На 14 май Европа изстрелва най-големия телескоп в Космоса - 3,5 метровия "Хершел". С огромното си огледало той ще регистрира инфрачервено излъчване от прашните и студени райони във Вселената. То се поглъща от атмосферата и не стига до наземните телескопи.
Сър Уилям Хершел (1738-1822) е германски музикант, а по-късно британски астроном, който открива планетата Уран. Друго много важно откритие, което той прави през 1800 г., е на инфрачервеното лъчение. Името "Хершел" бе избрано за телескопа през 2000 г. - точно 200 години по-късно.
"Хершел" е нов вид човешко око в Космоса. С него ще стане възможен нов вид изследване на планетите, спътниците, астероидите и кометите в Слънчевата система. Той ще отвори и нов прозорец в разбирането ни за раждането на звездите и техния еволюционен цикъл, за развитието на галактиките и епохата на бурно звездообразуване. Ще може да улови изключително слабите сигнали от най-далечни галактики, обвити в прах и излъчващи от зората на времето, когато Вселената е била съвсем млада.
Този колосален научен проект за 1,1 млрд. евро бе започнат преди повече от 10 г. В него участват лаборатории и институти от повечето държави, членки на Европейската космическа агенция, от Канада, както и НАСА.
Техническите предизвикателства бяха огромни и изискваха нови технологии, тестване на всичко до най-малките детайли в лаборатории, възпроизвеждащи суровите условия в Космоса.
Как ще работи
Апаратът има 3 секции. Първата е огледалният телескоп, защитен с екран от слънчевата светлина. Той фокусира светлината върху втората секция - гигантски термично изолиран контейнер, наречен криостат. В него има 3 инструмента и около 2000 л хелий в свръхтечно състояние с температура малко под минус 271 градуса по Целзий, за да поддържа инструментите максимално чувствителни. Те са полезният товар в секцията.
Най-отдолу е сервизният модул. В него е електрониката на уредите, осигуряващи управлението на сателита и връзката със Земята.
Събиране на лъчи
Огледалото улавя излъчването на обектите в Космоса и го насочва към второ, по-малко огледало. Оттам, фокусирано, то се насочва към инструментите, те засичат инфрачервената светлина и я записват в паметта на компютър. Огледалото на "Хершел" е най-голямото, изработено за космически телескоп. От размера му зависи чувствителността на телескопа - колкото е по-голямо, толкова повече светлина събира и толкова по-слаби обекти вижда. Този размер определя и способността на телескопа да различава дребни детайли. Повърхността също е важна. Тя трябва да бъде прецизно оформена и абсолютно гладка, иначе се изкривява крайното изображение. Допустимата неравност е до една хилядна от милиметъра.
Огледалото трябва да е много леко (както и всичко в сателита) и много издръжливо, за да понесе екстремните условия при изстрелването и космическия студ.
"Хершел" има 3 уреда за засичане и анализ на инфрачервеното излъчване по различни начини и в различни спектрални диапазони - от 60 до 670 микрона. Инструментите превръщат телескопа от прост събирач на светлина в комплект технологични очи. Всеки си има специални детектори (болометри), които регистрират попадналото върху тях излъчване. Те са ретината на "Хершел".
Най-студените детектори
Болометрите трябва да се охладят докрай, за да не бъдат по-топли от лъчите, които ще улавят. Понеже температурата на някои обекти в Космоса е само с няколко градуса над абсолютната нула (-273,15 градуса С или 0 К), да ги наблюдаваме с по-топъл инструмент ще бъде като да гледаме звезда посред бял ден на ярката слънчева светлина.
Детекторите ще се охлаждат от свръхтечен хелий с температура около -271 градуса С. За повечето болометри е нужно допълнително охлаждане до минус 272,85 градуса С - сaмо 0,3 градуса над абсолютната нула. Това се постига чрез специален охладител, базиран на изпарението на изотоп на хелия.
