10 лучших открытий, сделанных космическим телескопом Хаббл
Спустя почти четыре века после изобретения Галилеем телескопа, запуск космического телескопа НАСА "Хаббл" 24 апреля 1990 года положил начало новой революции в астрономии. Спроектированный и разработанный в сотрудничестве НАСА и ЕКА, Хаббл вращается на орбите в 550 км над поверхностью Земли - высота, которая менялась на протяжении многих лет.
Находясь над атмосферой, "Хаббл" способен наблюдать астрономические объекты и явления более детально, чем это могут сделать телескопы на Земле. Камеры и спектрографы HST могут обнаружить близлежащие объекты, такие как сталкивающиеся астероиды, а также галактики из ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва. Наблюдения Хаббла сыграли ключевую роль в открытии и описании ряда космических явлений, которые глубоко изменили наше представление о Вселенной. В честь годовщины 32-летнего пребывания на орбите мы составили неупорядоченный список десяти лучших открытий космического телескопа "Хаббл". Те, за которые его запомнят и которые делают его настоящим рукотворным шедевром.
1. Темная материя и гравитационное линзирование
23% нашей Вселенной состоит из темной материи, которая не испускает светового излучения. Она распределена по всей Вселенной подобно огромной паутине, где длинные нити чередуются с пустыми пространствами. Точки, где плотность темной материи высока, становятся гравитационными ловушками, которые притягивают к себе обычную материю. В этом смысле темная материя направляет светлую материю и определяет ее расположение и последующее формирование звезд и галактик.
Благодаря HST астрономы смогли воспроизвести распределение темной материи в больших масштабах. Чтобы сделать это открытие, Хаббл использовал явление гравитационного линзирования: темная материя вне скоплений галактик может искажать и усиливать свет от далеких галактик и звезд. На самом деле, если они находятся за скоплением галактик вдоль нашей линии видимости, их свет будет искажаться по форме кольца и усиливаться.
Измеряя искажения и рассматривая форму этих изображений, созданных гравитационным линзированием, можно понять, где во Вселенной находится темная материя и где она имеет наибольшую плотность.
2. Протопланетные диски и формирование планет
Одним из самых выдающихся открытий HST, несомненно, является прямое наблюдение многочисленных протопланетных дисков - дисковидных структур, которые окружают звезды на ранних стадиях их жизни. Именно в этом скоплении газа и пыли теоретически возможно образование экзопланет - миров, вращающихся вокруг звезд за пределами Солнечной системы.
Хаббл непосредственно наблюдал эти структуры, особенно в туманности Ориона. Скопление пыли и плазмы можно распознать невооруженным глазом в центре знаменитого Пояса Ориона, который хорошо виден на ночном небе. Но если вы посмотрите глазами Хаббла, то, что вы обнаружите, окажется за пределами воображения. HST завершил крупнейшее прямое наблюдение протопланетных дисков, проанализировав окружение около 200 звезд в этой туманности.
Зрелище, запечатленное Хабблом, можно суммировать в этих 30 изображениях дисков, на которых находятся формирующиеся планеты и изучение которых может пролить свет на то, как возникла наша планетарная система.
В этом атласе можно наблюдать два различных типа дисков:
- близкие к звезде, газ которых светится благодаря теплу звезды;
- те, что находятся дальше, которые можно обнаружить как темные контуры на ярком фоне туманности.
Высокое разрешение HST и близость туманности Ориона к Земле позволили провести беспрецедентные прямые наблюдения этих будущих планетных систем. Это привело к прорыву в изучении этих структур и понимании того, как планетарная система зарождается из крошечных частиц пыли и газа.
3. Экзопланеты
В 1990 году, когда "Хаббл" начал свое путешествие в космос, еще не было открыто ни одной экзопланеты. Теперь НАСА подтверждает обнаружение по меньшей мере 5000. Однако самый важный вклад "Хаббла" в познание инопланетных миров заключается в определении характеристик их атмосфер.
Благодаря HST впервые была идентифицирована молекула в атмосфере планеты за пределами Солнечной системы. Это HD 209458b, расположенный в 150 световых годах от Земли и вращающийся по орбите очень близко к своей звезде-хозяину (6,4 миллиона километров). Хаббл собрал спектр звезды во время транзита планеты перед ней и после ее прохождения. Сравнивая два полученных спектра, можно было обнаружить отпечаток натрия, который не принадлежал звезде в центре системы.
Подобное исследование было проведено и на HD 189733 b, расположенной на расстоянии 63 световых лет от нас. В данном случае анализ Хаббла выявил наличие метана - первой органической молекулы, обнаруженной на экзопланете.
В дополнение к этим выдающимся открытиям, наблюдения Хаббла привели к идентификации нескольких молекулярных видов в атмосферах экзопланет. Наряду с натрием и метаном к ним относятся кислород, углерод, водород, двуокись углерода и водяной пар. Участие HST в изучении экзопланет показало, что органические компоненты, являющиеся основой жизни, могут быть обнаружены на мирах у других звезд, что повышает надежды на обнаружение жизни за пределами Солнечной системы.
