. С этих пор инфракрасные исследования звезд, планет и галактик начали развиваться быстрыми темпами. В 1980-х гг. с появлением космических обсерваторий, стали осваиваться средне- и длинноволновый ИК-диапазоны. Это область оказалась для астрономов terra incognito, здесь они встретились с неизвестными ранее космическими источниками излучения. Родилась новая отрасль науки – инфракрасная астрономия (Земля и Вселенная, 1965, № 5).
Инфракрасные «глаза» астрономов
Чтобы зарегистрировать ИК-свет от астрономических источников, используют зеркальные телескопы, собирающие свет – точно так же, как и при наблюдениях в видимых лучах. При этом далеко не для всех научных задач требуются фотографии объекта. Лишь недавно научились получать качественные изображения слабых инфракрасных космических источников. Во многих случаях достаточно было решить более простую задачу – уловить и измерить мощность теплового потока от небесного тела или какого-либо его участка. С этой целью в первой половине ХХ в. вместо фотоматериалов стали использовать физические приборы, реагирующие на ничтожно малые потоки теплового излучения. Сначала применялись термопары (соединения двух специально подобранных проводников с различным электропроводными свойствами), а позднее – фотосопротивления на основе соединения PbS, меняющие электрическое сопротивление даже при очень слабом нагреве.
С помощью фотосопротивлений по инфракрасным спектральным линиям удалось измерить температуры различных областей Луны и планет, облачных слоев планет и уточнить химический состав их атмосфер, заглянуть в запыленные участки Галактики и обнаружить неизвестные ранее типы источников «холодного» света, исследовать очень тусклые в видимом диапазоне спектра низкотемпературные звезды. Необходимо упомянуть одно из важных открытий, относящееся к планетной астрономии. В 1965 г. доктор физико-математических наук В.И. Мороз выполнил наземные спектральные наблюдения Марса в области спектра около 3 мкм и обнаружил в его поверхностных слоях присутствие льда (вечной мерзлоты?). Это открытие блестяще подтвердилось в последние годы благодаря использованию ИК-спектрометров, установленных на марсианских межпланетных станциях.
Получить четкие изображения протяженных источников – задача более сложная, чем просто измерить приходящий от них поток. Чтобы сфотографировать инфракрасный источник, необходимо усилить сигнал и преобразовать ИК-излучение в видимое. Первые инфракрасные фотографии далеких объектов, выполненные с усилением сигнала, удалось получить с помощью техники, разрабатывавшейся исключительно для военных целей. Во время Второй мировой войны в СССР и Германии были созданы приборы для ночного боя и танковождения, позволяющие видеть предметы почти в полной темноте. В СССР подобные разработки проводились по инициативе талантливого ученого и конструктора В.И. Красовского. Они, в частности, были успешно использованы в Сталинградской битве при ночных рейдах танковых колонн. В таких приборах применялись чувствительные к ИК-лучам электронно-оптические преобразователи (ЭОП). Их работа основана на внешнем фотоэффекте. ЭОП представляет собой вакуумную трубку с полупрозрачным окошечком – катодом, покрытым слоем металла с низкой энергией выхода электронов. Внутри трубки создается сильное электрическое поле с определенной конфигурацией силовых линий, ускоряющее электроны и направляющее их движение. Кванты света, поглощаемые катодом, выбивают из него внутрь трубки свободные электроны, которые разгоняются электрическим полем и фокусируются на небольшом экране, покрытом веществом, светящимся под ударами быстрых частиц (как в электронно- лучевой трубке осциллографа или телевизора). На небольшом экране ЭОП появляется многократно усиленное по яркости изображение, но уже не в инфракрасном, а в видимом свете. Его можно фотографировать обычным образом или переводить в цифровую форму записи для дальнейшей обработки. Пожалуй, первым применением такого прибора в астрономии стала фотосъемка в инфракрасном диапазоне центра нашей Галактики, находящегося на расстоянии более 20 тыс. св. лет и скрытого от нас за пеленой межзвездной пыли. Пионерские наблюдения были проведены в Крыму вскоре после войны под руководством В.И. Красовского.
