Программа Великих обсерваторий - Great Observatories program

Четыре великие обсерватории

Серия спутников НАСА Великих обсерваторий представляет собой четыре больших мощных космических астрономических телескопа, запущенных в период с 1990 по 2003 год. Они были построены с использованием различных технологий для исследования определенных областей длины волны / энергии электромагнитного спектра : гамма-лучей , рентгеновских лучей , видимого диапазона. и ультрафиолетовый свет , и инфракрасный свет .

Великие обсерватории

Космический телескоп Хаббла и рентгеновская обсерватория Чандра продолжат работу с апреля 2021 года.

Хаббл был первоначально должен быть извлечен и возвращен на Землю с помощью космического челнока , но позже поиска план был оставлен. 31 октября 2006 г. администратор НАСА Майкл Д. Гриффин дал добро на последнюю миссию по ремонту. В ходе 11-дневной миссии космического корабля " Атлантис" STS-125 , запущенной 11 мая 2009 года, были установлены свежие батареи, заменены все гироскопы, заменен командный компьютер, починено несколько инструментов и установлены широкоугольная камера 3 и спектрограф Cosmic Origins .

Один из трех гироскопов гамма-обсерватории Комптона вышел из строя в декабре 1999 года. Хотя обсерватория была полностью функциональна с двумя гироскопами, НАСА пришло к выводу, что отказ второго гироскопа приведет к неспособности управлять спутником во время его возможного возвращения на Землю из-за орбитальный распад. Вместо этого НАСА решило упреждающе сойти с орбиты Комптона 4 июня 2000 года. Части, уцелевшие при входе в атмосферу, упали в Тихий океан .

Спитцер был единственной из Великих обсерваторий, запущенной не с космического корабля "Шаттл". Первоначально он был предназначен , чтобы быть настолько запущен, но после Challenger катастрофы , то Centaur LH2 / LOX верхней ступени , которые были бы необходимы , чтобы подтолкнуть его в гелиоцентрическую орбиту было запрещено использовать Shuttle. Ракеты- носители « Титан» и « Атлас » были отменены по причинам стоимости. После модернизации и облегчения он был запущен ракетой-носителем Delta II . Перед запуском он назывался Space Infrared Telescope Facility (SIRTF).

История программы

Космический телескоп Хаббла

История космического телескопа Хаббла восходит к 1946 году, когда астроном Лайман Спитцер написал статью « Астрономические преимущества внеземной обсерватории» . Спитцер посвятил большую часть своей карьеры созданию космического телескопа.

Миссии орбитальной астрономической обсерватории 1966–1972 годов продемонстрировали важную роль, которую космические наблюдения могут играть в астрономии. В 1968 году НАСА разработало твердые планы создания космического телескопа - отражателя с 3-метровым зеркалом, известного как Большой орбитальный телескоп или Большой космический телескоп (LST), запуск которого намечен на 1979 год. Конгресс в конечном итоге одобрил финансирование в размере 36 долларов США. миллионов на 1978 год, и всерьез началась разработка LST, нацеленная на дату запуска в 1983 году. В начале 1980-х годов телескоп был назван в честь Эдвина Хаббла .

Программа гамма-излучения

Профили гамма-всплесков, записанные CGRO.

Гамма-лучи были исследованы над атмосферой во время нескольких ранних космических миссий. В 1977 году в рамках программы «Обсерватория высоких энергий» НАСА объявило о планах строительства «большой обсерватории» для гамма-астрономии . Гамма-обсерватория (GRO), переименованная в Гамма-обсерваторию Комптона (CGRO), была разработана с учетом основных достижений в технологии детекторов в 1980-х годах. После 14 лет усилий 5 апреля 1991 года была запущена CGRO.

История рентгеновской обсерватории Чандра

В 1976 году Риккардо Джаккони и Харви Тананбаум предложили НАСА рентгеновскую обсерваторию Чандра (в то время называемую AXAF) . Предварительные работы начались в следующем году в Центре космических полетов им. Маршалла (MSFC) и Смитсоновской астрофизической обсерватории (SAO). Тем временем, в 1978 году НАСА запустило на орбиту первый рентгеновский телескоп, обсерваторию Эйнштейна (HEAO-2). Работа над проектом Chandra продолжалась в течение 1980-х и 1990-х годов. В 1992 году для снижения затрат космический корабль был модернизирован. Четыре из двенадцати запланированных зеркал были ликвидированы, как и два из шести научных инструментов. Запланированная орбита Чандры была изменена на эллиптическую, достигнув одной трети пути до Луны в самой дальней точке. Это исключило возможность улучшения или ремонта космического корабля "Шаттл", но поместило обсерваторию выше радиационных поясов Земли на большей части ее орбиты.