4. Вспышки гамма-излучения
Хаббл также внес свой вклад в изучение гамма-всплесков. Такие космические всплески происходят очень редко. Типичная галактика производит несколько штук каждые миллион лет. Однако за несколько секунд они выделяют столько энергии, сколько наше Солнце может произвести за 10 миллиардов лет.
3 июня 2013 года спутник НАСА Swift зафиксировал особенно мощный гамма-всплеск. Длившийся всего десятую долю секунды, GRB был замечен Хабблом десять дней спустя. HST наблюдал инфракрасное свечение на месте взрыва, которое затем исчезло в течение нескольких недель. Это исчезающее свечение было свидетелем другого типа космического взрыва - килоновой. Считается, что это результат слияния двух нейтронных звезд, а та, которую Хаббл обнаружил в том же месте, что и GRB, сообщила исследователям, что гамма-всплески могут быть порождены и этим типом космических событий.
Профессор Ниал Танвир из Лестерского университета говорит: "Хотя Swift обнаружил этот короткий гамма-всплеск, а наблюдения наземных телескопов дали нам его точное местоположение и расстояние, Хаббл был единственным, кто смог обнаружить слабый выброс килоновой".
5. Черные дыры
HST стал известен как "охотник за черными дырами" благодаря своему применению в поисках этих небесных монстров. Черные дыры трудно найти. Их гравитационная сила настолько сильна, что даже свет не может избежать их притяжения. Это делает их "невидимыми". Однако их можно обнаружить, измерив скорость окружающего их материала. Затем можно рассчитать массу этого материала: если она больше, чем у звезд, которые мы видим, то добавление может быть связано с наличием черной дыры.
Способность "Хаббла" измерять скорость газа и звезд, окружающих места, где предположительно находится черная дыра, позволила ему подтвердить наблюдения некоторых сверхмассивных черных дыр, уже считавшихся таковыми. Уже вскоре после запуска в 1990-х годах "Хаббл" смог получить изображения в пять раз более четкие, чем полученные с Земли, что улучшило наше понимание черных дыр. И с удивительными результатами, особенно в отношении сверхмассивных черных дыр.
Доктор Марк Сарзи, руководитель исследований в обсерватории и планетарии Армага, говорит: "Хаббл превратил сверхмассивные черные дыры из экзотической диковинки в неотъемлемую часть нашего понимания формирования галактик. Помимо прочего, в 2020 году "Хаббл" дал ученым возможность найти возможные доказательства существования черных дыр промежуточной массы".
6. Рождение и смерть звезд
Звезды рождаются и умирают в величественных и красочных танцах. Хаббл с его многочисленными фильтрами сделал несколько самых знаковых снимков в истории астрономии.
Места во Вселенной, где рождаются звезды, называются туманностями и представляют собой очень холодные области, наполненные газом и пылью. Процесс формирования начинается, когда несколько сгустков пыли достигают критической массы, что позволяет им разрушиться под действием собственной гравитации. Коллапс может возникнуть случайно, в результате простого колебания плотности внутри туманности, или же из-за внешнего воздействия. Среди наиболее вероятных причин - столкновения с другими туманностями, взрывы сверхновых, ударные волны от черной дыры или даже возмущения от других звезд, формирующихся поблизости.
Изображения, полученные HST, показывают, что зоны звездообразования имеют гораздо более эксцентричную форму, чем считалось ранее, и показывают, как процессы формирования порождают интенсивное ультрафиолетовое излучение, ударные волны и даже энергичные струи. Но Хаббл также сделал одни из первых наблюдений сверхновых. Энергичные взрывы, в результате которых звезды умирают, когда в их ядрах заканчивается топливо.
7. Темная энергия и расширение Вселенной
Около века назад астроном Эдвин Хаббл сформулировал "закон Хаббла", который определяет скорость расширения Вселенной. Она определяет линейную зависимость между расстоянием галактик от нас и скоростью, с которой они удаляются от нас. Значение, которое связывает эти две величины, является "постоянной Хаббла" (H) и определяет скорость расширения нашей Вселенной.
Неточные измерения расстояний или скоростей галактик приводят к неточным значениям H. Эти значения приводят к неправильным расчетам возраста Вселенной.
Телескоп Хаббл сыграл в этом отношении решающую роль. Сравнивая яркость известных объектов в нашей галактике с аналогичными объектами в далеких галактиках, Хаббл позволил нам определить их расстояние с большой точностью. Объединение этих значений с более точными измерениями скорости, полученными с помощью других телескопов, дает нам точные измерения космологической постоянной.