Впоследствии ЭОП стали широко использоваться в астрономии, что позволило получить ценнейшую информацию об излучении звезд и планет в ближней ИК-области. Со временем на смену ЭОП пришли иные детекторы инфракрасного изображения. Они состоят из отдельных полупроводниковых элементов, чувствительных к ИК-излучению, объединенных в матрицы, на которые телескопическая оптика проецирует изображение исследуемого объекта. Каждый элемент матрицы позволяет воссоздать один элемент изображения, а их совокупность образует двухмерную картину наблюдаемого источника, складывающуюся из отдельных крошечных элементов – пикселей.
Надо иметь в виду, что ИК-излучение занимает очень широкий диапазон спектра, в пределах которого длины волн различаются примерно в тысячу раз (для сравнения: самые длинные и самые короткие волны, к которым чувствителен глаз человека, отличаются всего вдвое). Не удивительно, что для разных интервалов ИК-спектра потребовались разные типы приемников и методы регистрации.
Современные твердотельные ИК-детекторы используют внутренний фотоэффект, при котором выбитые квантом света электроны не покидают своей среды. Такие приемники на базе полупроводниковых элементов (обычно кремния или германия) охватывают ближний и средний ИК-диапазон. Созданы также различные типы приемников дальнего ИК-диапазона – болометры, работающие не на фотоэффекте, а как сверхчувствительные термометры, реагирующие на крайне слабые тепловые потоки.
В настоящее время небо исследуется во всех диапазонах ИК-спектра. При этом ученые сталкиваются с двумя проблемами, которых не знает оптическая астрономия. Прежде всего, это низкая прозрачность земной атмосферы, почти не пропускающая ИК-излучение. До поверхности Земли с малыми потерями доходят только видимый свет и радиоволны, поэтому все наземные телескопы бывают лишь двух типов: оптические и радио. «Окна» прозрачности (да и то относительной) существуют лишь в ближней ИК-области и в субмиллиметровом диапазоне. Например, для наблюдения звезд и галактик с помощью наземных оптических телескопов активно используется область спектра в районе 2.2 мкм. Чтобы изучать астрономические объекты в среднем и дальнем ИК-диапазонах, приходится поднимать приборы за пределы плотных слоев атмосферы. Их устанавливают на аэростатах, высотных самолетах и космических аппаратах. Сильно ослабленное атмосферой излучение в субмиллиметровом диапазоне можно принимать с Земли, устанавливая телескопы с ИК-детекторами очень высоко в горах. Все перечисленные способы применяются в современной инфракрасной астрономии. Вторая проблема – помехи, связанные с собственным излучением приемника и зеркала телескопа. От них нельзя избавиться, ведь ИК-излучение рождается любыми нагретыми телами. К примеру, максимальное излучение Земли и ее атмосферы приходится на область 10 – 12 мкм, но его интенсивность остается высокой и в дальнем ИК-диапазоне. Трудно уловить приходящее слабое излучение прибором, который сам ярко «светится». Любопытно, что по этой причине в природе не может быть животных со светящимися глазами, часто появляющихся в фильмах ужасов: такие монстры были бы слепыми. Чтобы снизить нежелательное «свечение» инструментов, приходится сильно охлаждать приемники излучения и зеркало телескопа если космический аппарат не находится далеко от Земли и не защищен от солнечного света.
Космические инфракрасные источники
Мысленно представим себе, что наши глаза с помощью хитроумной техники получили возможность видеть небо в ИК-лучах. При этом мы способны перестраивать по своему желанию диапазон чувствительности нашего зрения во всем инфракрасном диапазоне. Как будет меняться вид неба? Какие объекты на нем мы сможем увидеть?