История Spitzer

К началу 1970-х астрономы начали рассматривать возможность размещения инфракрасного телескопа над затемняющими эффектами атмосферы Земли . Большинство ранних концепций предполагали повторные полеты на борту космического корабля НАСА. Этот подход был разработан в эпоху, когда предполагалось, что программа Shuttle способна поддерживать еженедельные полеты продолжительностью до 30 дней. В 1979 году в отчете Национального исследовательского совета Национальной академии наук «Стратегия космической астрономии и астрофизики на 1980-е годы» объект инфракрасного телескопа шаттла (SIRTF) был определен как «одно из двух основных астрофизических объектов, которые [будут разработаны] для Spacelab. , "Челночная платформа.

Запуск инфракрасного астрономического спутника класса Explorer, предназначенного для проведения первого инфракрасного обзора неба, привел к появлению инструмента, использующего новую технологию инфракрасного детектора. К сентябрю 1983 года НАСА рассматривало «возможность длительной [бесплатной] миссии SIRTF». Полет Spacelab-2 на борту STS-51-F в 1985 году подтвердил, что среда Шаттла не очень хорошо подходит для бортового инфракрасного телескопа, а конструкция для свободного полета была лучше. Первое слово в названии было изменено с « Шаттл», и теперь он будет называться « Космический инфракрасный телескоп» .

Великая обсерватория происхождения

Концепция программы Большой обсерватории была впервые предложена в отчете NRC 1979 г. «Стратегия космической астрономии и астрофизики на 1980-е годы». Этот отчет заложил существенную основу для Великих обсерваторий и проводился под председательством Питера Мейера (до июня 1977 г.), а затем Харлана Дж. Смита (через публикацию). В середине 1980-х годов ее продвигали все директора астрофизических отделов штаб-квартиры НАСА , в том числе Фрэнк Мартин и Чарли Пеллерин. Программа НАСА «Великие обсерватории» использовала четыре отдельных спутника, каждый из которых был разработан для покрытия определенной части спектра способами, недоступными для наземных систем. Эта перспектива позволила рассматривать предложенные рентгеновские и инфракрасные обсерватории как продолжение астрономической программы, начатой ​​Хабблом и CGRO, а не как конкурентов или замену.

Сильные стороны

Составное изображение Крабовидной туманности Чандра, Хаббл и Спитцер (2009 г.)

Каждая обсерватория была спроектирована так, чтобы продвигать уровень технологий в предполагаемом диапазоне длин волн. Поскольку атмосфера Земли препятствует проникновению рентгеновских лучей , гамма-лучей и дальнего инфракрасного излучения на землю, космические миссии были необходимы обсерваториям Комптон, Чандра и Спитцер.

Хаббл также извлекает выгоду из того, что он находится над атмосферой, поскольку атмосфера размывает наземные наблюдения за очень слабыми объектами, уменьшая пространственное разрешение (однако более яркие объекты могут быть отображены с гораздо более высоким разрешением, чем Хаббл с земли, с использованием астрономических интерферометров или адаптивной оптики ). Более крупные наземные телескопы только недавно сравнялись с Хабблом по разрешающей способности для длин волн слабых объектов в ближнем инфракрасном диапазоне. Нахождение над атмосферой устраняет проблему свечения атмосферы , позволяя Хабблу проводить наблюдения за ультратонкими объектами. Наземные телескопы не могут компенсировать свечение ультратонких объектов, поэтому для очень слабых объектов требуется громоздкое и неэффективное время экспозиции. Хаббл может также наблюдать в ультрафиолетовых длинах волн, которые не проникают в атмосферу.

Комптон наблюдается в гамма-лучах, которые не проникают в нижнюю атмосферу. Он был намного больше, чем любые гамма-приборы, использованные в предыдущих миссиях HEAO , что открывало совершенно новые области наблюдения. У него было четыре инструмента, охватывающих диапазон энергий от 20 кэВ до 30 ГэВ , которые дополняли друг друга по чувствительности, разрешению и полям обзора. Гамма-лучи испускаются различными источниками высокой энергии и высокой температуры, такими как черные дыры , пульсары и сверхновые .

Точно так же у Чандры не было наземных предшественников. Он последовал за тремя спутниками программы НАСА HEAO , особенно за очень успешной обсерваторией Эйнштейна , которая первой продемонстрировала силу скользящего падения, фокусирующую рентгеновскую оптику , давая пространственное разрешение на порядок лучше, чем коллимированные инструменты (сравнимые с оптическими приборами). телескопы) с огромным улучшением чувствительности. Большой размер, высокая орбита и чувствительность ПЗС Чандры позволили наблюдать очень слабые источники рентгеновского излучения.