Ролята на криостата е фундаментална, защото определя колко време ще работи обсерваторията. Хелият се изпарява с постоянна скорост и ще изпразва резервоара. Той ще свърши след около 4 г., инструментите ще почнат да се нагряват и "Хершел" ще си развали зрението. Но данните от него ще дадат работа на астрономите за десетилетия.
"Хершел" ще полети заедно с телескопа "Планк", който ще изучава космическия микровълнов фон. Двата уреда са с размери 11 на 4,5 м и тежат към 5700 кг. Ще пътуват с ракета "Ариана-5". "Хершел" и "Планк" ще се разделят след изстрелването и ще се запътят към различни орбити. После ще се управляват поотделно.
"Хершел" ще пътува около 3 месеца до крайната си позиция в орбита около виртуална точка в пространството, известна като втора точка на Лагранж (L2) в системата Земя-Слънце. Тази точка е на 1,5 милиона км от Земята (около 4 пъти разстоянието до Луната) в посока, обратна на Слънцето. Той отива там, за да остави зад гърба си обектите със силно и смущаващо уредите излъчване - Земята, Луната и Слънцето, и да ги екранира чрез защитен щит. Телескопът ще е винаги обърнат с щита към Земята и Слънцето. Така голяма част от небето става достъпна за наблюдения, а самият щит ще служи и за слънчев панел, който да дава енергия за уредите и механизмите.
"Хершел" ще е в орбита с радиус 350 000 км около точката L2. Там орбитите са нестабилни и затова всеки месец ще се правят маневри за корекция.
Обсерваторията "Хершел" ще направи революция в представите ни за Вселената.
Прашната Вселена
Човешките очи не улавят повечето видове лъчение от спектъра. Те не могат да видят нито инфрачервеното, нито ултравиолетовото, да не говорим за рентгеновото или радиолъчението. А природните явления имат различни проявления според частта от спектъра, в която ги наблюдаваме. Човешкото зрение ни дава само част от картината. Същото е с телескопите - оптичните засичат само видимата светлина, а и земната атмосфера поглъща по-голямата част от излъчването в останалите области на спектъра и го прави недостъпно за наблюдения. Предишните инфрачервени сателити позволиха на астрономите да зърнат инфрачервеното лице на Вселената. Ако една звезда е забулена в прах, оптичен телескоп не може да я види, а инфрачервеният ще засече нейното лъчение, тъй като нагретият прах излъчва в инфрачервената област.
Прахът в Космоса е от молекули и частици с размер под 100 микрона. Толкова големи са и частиците в цигарения дим, но плътността им (брой частици на кубик) в него е на много, много порядъци по-висока от плътността на космическия прах.
"Хершел" ще лови даже излъчването на самия прах. Това е една от причините да бъде смятан за идеалния инструмент при изучаване на сблъсъка на галактики, което често предизвиква бурно звездообразуване в прашните райони, а те понякога излъчват само в инфрачервено.
Разгадаване на галактиките
Днес Вселената е пълна с галактики. Те са разпределени по нишките на огромната й паяжина - нишки, които обгръщат гигантски празнини. Според типа си галактиките съдържат от стотици милиони до стотици милиарди звезди.
Но не винаги е било така. Някога галактики не е имало. Астрономите отдавна се питат: как и кога са се образували те, дали не е било в един и същ момент от космическата история и първите галактики като днешните ли са били?
Звездите също пораждат въпроси: дали са се образували първи, групирайки се после в галактики, или, обратно, първо са се образували млади галактики от облаци газ и после той е кондензирал в звезди?
Тези въпроси все още са непроницаеми, но са ключови за днешната астрономия. Все пак пионерни сателити като Инфрачервената космическа обсерватория (ISO) помогнаха да се добие обща представа.