Планетарная туманность Улитка в созвездии Водолея. Снимки сделаны в видимом (а) и инфракрасном (б) спектре. На ИК-изображении, полученном в области около 8 мкм заметна радиально вытянутая структура газового кольца. КТХ и космическая обсерватория «Спитцер». 2005 – 2006 гг. NASA
Конечно, во всех спектральных диапазонах Солнце забивает по яркости все остальные источники – ему нет равных на небе. Нас будут интересовать только более слабые и далекие астрономические объекты. Итак, начнем с красной границы спектра, взглянув на небо через темно-красный фильтр. При достаточной чувствительности нашего зрения мы увидим привычный узор созвездий, разве что голубые горячие звезды будут более слабыми, зато непривычно яркими покажутся сравнительно холодные звезды, например красные гиганты и сверхгиганты Бетельгейзе, Арктур, Антарес. Они засияют еще ярче (а небо станет темнее), когда мы, увеличивая длину принимаемых волн, углубимся дальше в ИК-область. Гиганты и сверхгиганты превышают по размерам наше Солнце в десятки и сотни раз, но их температура примерно вдвое ниже солнечной, из-за чего основная энергия их излучения приходится на ИК-диапазон. Если позволит чувствительность нашего зрения, мы увидим, что все небо густо усыпано очень слабыми инфракрасными звездами – красными карликами. В видимом свете их светимость очень низка. Удалось найти еще более слабые и холодные звезды – коричневые карлики, отличающиеся небольшой массой, в десятки раз меньше солнечной. Красные и коричневые карлики, а не такие звезды, как Солнце, составляют основную часть звездного «населения» нашей Галактики.
Наблюдая небо в ближней ИК-области, мы заметим также, что поглощение пылью сильно ослабело, стали видны многие звезды, ранее скрытые пылевой завесой. Мы увидим и ставшие более яркими облака ионизованного водорода, излучающие в инфракрасных спектральных линиях.
Меняя настройку нашего зрения и двигаясь вдоль спектра, мы заметим, как постепенно темнеет даже дневное небо, а источники на нем либо становятся ярче, либо почти пропадают в соответствии с изменением пропускающей способности атмосферы. Для наблюдения в диапазоне 3 – 5 мкм нам придется подняться за атмосферу, лучше – в космос, поскольку атмосфера становится непрозрачной, а на еще более длинных волнах начинает сама светиться.
Войдя в среднюю область ИК-спектра, мы увидим, что картина заметно изменилась. Голубые и желтые звезды практически исчезли, красные сильно потускнели или тоже пропали, зато межзвездная среда стала почти прозрачной (кроме самых плотных областей), сделав видимыми ранее не наблюдавшиеся объекты. Более ярким стало тепловое излучение планет, астероидов и комет. В этом диапазоне появляется уже их собственный, а не отраженный солнечный свет. Засветились пыль, сосредоточенная в окрестностях некоторых звезд и нагретая их светом до нескольких сотен кельвинов, как яркие источники засияли еще не сформировавшиеся звезды в недрах холодных газовых облаков. Среди околозвездных ИК-источников, связанных с нагретой пылью, наиболее интересны вращающиеся вокруг звезд газопылевые диски. Такой гигантский диск обнаружен, например, вокруг звезды Фомальгаут в созвездии Южной Рыбы. По крайней мере, в части подобных дисков происходит формирование планет. Примерно 5 млрд. лет назад в газопылевом диске, вращавшемся вокруг молодого Солнца, родилась наша Земля.
Поскольку разреженная межпланетная пыль существует и в нашей Солнечной системе, ее тепловое излучение также оказывается заметным. В ИК-диапазоне она выглядит как слабо светящаяся полоса с размытыми очертаниями, идущая через все небо вдоль большого круга эклиптики. Солнечный свет, рассеиваемый этой пылью, воспринимается нами в видимых лучах как зодиакальный свет.
