Как космические телескопы видят то, что наземные обсерватории не могут видеть

Свет от звезд и галактик путешествует по Вселенной во многих формах, а не только в видимых цветах, которые может видеть человеческий глаз. Ультрафиолетовый, инфракрасный, рентгеновский и гамма-лучевой свет несут информацию о горячих молодых звездах, холодных облаках пыли, взорвавшихся звездах и черных дырах. Однако земная атмосфера поглощает или искажает большую часть этого света, прежде чем он достигнет земли, согласно НАСА и Европейскому космическому агентству (ЕКА).

Почему земная атмосфера является барьером

ЕКА объясняет, что атмосфера создает две отдельные проблемы для инфракрасной астрономии. Во-первых, она поглощает большую часть инфракрасных длин волн целиком, позволяя только нескольким узким полосам достигать наземных телескопов. Во-вторых, сама атмосфера светится в инфракрасном диапазоне, часто излучая больше радиации, чем тусклый космический объект, который пытаются изучать астрономы, что погребает сигнал в шуме.

ЕКА также отмечает, что атмосфера блокирует большую часть высокоэнергетического и ультрафиолетового излучения, включая рентгеновские лучи, гамма-лучи и большую часть ультрафиолетовых лучей. НАСА отмечает, что Чандра, его рентгеновская обсерватория, вращается на высоте примерно 139 000 километров (86 500 миль) над Землей — примерно в 200 раз выше, чем Хаббл — специально потому, что рентгеновские лучи никогда не достигают поверхности.

Перемещение телескопа выше атмосферы или далеко от Земли в целом решает обе проблемы сразу: нет воздуха, чтобы поглощать свет, и нет атмосферного свечения, чтобы его затопить.

Разные телескопы, разные световые лучи

Каждая крупная космическая обсерватория настроена на определенную часть спектра. Хаббл, запущенный в 1990 году, наблюдает в основном ультрафиолетовый и видимый свет (0,1–2,5 микрона) и вращается примерно в 300 милях (483 км) над Землей, все еще в пределах досягаемости случайных миссий обслуживания, согласно НАСА. Телескоп Джеймса Вебба, запущенный в декабре 2021 года, предназначен для инфракрасного света и находится гораздо дальше, близко ко второй точке Лагранжа (L2) примерно в одном миллионе миль от Земли, где его собственное тепло и тепло Земли не могут помешать тусклым инфракрасным сигналам, которые он пытается обнаружить.

Главное зеркало Вебба имеет размер 6,5 метра (21,3 фута), в сравнении с 2,4 метра (7,9 фута) у Хаббла, что дает ему более чем в шесть раз большую площадь сбора света. НАСА заявляет, что Вебб может обнаруживать объекты в 100 раз более тусклые, чем может видеть Хаббл. Поскольку расширение Вселенной растягивает свет от самых далеких, самых ранних галактик в инфракрасные длины волн — эффект красного смещения — инфракрасная чувствительность Вебба позволяет ему смотреть дальше назад во времени космоса, чем ультрафиолетовые и видимые приборы Хаббла.

Вебб несет специализированные инструменты для разных инфракрасных диапазонов. Его ближняя инфракрасная камера (NIRCam) охватывает 0,6–5 микронов и служит основным ближним инфракрасным имагером Вебба, согласно странице прибора НАСА. Средний инфракрасный инструмент (MIRI) охватывает 5–28 микронов и сочетает камеру, спектрограф, который разделяет свет на спектр для измерения яркости на каждой длине волны, и коронаграф, который блокирует блеск звезды, чтобы можно было видеть более тусклые планеты поблизости. MIRI требует дополнительного криокулера, чтобы оставаться холоднее, чем остальная часть обсерватории, чтобы его детекторы не были ослеплены собственным остаточным теплом Вебба.

Не каждая космическая обсерватория создает изображения. Космический аппарат ESA Gaia, запущенный 19 декабря 2013 года и размещенный рядом с L2, создает необычайно точную трехмерную карту более двух миллиардов звезд по всему Млечному пути, отслеживая их движения, светимость, температуру и состав, согласно странице миссии Gaia ESA. ESA говорит, что Гайя улучшила точность позиционирования в сто раз по сравнению с ее предшественником, спутником Hipparcos; миссия вступила в фазу постэксплуатации после столкновения с проблемами датчиков и микрометеоритов в 2024 году.

На высокоэнергетическом конце спектра рентгеновская обсерватория Чандра НАСА, запущенная 23 июля 1999 года, обнаруживает рентгеновские лучи от чрезвычайно горячих явлений: взорвавшихся звезд, скоплений галактик и материала, кружащегося вокруг черных дыр, согласно странице астробиологической миссии НАСА.

Собирая части вместе

Ученый проекта Herschel ЕКА Йоран Пильбратт описал ценность инфракрасного наблюдения в частности для изучения того, как образуются звезды и планеты: «Благодаря наблюдениям в инфракрасном диапазоне мы можем изучить, как образуются вещи, самые ранние этапы, потому что процессы образования очень часто происходят в холодных и пыльных местах», сказал он, согласно ЕКА. Инфракрасный свет проходит через облака пыли, которые блокируют видимый свет, позволяя приборам, таким как NIRCam и MIRI Вебба, видеть новорожденные звезды и планеты, скрытые внутри туманностей.

Поскольку ни один единственный телескоп не охватывает весь спектр, астрономы регулярно объединяют данные из нескольких обсерваторий. НАСА описывает Хаббл и Вебба как дополняющих друг друга партнеров, а не соперников: более глубокое инфракрасное зрение Вебба прорезает пыль и газ, в то время как видимое и ультрафиолетовое зрение Хаббла дополняет инфракрасные представления Вебба, вместе создавая более широкие представления одних и тех же объектов.