Спитцер также ведет наблюдения на длинах волн, недоступных для наземных телескопов. Ему предшествовали меньшая миссия НАСА IRAS и большой телескоп ISO Европейского космического агентства (ЕКА) . В приборах Спитцера использовались преимущества быстрого прогресса в технологии инфракрасных детекторов со времен IRAS, в сочетании с его большой апертурой, благоприятными полями обзора и долгим сроком службы. Соответственно, результаты науки были выдающимися. Инфракрасные наблюдения необходимы для очень далеких астрономических объектов, где весь видимый свет смещен в красную сторону до инфракрасных длин волн, для холодных объектов, излучающих мало видимого света, и для областей, оптически закрытых пылью.

Влияние

Все четыре телескопа оказали существенное влияние на астрономию. Открытие новых диапазонов волн для наблюдений Комптона, Чандры и Спитцера с высоким разрешением и высокой чувствительностью произвело революцию в нашем понимании широкого спектра астрономических объектов и привело к обнаружению тысяч новых интересных объектов. Хаббл имел гораздо большее влияние на публику и средства массовой информации, чем другие телескопы, хотя в оптических длинах волн Хаббл обеспечил более скромное улучшение чувствительности и разрешения по сравнению с существующими инструментами. Способность телескопа Хаббла создавать однородные высококачественные изображения любого астрономического объекта в любое время позволяет проводить точные обзоры и сравнения большого количества астрономических объектов. В Hubble Deep Field наблюдения были очень важны для изучения далеких галактик, так как они обеспечивают покоя кадры ультрафиолетовых изображения этих объектов с таким же количеством пикселей через галактику , как предыдущие ультрафиолетовыми образа близких галактик, позволяя прямое сравнение. Космический телескоп Джеймс Уэбб обеспечит еще больший шаг вперед, обеспечивая покоя кадра видимые световые изображения из еще более далеких галактик , которые могут быть непосредственно по сравнению с изображениями соседних галактик на длинах волн видимого света.

Синергия

Помеченный космический снимок, на котором сравниваются виды остатка сверхновой, полученные тремя разными Великими обсерваториями.

Помимо присущих миссиям возможностей (особенно чувствительности, которые не могут быть воспроизведены наземными обсерваториями), программа Великих обсерваторий позволяет миссиям взаимодействовать для большей отдачи от науки. Разные объекты светятся на разных длинах волн, но обучение двух или более обсерваторий на одном объекте позволяет получить более глубокое понимание.

Исследования высоких энергий (в рентгеновских и гамма-лучах) пока имели лишь умеренное разрешение изображения. Изучение рентгеновских и гамма-объектов с помощью Хаббла, а также Чандры и Комптона дает точные данные о размерах и местоположении. В частности, разрешение Хаббла часто позволяет различить, является ли цель автономным объектом или частью родительской галактики, и находится ли яркий объект в ядре, рукавах или гало спиральной галактики . Точно так же меньшая апертура Спитцера означает, что Хаббл может добавлять более тонкую пространственную информацию к изображению Спитцера.

Ультрафиолетовые исследования с телескопом Хаббла также показывают временные состояния высокоэнергетических объектов. Рентгеновские лучи и гамма-лучи труднее обнаружить с помощью современных технологий, чем видимое и ультрафиолетовое. Следовательно, Чандре и Комптону потребовалось большое время интегрирования, чтобы собрать достаточно фотонов. Однако объекты, которые светятся в рентгеновских и гамма-лучах, могут быть небольшими и могут изменяться во времени в минутах или секундах. Такие объекты затем требуют отслеживания с помощью телескопа Хаббла или Rossi X-ray Timing Explorer , который может измерять детали в угловых секундах или долях секунды из-за различий в конструкции. Последний полный год работы Росси был 2011 год.

Способность Спитцера видеть сквозь пыль и густые газы хороша для наблюдений за ядрами галактик. Массивные объекты в сердцах галактик сияют в рентгеновских, гамма-лучах и радиоволнах, но инфракрасные исследования этих затененных областей могут выявить количество и положение объектов.

Между тем у Хаббла нет ни поля зрения, ни времени для изучения всех интересных объектов. Достойные цели часто обнаруживаются с помощью наземных телескопов, которые дешевле, или с помощью небольших космических обсерваторий, которые иногда специально предназначены для покрытия больших участков неба. Кроме того, другие три Великие обсерватории обнаружили новые интересные объекты, заслуживающие внимания Хаббла.