Увеличивая длину волны, мы попадем в область далекого ИК-диапазона. Картина неба кардинально изменится: пропадут даже самые яркие звезды. В этом диапазоне царствует излучение холодной межзвездной пыли, наиболее яркое на длинах волн 100 – 200 мкм. Самое интенсивное свечение приходит от широкой полосы, положение которой совпадает с Млечным Путем. В длинноволновых инфракрасных лучах полоса Млечного Пути светится целиком, но это обусловлено уже не звездами, а межзвездной пылью, сконцентрированной в галактическом диске и нагретой светом звезд до десятков кельвинов (Земля и Вселенная, 1977, №№ 4, 5). Светящиеся в ИК-лучах облака заполняют, например, область созвездия Ориона – там находится гигантский газопылевой комплекс, в котором рождаются звезды. Мы наверняка обратим внимание на неоднородность по яркости инфракрасного Млечного Пути. Наиболее яркое свечение исходит из центральной части Галактики в созвездии Стрельца. Но даже вдали от галактической плоскости хорошо заметны тускло светящиеся инфракрасные волокнистые облака со сложной структурой – «инфракрасные циррусы», покрывающие значительную часть неба. Эти облака представляют собой газопылевую среду на высоких галактических широтах.
Фотокарта всего неба в ближнем ИК-диапазоне (круговая развертка). Выделяется диск нашей Галактики, центральное сгущение звезд (балдж) и многочисленные ИК-источники. В экваториальной плоскости диска заметна слабая темная полоса межзвездной пыли. Космическая обсерватория «COBE». NASA
Если наше инфракрасное зрение обладает очень высокой чувствительностью и резкостью, мы заметим вдали от Млечного Пути много точечных («звездоподобных») источников различной яркости, а также мелких пятен различных размеров, иногда с довольно сложной внутренней структурой. Они в подавляющем большинстве случаев связаны с другими галактиками, находящимися на расстоянии от нескольких миллионов до нескольких миллиардов световых лет. «Звездоподобные» ИК-источники совпадают с активными ядрами галактик и квазарами. Последние представляют собой ядра галактик, находящиеся на особенно высокой стадии активности. С учетом гигантского расстояния до них получается, что квазары – самые мощные источники ИК-излучения в природе. Некоторые квазары излучают в десятки раз больше, чем совокупность всех звезд нашей Галактики или родительской галактики, в которой они находятся. Механизм столь мощного излучения и источники его энергии пока не вполне ясны. Что касается мелких размытых пятен – это светящаяся межзвездная пыль в других галактиках. В среднем почти половина всей энергии, излучаемая нормальными галактиками, содержащими межзвездную среду, приходится на далекую ИК-область. По сути, это та же энергия света звезд, только перехваченная и переизлученная межзвездной пылью на более длинных волнах. Таким образом, пыль в галактиках «работает» как своего рода природный преобразователь частоты: поглощает высокочастотное (коротковолновое) оптическое излучение, а отдает длинноволновое инфракрасное. По яркости ИК-излучения удалось измерить массу пыли в галактиках. Оказалось, что она везде составляет менее 1% от массы разреженного межзвездного газа.
Изображения наиболее близких галактик в далекой ИК-области, как правило, мало напоминают галактики на обычных фотографиях. Это и не удивительно: в видимом свете излучают звезды, а в далеком инфракрасном – пыль, нагреваемая преимущественно молодыми горячими звездами. Поэтому в ИК-свете обычно отчетливо выделяются своей яркостью спиральные ветви и иногда центральные части галактик, где часто наблюдаются области формирования звезд. Мощность инфракрасного излучения оказалась хорошим индикатором интенсивности звездообразования в галактиках.
