Телескоп Hubble был запущен 35 лет назад
Телескоп Hubble стал одним из самых ценных и успешных научных инструментов в мировой истории. На его счету бесчисленное множество открытий, и более миллиона научных статей в конечном итоге ссылаются на Hubble. Однако самым заметным вкладом телескопа в науку стало открытие темной материи — неизвестной сущности, которая заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Почему Hubble так важен и какую роль в его создании сыграла американская разведка — в материале «Газеты.Ru».
Племянник ЦРУ
Во второй половине 1970-х годов США запустили в космос серию революционных разведывательных спутников KH-11. Их разрешение позволяло разглядеть на земле объекты размером до нескольких сантиметров — «недостаточно, чтобы разглядеть лицо», как выразился один американский астроном, но достаточно для всего остального. И хотя все аппараты KH-11 были созданы в интересах ЦРУ в качестве оружия Холодной войны, в этом семействе есть один непризнанный член, выбравший другую сферу интересов, — телескоп Hubble.
О крупном телескопе, вращающемся на околоземной орбите, астрономы мечтали с 1920-х годов, и на то были две серьезные причины.
Во-первых, земная атмосфера сильно ограничивает видимость — даже невооруженным глазом можно заметить, как «шевелящийся» воздух в жаркую погоду искажает очертания далеких объектов. Астрономы страдают от этого эффекта даже в самую ясную погоду, а вывод телескопа за пределы атмосферы дал бы возможность улучшить качество изображения минимум раз в десять.
Во-вторых, значительная часть излучения в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах в целом плохо проходит сквозь земную атмосферу, и вынос телескопа в космос остается единственным реалистичным вариантом получить хорошее изображение. Считалось, что телескоп с главным зеркалом диаметром три метра удовлетворит все потребности ученых на долгие десятилетия.
Аппарат должен был получиться уникальным, но в этом и заключалась проблема: когда все детали изготавливаются на заказ в единственном экземпляре, цена проекта становится запредельно дорогой — баснословной по меркам научных проектов тех времен. Тогда американское государство предложило ученым решение: слегка изменить проект и сильно сократить стоимость за счет использования готовых деталей и решений.
Детали этого обмена технологиями до сих пор неизвестны. Ясно лишь, что в американских технических журналах фотографии телескопа Hubble часто используют в качестве иллюстрации облика KH-11, так как аппараты двух типов почти совпадают по габаритам, а специалисты говорят об их конструктивном сходстве (хотя наверняка узнать об этом не получится, пока спутники-шпионы не рассекретят).
В первую очередь, Hubble позаимствовал у KH-11 главное зеркало: слегка вогнутый толстый диск диаметром 2,4 метра с отверстием в центре, вырезанный из специального стекла и отполированный до идеальной формы с точностью до десяти нанометров на заводах компании PerkinElmer. Человеческие руки, разумеется, на такое не способны, и потому полировали его машины с компьютерным управлением.
С этим был связан серьезный инцидент. PerkinElmer посчитала гражданский проект второстепенным и направила на него кадры по остаточному принципу. В результате рабочие неправильно собрали нуль-корректор, которым проверяют кривизну зеркала, а увидев зазор при сборке, компенсировали его дополнительной шайбой. В результате зеркало было отполировано с идеальной точностью, но до неправильной формы, и зрение телескопа оказалось мутным. Вскрылось это только после запуска аппарата 25 апреля 1990 года. Спасти проект удалось, установив в телескоп на место одного из научных приборов «очки», компенсировавшие неправильную форму зеркала, для чего на орбиту пришлось запускать специальную миссию «Шаттла».
Все дальше от звезд
В научных приборах кроется главное различие Hubble и KH-11. Если для ЦРУ достаточно получить фотографию земной поверхности, то современным астрономам простые фотографии звездного неба, даже самые четкие, говорят не так много. Поэтому камеры Hubble содержат множество сменных светофильтров для съемки в нужном диапазоне, а дополняют их несколько спектрометров, способных сделать вывод о свойстве звезды по особенностям ее излучения.
Научный результат проекта превзошел все ожидания, поскольку телескоп ответил даже на те вопросы, которые не были сформулированы в момент его проектирования. С момента запуска аппарата до 2024 года на основе полученных от Hubble данных написали 21 тысячу научных работ, а еще 1,2 млн на них ссылаются. Статьи на основе данных Hubble дают, в среднем, в два раза больше цитат, чем любые другие астрономические, при том что этот телескоп далеко не единственный хороший инструмент наблюдения за космическим пространством.