Благодаря HST астрономы также обнаружили, что Вселенная не только расширяется, но и расширяется ускоренными темпами. Считается, что существует "антигравитационная" сила, которая тянет галактики друг от друга, увеличивая пространство между ними и скорость расширения пространства. Астрофизики называют это "темной энергией" и считают, что она пронизывает 70% всей Вселенной.
8. Галактики: распределение и эволюция
Чем более удален от нас наблюдаемый объект, тем больше мы смотрим назад во времени. Причина в том, что скорость света не бесконечна: чтобы добраться до нас из самых дальних уголков Вселенной, требуются миллиарды лет. Благодаря этому механизму HST удалось понять, как галактики эволюционируют с течением времени. Когда мы смотрим на галактики, расположенные дальше, мы видим, что они меньше и имеют более необычную форму, чем галактики в местной Вселенной, которые в основном имеют эллиптическую или спиральную форму.
Используя изображения галактик на разных расстояниях, астрономам удалось реконструировать их эволюцию. Во-первых, считается, что галактики, рожденные в прошлом, были менее обширными. Кроме того, поскольку они родились в меньшей Вселенной, считается, что они были ближе друг к другу. Согласно нескольким исследованиям, такая близость способствовала столкновениям между галактиками, и именно в результате этих столкновений родились более массивные галактики, которые мы видим рядом с нами.
9. Солнечная система: естественные спутники Плутон и Юпитер
Наблюдения Хаббла привели не только к открытиям за пределами Солнечной системы. Фактически, ключевым вкладом этого телескопа стало изучение спутников планет. Самым важным открытием в этой области, несомненно, является обнаружение четырех спутников карликовой планеты Плутон. Хаббл обнаружил четыре спутника вокруг последней, но теперь пониженной планеты Солнечной системы: Никс, Гидра, Керберос и Стикс. Они добавляются к Харону, открытому в 1978 году, гораздо больших размеров, чем объекты, идентифицированные Хабблом.
Первые два спутника были замечены в 2005 году. Последующие исследования, опять же с использованием данных, собранных телескопом, показали, что два спутника хаотично вращаются вокруг планеты из-за гравитационных сил, действующих в системе Плутон-Чарон. Керберос и Стикс были обнаружены в 2011 и 2012 годах соответственно и, вероятно, также имеют такое же хаотичное поведение.
В дополнение к открытию спутников Плутона Хаббл также смог получить ключи к поиску жизни за пределами Земли среди спутников Юпитера. Ганимед, самый большой спутник в Солнечной системе, стал лучшим доказательством существования подземного океана. Наблюдая полярные сияния на Ганимеде под влиянием магнитного поля Юпитера, можно было измерить колебания этих явлений, которые были возможны только при наличии океана в мерзлых недрах.
10. Солнечная система: астероиды и кометы
Среди огромного количества объектов, населяющих Солнечную систему, Хаббл смог наблюдать некоторые причудливые объекты. Одним из них, несомненно, является шестихвостый астероид P/2013 P5, расположенный в главном поясе астероидов. Подобно хвостам комет, эти пылевые нити расположены в виде колеса вокруг ядра, что делает этот объект уникальным. Образование этих лучей может быть вызвано выбросом материала из ядра в результате вращения астероида.
Помимо идентификации этих мелких тел, некоторые из которых причудливы и интригующи, Хабблу также посчастливилось наблюдать беспрецедентные столкновения. За последние 20 лет самым запоминающимся, несомненно, является столкновение кометы Шумейкер-Леви 9 с Юпитером в 1994 году.
Космический телескоп, который находится на орбите всего четыре года, смог сделать фотографии столкновения кометы с атмосферой Юпитера. Этот объект, открытый в 2013 году астрономами, в честь которых он был назван, вращался вокруг газового гиганта, который сейчас распался на длинную линию ярких пятен в результате гравитационного взаимодействия с планетой. Изучение его орбиты, столкновение было запланировано на 1994 год, и Хаббл принял участие в запланированной наблюдательной кампании. На фотографии ниже представлены снятые телескопом изображения столкновения фрагментов кометы.
Хаббл, наш попутчик
Сейчас, на третьем десятилетии своей работы, "Хаббл" по-прежнему активен и особенно продуктивен. Телескоп собрал более миллиона наблюдений и предоставил большую базу научных данных. Благодаря ему исследователи смогли изучить широкий спектр предметов и явлений в космосе, начиная от образования планет в звездных системах, отличных от нашей, и заканчивая эволюцией гигантских черных дыр.
Открытия Хаббла и сделанные им незабываемые снимки космоса восхитили исследователей и публику, привлекая все больше людей к астрономии. Некоторые из этих изображений стали культурными иконами, их распространяют и воспроизводят во всевозможных форматах. Благодаря этим снимкам и тайнам, которые он помогает нам разгадать, "Хаббл" позволил нам распутать ткань безмолвной, темной Вселенной, которая изобилует светом и необычными явлениями. Он позволил нам рассказать его историю и войти в нее. И он по-прежнему с нами в этом удивительном космическом путешествии.