Галактика М104 (Сомбреро) в созвездии Девы. Изображения в видимом (а) и ИК-спектре в области 8 мкм (б). Свечение связано с пылью и органическими молекулами в плоскости галактики. КТХ и космическая обсерватория «Спитцер». NASA
Однако в любой галактике, если она целиком не охвачена вспышкой звездообразования (известны и такие), существенная часть межзвездной пыли находится далеко от молодых звезд, поэтому ее температура не превышает 15 – 20 К. Столь холодная пыль излучает крайне слабо, она проявляет себя только на волнах длиной 0.5 – 1 мм. К сожалению, данный диапазон еще плохо освоен и лишь для немногих галактик удалось надежно измерить спектр вплоть до области радиоволн. Поэтому до сих пор плохо известно, насколько может быть велика масса очень холодной пыли и связанного с ней столь же холодного газа в галактиках. По-видимому, в некоторых галактиках бóльшая часть пыли имеет столь низкие температуры, что ее трудно обнаружить.
Зайдем в нашем мысленном эксперименте еще чуть дальше, взглянув на небо в миллиметровых радиоволнах. Мы обнаружим, что там исчезают отдельные мелкие структуры и источники, хотя любая часть неба продолжает довольно ярко светиться. Но это уже не пыль и не далекие галактики, а фоновое космическое излучение, заполняющее всю Вселенную. Его спектр соответствует тепловому излучению непрозрачной среды с температурой 2.726 К. Считается, что оно возникло очень давно – более 13 млрд. лет назад, когда еще не существовало никаких звездных систем. Но здесь мы вступаем в другую область знаний – космологию, науку о свойствах и эволюции Вселенной как целого.
Современная ИК-астрономия
Во второй половине XX в. ближнем космосе работала целая серия инфракрасных телескопов, благодаря которым были получены как изображения, так и спектры многочисленных ИК-источников. Приемники ИК-излучения также устанавливались на межпланетных станциях и космических обсерваториях, в том числе и на Космическом телескопе им. Хаббла (КТХ).
 Началом современного этапа инфракрасной астрономии считается первый обзор неба, проведенный в далеком ИК-диапазоне международной космической обсерваторией «IRAS» (InfraRed Astronomical Survey), созданной специалистами США, Великобритания и Нидерландов. В 1983 г. обсерватория вышла на околоземную орбиту и проработала несколько месяцев (Земля и Вселенная, 1994, № 1). С ее помощью на длинах волн 12, 25, 60 и 100 мкм получены изображения (сравнительно низкой четкости) областей, охватывающих 96% неба. Проект, был нацелен, скорее, не на исследование конкретных объектов, а на построение ИК-карты всего неба. В ходе наблюдений обнаружено около 250 тыс. «точечных» ИК-источников: от малых тел Солнечной системы (около 2 тыс. астероидов) до галактик (более 20 тыс.) и далеких квазаров. В частности, были открыты шесть новых комет, пылевой диск вокруг Веги, обнаружены инфракрасные пылевые «циррусы».
Существенно большими возможностями обладала запущенная в 1989 г. на околоземную орбиту американская космическая обсерватория «COBE» (CОsmic Background Explorer). С ее помощью удалось, получить четкое ИК-изображение всего Млечного Пути и построить модель галактического диска, измерив, в частности, расстояние от плоскости Галактики до Солнца (около 40 св. лет). Упомянем о том, что в миллиметровом диапазоне на аппаратуре «COBЕ» впервые получена четкая картина распределения мелкомасштабных неоднородностей фонового излучения (Земля и Вселенная, 1993, № 2). Поскольку фоновое излучение родилось вскоре после начала расширения Вселенной, открытие неоднородностей позволило уточнить характер эволюции среды, из которой позднее возник знакомый нам мир. Заметим, что несколько раньше, но с худшим пространственным разрешением неоднородности реликтового фона были найдены в ходе проведения советского эксперимента «Реликт» на ИСЗ «Прогноз-9» (Земля и Вселенная, 1984, № 4).