Известно време след Големия взрив са се образували звездите, вероятно в малки купове, които с времето се сливат и нарастват. Това натрупване на материя ускорява образуването на повече звезди, а те в края на живота си произвеждат прах, който на свой ред служи за формиране на още звезди. Дотогава първите галактики вече са формирани като струпвания на звездни купове. Тези галактики често се сблъскват и се сливат, образувайки по-големи галактики. Всеки сблъсък предизвиква период на интензивно образуване на звезди. За да потвърдят и допълнят тази картина, учените чакат "Хершел" да види излъчване от нагрят при най-активното звездообразуване прах.
Звезди от тъмни и студени облаци
Звездите са свенливи, поне в началото на живота си. Те се зачеват в дебели пашкули от прах, които ги крият до момента на "излюпването". В предзвездното ядро, както се наричат тези пашкули, гравитацията сгъстява газа и праха в центъра му. Това ги нагрява. Топлината трябва да се излъчи в околното пространство, преди ембрионът на звездата да се свие рязко и да завърши образуването си.
Прашната покривка и много ниските температури правят предзвездните ядра невидими за всички телескопи, освен за тези, които събират радио- и инфрачервено излъчване. "Хершел" е такъв.
Рецепта за планета
Да се направи планета е просто. След като звездата се роди, остатъци от газ и прах продължават да се въртят около нея и образуват протопланетен диск. Праховите частици в този диск са семената на бъдещите планети. След като прахът се е свил и е образувал планета, дискът изчезва. Остава само тънък прашен пръстен. В Слънчевата система има такива остатъци от прах и излъчването му се нарича зодиакална светлина.
И дисковете, и пръстените са предпочитани цели на инфрачервените космически телескопи. Оказва се, че да се образуват планети около звездите е обичайно събитие. Тънки дискове от останки има около почти всички млади звезди. Астрономите смятат, че процесът на образуване на планети в тези дискове още не е завършил и малки тела като кометите все още доставят леден материал на новите планети. "Хершел" ще изследва това в дълбочина.
Произход на Слънчевата система
Слънчевата система се е образувала преди 4,5 млрд. години от мъглявина. Този облак е съдържал материал, послужил и за Слънцето. За да възстановят как е протекъл този процес, астрономите трябва да изучат химическия състав на планетните атмосфери и повърхности, но най-вече състава на кометите. Те са от воден лед, метан и въглероден диоксид и са най-добрите останки от ранната Слънчева система, защото пазят материал от протослънчевата мъглявина. В планетните атмосфери първите съставки са променени от последващите химични реакции, но в кометите те са дълбоко замразени.
Изучаването на състава на кометите ще обясни и как са възникнали океаните на Земята. Има хипотези, че падналите комети и астероиди са донесли по-голямата част от водата. Чувствителността на "Хершел" ще позволи анализа на състава на всички тела в Слънчевата система.
Химия на Вселената
Звездитеса химическите заводи на Вселената. Повечето елементи са създадени в термоядрени огньове в ядрата на звездите. Съединенията, включително и жизненоважните, са създадени около звездите. Там има огромни количества вода и сложни въглеродни молекули, които заедно представляват градивните частици на живота. Човекът и всички живи системи са буквално звезден прах.
Повечето молекули показват химическия си подпис в инфрачервената област на спектъра. Това прави "Хершел" идеален за откриването им. Той ще изучи химията на много места във Вселената - в звездите и техните околности, в Млечния път и в други близки галактики. Ще наблюдава богати на химични съединения обекти като молекулярните облаци, в които са открити стотици различни молекули. Някои от тези молекули имат нужда от празното пространство, за да съществуват. На Земята те бързо биха реагирали с други и затова могат да бъдат създадени само в лаборатории.
ИВАН ВЪЛЧАНОВ
от научния център на телескопа “Хершел”, специално за “24 часа”
---------
*Авторът е завършил астрономия в Софийския университет. Работил е няколко години като научен сътрудник в Института по астрономия при БАН. През 2003 г. защитава докторат в Париж и след 2 г. специализация в "Импириъл колидж" в Лондон спечелва конкурс за научен отговорник на единия от инструментите на телескопа "Хершел" към Европейската космическа агенция.