Одним из примеров синергии обсерваторий являются исследования Солнечной системы и астероидов . Маленькие тела, такие как маленькие луны и астероиды, слишком малы и / или далеки, чтобы их мог непосредственно разрешить даже Хаббл; их изображение выглядит как дифракционная картина, определяемая яркостью, а не размером. Однако Хаббл может определить минимальный размер, зная альбедо тела . Максимальный размер может быть определен Спитцером, зная температуру тела, которая в значительной степени известна по его орбите. Таким образом, истинный размер тела заключен в скобки. Дальнейшая спектроскопия Спитцера может определить химический состав поверхности объекта, что ограничивает его возможные альбедо и, следовательно, делает более точную оценку малых размеров.

На противоположном конце лестницы космических расстояний наблюдения, сделанные с помощью Хаббла, Спитцера и Чандры, были объединены в Deep Survey Great Observatories Origins, чтобы получить многоволновую картину формирования и эволюции галактик в ранней Вселенной .

  • Конец 1991 года: работа Хаббла и Комптона
  • Конец 1999: Операция Хаббла, Комптона и Чандры.
  • Середина 2000 года: операция Хаббла и Чандры
  • Конец 2003 года: работа телескопов Хаббл, Чандра и Спитцер
  • Начало 2020 года: работа телескопов Хаббла и Чандры

Синергетические открытия

Когда великие обсерватории работали вместе, чтобы сделать особые открытия или наблюдения:

Как сообщалось в марте 2016 года, Спитцер и Хаббл использовались для открытия самой далекой из известных галактик GN-z11 . Этот объект был таким, каким он появился 13,4 миллиарда лет назад. ( Список самых далеких астрономических объектов )

Преемники инструментов GO

IXO рассматривался как возможная будущая рентгеновская обсерватория.
  • Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), ранее известный как NGST (Космический телескоп следующего поколения), планируется запустить в октябре 2021 года и будет работать одновременно с Хабблом до завершения его миссии. Его сегментированное разворачивающееся зеркало будет более чем в два раза шире, что заметно увеличит угловое разрешение и резко повысит чувствительность. В отличие от Хаббла, JWST будет вести наблюдения в инфракрасном диапазоне, чтобы проникать в пыль на космологических расстояниях. Это означает, что он сохранит некоторые возможности Спитцера, в то время как некоторые возможности Хаббла будут потеряны в видимом и особенно ультрафиолетовом диапазонах волн. JWST превзойдет Spitzer в ближнем инфракрасном диапазоне, а космическая обсерватория Herschel Европейского космического агентства , работающая с 2009 по 2013 год, превзойдет Spitzer в дальнем инфракрасном диапазоне. Воздушная платформа SOFIA ( стратосферная обсерватория инфракрасной астрономии ) осуществляет наблюдения в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне. SOFIA имеет большую апертуру, чем Spitzer, но меньшую относительную чувствительность.
  • Космический гамма-телескоп Ферми , ранее называвшийся GLAST, космический телескоп большой площади с гамма-лучами , является продолжением космического телескопа Комптона, запущенного 11 июня 2008 года. GLAST имеет более узкое определение и намного меньше; он будет нести только один основной инструмент и дополнительный эксперимент. Другие миссии, такие как HETE-2 , запущенная в 2000 году, и Swift , запущенная в 2004 году, дополнят GLAST. Реувен Рамати High Energy Solar спектроскопические Imager (RHESSI), запущенный в 2002 году, отмечает в некоторых длинах волн Комптона и Chandra, но указал на Солнце во все времена. Иногда он наблюдает за высокоэнергетическими объектами, которые оказываются в поле зрения вокруг Солнца .
  • Другой крупной обсерваторией высоких энергий является INTEGRAL , Европейская международная лаборатория гамма-астрофизики, запущенная в 2002 году. Она ведет наблюдения на частотах, аналогичных Комптоновским. ИНТЕГРАЛ использует принципиально иную телескопическую технологию - маски с кодированной апертурой. Таким образом, его возможности дополняют Комптона и Ферми.
Архитектура Calisto для SAFIR была одной из концепций будущего дальнего инфракрасного телескопа.

Более поздние программы

Следующая большая обсерватория

В 2016 году НАСА начало рассматривать четыре различных флагманских космических телескопа : Миссия по визуализации обитаемых экзопланет (HabEx), Большой УФ-оптический инфракрасный Surveyor (LUVOIR), Космический телескоп Origins (OST) и рентгеновская обсерватория Lynx . В 2019 году четыре команды передадут свои окончательные отчеты в Национальную академию наук , независимый комитет по декадному обзору которой дает НАСА рекомендации относительно того, какая миссия должна стать приоритетной. Отбор состоится в 2021 году, а запуск начнется примерно в 2035 году.

Галерея

Смотрите также

Примечания и ссылки

Внешние ссылки