 Угловое разрешение «СОВЕ» и других ИК-обсерваторий было все же недостаточно высоким для исследования мелких деталей отдельных объектов. Лишь в 2003 г. в США создали космическую инфракрасную обсерваторию «Спитцер» («Spitzer») с охлаждаемым бериллиевым зеркалом диаметром 0.85м, которая позволила совместить рекордно высокую чувствительность приемников с высокой разрешающей способностью (Земля и Вселенная, 2004, № 3; 2005, № 3). Несколько ИК-детекторов различного типа, установленных на обсерватории «Спитцер», обеспечивают наблюдения в диапазоне 3.5 – 160 мкм. Получены ценные научные данные о различных объектах Вселенной – от тел Солнечной системы и протопланетных дисков до рождающихся звезд и малоизученных инфракрасных галактик.
Скоро на смену КТХ придет международная космическая обсерватория «Джеймс Вебб» («JWST», запуск предполагается в 2013 г.) с гигантским инфракрасным телескопом, снабженным приемниками излучения для ближнего и среднего ИК-диапазона. Его составное бериллиевое зеркало будет иметь диаметр 6.5 м. Этот уникальный аппарат должен работать на расстоянии 1.5 млн км от Земли, находясь почти на одной линии с Землей и Солнцем (вблизи точки L2). Гигантский щит будет все время экранировать телескоп от нагревающего излучения Солнца и Земли. На телескопе установят очень большую матрицу, объединяющую 4 млн. отдельных чувствительных элементов. К числу основных задач этого инструмента, как и других крупных ИК телескопов, входит изучение формирования и эволюции галактик на больших расстояниях, образования звезд в газопылевых облаках и планетных систем вокруг звезд. Россия также планирует создать уникальную космическую обсерваторию «Миллиметрон» с лепестковой зеркальной антенной телескопа диаметром 12 м, раскрывающейся в космосе (Земля и Вселенная, 2008, № 2). Она рассчитана на исследования в далеком ИК-спектре и в миллиметровом радиодиапазоне и сможет работать и как отдельный телескоп, и как один из элементов радиоинтерферометра – совместно с другими космическими и наземными телескопами. В режиме интерферометра можно будет получать недостижимое на Земле рекордно высокое угловое разрешение – порядка 10–7 угловой секунды. По проекту планируется запуск двух аналогичных аппаратов. Первый, «Миллиметрон», предполагается запустить в 2016 г.
Проект «Джеймс Вебб» (США, старт в 2013 г.) с гигантским инфракрасным телескопом и приемниками излучения в видимом, ближнем и среднем ИК-диапазонах (0.6 – 27 мкм). Рисунок. NASA
Современная техника инфракрасных наблюдений нацелена не только на получение изображений объектов, но и на измерение инфракрасных спектров и выделение спектральных линий различных молекул, что позволяет узнать о содержании тех или иных химических соединений. Так, ИК-спектрометры (в том числе созданные с участием российских ученых) успешно работали и сейчас функционируют на АМС, исследующих атмосферы Венеры и Марса. В частности, они позволили построить модели атмосфер этих планет, узнать их температуру и давление на различной высоте и широте, уточнить состав и содержание аэрозольных частиц. Если обратиться к более далеким объектам, то стоит упомянуть, что в спектрах протопланетных дисков были найдены полосы поглощения водяного льда, а спектральные наблюдения холодных облаков межзвездного молекулярного водорода привели к открытию в них кислорода, воды, метана и даже кристаллических кремниевых соединений. Особый интерес представляет обнаружение в среднем ИК-диапазоне многоатомных органических молекул – это полицикличные ароматические гидрокарбонаты, или РАН (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons). Причем их излучение наблюдается в спектрах не только межзвездной среды нашей Галактики, но и газовой среды в других галактиках, в том числе очень далеких! Эти молекулы довольно устойчивы к нагреву и радиации. Поскольку звезды и планеты рождаются из межзвездного газа, часть РАН-молекул вполне может «выжить» в суровых условиях, царивших при образовании планет и оказаться в их атмосферах и на поверхности. Не исключено, что здесь кроется ключ к объяснению возникновения первых живых клеток.