Если отвлечься от абстрактных цифр и перейти к конкретным революционным открытиям, сделанным с помощью телескопа, то их все равно будет очень много. Это и подтверждение существования сверхмассивных черных дыр в центре почти каждой галактики, и открытие двух новых лун Плутона, и наблюдение за тем, как из туманностей формируются звезды и планеты, и съемка падения кометы Шумейкеров — Леви 9 на Юпитер, и многое другое.
Из этого списка можно выделить два открытия, тесно переплетенных между собой и связанных с исследованием красного смещения, одно из которых, без преувеличения, перевернуло астрофизику и представления о Вселенной.
Еще в начале XX века астрономы обнаружили, что свет от далеких астрономических объектов будто бы смещается в красную часть спектра, и чем дальше объект, тем он краснее. Из этого следовало, что источники этого света удаляются от Земли, а поскольку удаляются они все и одновременно, значит, расширяется сама Вселенная, будто бы надувается, как воздушный шар.
Модель расширяющейся Вселенной стала общепринятой для астрономов еще в первой половине XX века, но к ней было два основных вопроса. Во-первых, если Вселенная расширяется, то если «отмотать» время назад, когда-то она была крайне компактной, но потом взорвалась. Необходимо было вычислить, когда именно произошел этот Большой взрыв. Во-вторых, неясно будущее: не остановит ли со временем расширение сила гравитации, сменив его сжатием?
Для ответа на вопрос о том, как давно был Большой взрыв и как быстро отдаляются друг от друга галактики, астрономы использовали много разных методов и инструментов, но решающую роль в этом сыграл Hubble. Ученые проанализировали сделанные им снимки 19 различных галактик и выделили в них цефеиды — пульсирующие звезды, чья истинная яркость связана с периодом пульсации, который может варьироваться от дней до недель. После того, как астрономы определили яркость, исходя из периодичности пульсаций, они могут сравнить расчетную яркость с видимой и вычислить расстояние, поскольку чем дальше источник, тем он тусклее.
Но это был не конец работы. Цефеиды видны на сравнительно небольшом расстоянии — около сотен миллионов световых лет. На более дальних дистанциях хорошо заметны сверхновые типа Iа, обладающие интересным свойством: они всегда вспыхивают на месте белых карликов по достижении одних и тех же условий, а потому и пиковая яркость их вспышки всегда одинакова. Это позволяет определить дистанцию до них, но чтобы этот метод работал с высокой точностью, требовалась его калибровка, которая была проведена по тем галактикам, где есть и цефеиды, и сверхновые Iа.
В результате ученым удалось измерить точные расстояния до множества далеких галактик и вычислить, что Большой взрыв произошел примерно 13,8 млрд лет назад. До детального анализа данных Hubble в 1990-х годах его оценивали как «от 7 до 20 млрд лет». С учетом того, что самой Земле примерно 4,5 млрд лет, разброс довольно большой. Но это было не самое шокирующее открытие.
В 1994 году была сформирована международная исследовательская группа по исследованию сверхновых с высокими значениями красного смещения. Их работа была важной, но рутинной — планировалось уточнить этот параметр для самых видимых сверхновых типа Iа, чтобы строить более надежные модели и проводить более точные наблюдения.
В 1998 году в ходе одного из наблюдений с помощью Hubble выяснилось, что самые далекие звезды убегают от Земли быстрее, чем должны. Анализ этих данных показал: расширение Вселенной не только не замедляется из-за гравитации, а непрерывно ускоряется, будто ее распирает изнутри некая сила.
За эту работу в 2011 году Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Рисс получили Нобелевскую премию по физике.
С точки зрения существовавших на тот момент теорий это был абсурд, но наблюдения были слишком точны, чтобы ученые поверили в ошибку. В результате в теоретической физике родилась концепция темной энергии — неизвестной сущности, которая распределена по Вселенной и расталкивает скопления галактик между собой. Для простоты можно представить ее как субстанцию, порождающую антигравитацию, то есть гравитационное отталкивание.
В наши дни исследование природы темной энергии считается задачей тысячелетия для физиков и астрономов. На данный момент неясно даже, существует ли она в форме каких-то экзотических частиц или является фундаментальным свойством пространства, проявляющимся на сверхбольших расстояниях.
Вот какие большие последствия оказались у партнерства астрономов с американской разведкой.