Приемники ИК-излучения поднимаются и в стратосферу. Скоро должна войти в строй и дать первые результаты самая крупная летающая обсерватория «SOFIA» (Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), создаваемая США совместно с ФРГ. В хвостовой части специально оборудованного авиалайнера «Боинг-747» будут размещаться телескоп массой 20 т с зеркалом диаметром 2.5 м и аппаратура управления. На 2009 г. намечен ее первый рабочий полет.
В 2009 г. ожидается также запуск космической инфракрасной обсерватории нового поколения «Гершель», создаваемой Европейским космическим агентством. Ee телескоп с 3.5-м зеркалом будет работать в широком диапазоне ИК-спектра – вплоть до субмиллиметрового.
Не только высотные, но и наземные наблюдения в определенных интервалах ИК-диапазона оказываются вполне продуктивными. С помощью наземных телескопов в ближней ИК-области исследуются планеты, звезды и галактики, составляются инфракрасные обзоры неба. В 1997 – 2001 гг. на двух телескопах диаметром 1.3 м (США и Чили; проект 2MASS (Two Micron All Sky Survey) получены изображения всего неба c хорошим угловым разрешением на трех длинах волн в районе 2 мкм. Каждый телескоп с помощью матриц из 256 × 256 твердотельных ИК-детекторов одновременно фотографировал небо в трех спектральных интервалах. В результате наблюдений были получены изображения миллионов отдельных объектов с короткими экспозициями в несколько секунд, измерены инфракрасные потоки и определены их точные координаты. На субмиллиметровом телескопе Джеймс Клерк Максвелл (Великобритания, Канада, Нидерланды) с гигантским зеркалом диаметром 15 м успешно получают изображения ИК источников на длинах волн 400 и 850 мкм. Чтобы уменьшить влияние атмосферы, этот уникальный инструмент, работающий на стыке инфракрасной и радио-областей, установлен на высоте более 4 км на Гавайских островах (см. 4-ю стр. обложки). Десятки связанных между собой германиевых болометров приемного устройства этого телескопа охлаждаются до температуры значительно ниже 1К!
ИК-излучение: ключ к непознанному
На решение каких проблем нацелены современные исследования в ИК-области? Из большого числа научных задач выделю пять направлений, которые мне представляются наиболее интересными:
- поиск и исследование холодной материи в космосе (холодная межзвездная пыль, зарождающиеся звезды и коричневые карлики). Во многих случаях ИК-диапазон является единственным, в котором можно наблюдать эти объекты. До сих пор, например, неизвестно, существует ли непрерывный переход по массам от звезд к планетам, или тела промежуточных масс – это редкое исключение;
- поиск сложных молекул во Вселенной, в том числе органических, выяснение их состава, происхождения, условий их «выживания» и возможной роли в зарождении жизни;
- изучение процессов формирования звезд и планет;
- поиск и изучение экзопланет и возможности существования жизни на них. C этой целью разрабатываются проекты космических обсерваторий «Terrestrual Planet Finder» («Охотник за землеподобными планетами», NASA) и «Дарвин» (ESA, запуск не ранее 2015 г.). В рамках каждого из этих проектов предусматривается запуск нескольких совместно работающих ИК-телескопов, образующих космический интерферометр;
- поиск и исследование самых далеких галактик, свет от которых шел к нам более 10 млрд. лет. Сравнение галактик и их систем, которые мы видим в далеком прошлом, с относительно близкими галактиками дает уникальную возможность узнать, как эволюционируют галактики и как изменяется звездная Вселенная.
Сказанного достаточно, чтоб понять, почему в современной астрономии столь большое внимание уделяется изучению «инфракрасного неба». Всего за чуть более 200 лет удалось открыть целый мир, недоступный человеческому глазу. Кто знает, какие еще сюрпризы принесет нам инфракрасная астрономия в недалеком будущем?
Источник: www.inauka.ru.
Рейтинг публикации:
|
