Программа Великих обсерваторий - Great Observatories program

Четыре Великие обсерватории

НАСА серия Великие обсерватории спутники четыре больших, мощных космических астрономических телескопы были запущены в период с 1990 по 2003 год. Они были построены с использованием различных технологий для исследования определенных диапазонов длин волн / энергии электромагнитный спектр: гамма излучение, Рентгеновские лучи, видимый и ультрафиолетовый свет, и Инфракрасный свет. Два остаются в эксплуатации по состоянию на 2020 год.

Великие обсерватории

Космический телескоп Хаббла и рентгеновская обсерватория Чандра продолжают работать с октября 2020 года.

Первоначально Хаббл предназначался для извлечения и возвращения на Землю Космический шатл, но позже от плана поиска отказались. 31 октября 2006 г. администратор НАСА Майкл Д. Гриффин дала добро на последнюю миссию по ремонту. 11-дневный СТС-125 миссия Космический шатл Атлантида, запущен 11 мая 2009 г.,[1] установили свежие батареи, заменили все гироскопы, заменили командный компьютер, починили несколько приборов и установили Широкоугольная камера 3 и Спектрограф Cosmic Origins.[2]

Один из трех гироскопы на обсерватории гамма-излучения Комптона потерпел неудачу 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 орбитального распада. Вместо этого НАСА решило упреждающе вывести Комптон с орбиты 4 июня 2000 года.[3] Части, уцелевшие при входе в атмосферу, упали в Тихий океан.

Спитцер был единственной из Великих обсерваторий, запущенной не космическим шаттлом. Изначально планировалось запустить его таким образом, но после Претендент катастрофа, то Кентавр LH2 /LOX верхней ступени, которая потребовалась бы, чтобы подтолкнуть его к гелиоцентрическая орбита было запрещено использовать Shuttle. Ракеты Титан и Атлас были отменены по причинам стоимости. После редизайна и облегчения он был запущен Дельта II вместо этого ракета. ; перед запуском он назывался Space Infrared Telescope Facility (SIRTF).

История программы

Космический телескоп Хаббла

История космического телескопа Хаббл восходит к 1946 году, когда астроном Лайман Спитцер написал газету Астрономические преимущества внеземной обсерватории.[4] Спитцер посвятил большую часть своей карьеры созданию космического телескопа.

1966–1972 гг. Орбитальная астрономическая обсерватория миссии продемонстрировали важную роль, которую космические наблюдения могут играть в астрономии. В 1968 году НАСА разработало твердые планы космического базирования. отражающий телескоп с 3-метровым зеркалом, известным как Большой орбитальный телескоп или Большой космический телескоп (LST), запуск которого намечен на 1979 год.[5] В конце концов Конгресс одобрил финансирование в размере 36000000 долларов США 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 Эдвин Хаббл.

Программа гамма-излучения

Профили гамма-всплесков, записанные CGRO

Гамма-лучи были исследованы над атмосферой в нескольких ранних космических полетах. Во время своего Программа астрономической обсерватории высоких энергий в 1977 году НАСА объявило о планах построить «большую обсерваторию» для гамма-астрономии. Гамма-обсерватория (GRO), переименованная в Комптоновская гамма-обсерватория (CGRO), был разработан, чтобы воспользоваться преимуществами основных достижений технологии детекторов в 1980-х годах. После 14 лет усилий 5 апреля 1991 года была запущена CGRO.[6]

История рентгеновской обсерватории Чандра

В 1976 году рентгеновская обсерватория Чандра (в то время называемая AXAF) была предложена НАСА. Риккардо Джаккони и Харви Тананбаум. Подготовительные работы начались в следующем году в Центр космических полетов Маршалла (MSFC) и Смитсоновская астрофизическая обсерватория (SAO). Между тем, в 1978 году НАСА запустило первый рентгеновский телескоп для получения изображений, Эйнштейн (HEAO-2) на орбиту. Работа над проектом Chandra продолжалась в течение 1980-х и 1990-х годов. В 1992 году для снижения затрат была проведена реконструкция космического корабля. 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 доработки или ремонта со стороны Космический шатл но поставить обсерваторию над землей радиационные пояса большую часть своей орбиты.

История Spitzer

К началу 1970-х годов астрономы начали рассматривать возможность размещения инфракрасного телескопа над затемняющими эффектами земной атмосферы. 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 Национальный исследовательский совет Национальная Академия Наук отчет, Стратегия космической астрономии и астрофизики на 1980-е годы, определила Инфракрасный телескоп челнока (SIRTF) как «одна из двух основных астрофизических установок [будет разработана] для Spacelab, "Шаттл-платформа.

Запуск Инфракрасный астрономический спутник Спутник класса Explorer, предназначенный для проведения первого инфракрасного обзора неба, привел к появлению инструмента, использующего новую технологию инфракрасного детектора. К сентябрю 1983 года НАСА рассматривало «возможность длительной [бесплатного полета] миссии SIRTF». Полет Spacelab-2 в 1985 году на борту СТС-51-Ф подтвердил, что среда Шаттла не очень хорошо подходит для бортового инфракрасного телескопа, а конструкция для свободного полета лучше. Первое слово имени было изменено с Шаттл так это будет называться Космос Инфракрасный телескоп.[7][8]

Великая обсерватория происхождения

Концепция программы Великой обсерватории была впервые предложена в отчете NRC 1979 года «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 года), а затем Харлана Дж. Смита (через публикацию). В середине 1980-х годов ее продвигали все директора астрофизических отделов штаб-квартиры НАСА, включая Фрэнка Мартина и Чарли Пеллерина. 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.[9][10]

Сильные стороны

Составное изображение Чандры, Хаббла и Спитцера Крабовидная туманность (2009)

Каждая обсерватория была спроектирована так, чтобы продвигать уровень технологий в предполагаемом диапазоне длин волн. Поскольку атмосфера Земли мешает рентгеновские лучи, гамма излучение и дальний инфракрасный Излучение достигало земли, космические миссии были необходимы обсерваториям Комптон, Чандра и Спитцер.

Хаббл также извлекает выгоду из того, что 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, используя астрономические интерферометры или же адаптивная оптика ). Более крупные наземные телескопы только недавно сравнялись с Хабблом по разрешающей способности для ближнего инфракрасного диапазона длин волн слабых объектов. Пребывание над атмосферой устраняет проблему свечение, что позволяет 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 также может наблюдать на ультрафиолетовый длины 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, летавшие на предыдущем HEAO миссии, открывающие совершенно новые зоны наблюдения. В нем было четыре инструмента, покрывающих 20 кэВ до 30 ГэВ энергетический диапазон, который дополнял чувствительность, разрешение и поле зрения друг друга. Гамма-лучи испускаются различными источниками высокой энергии и высокой температуры, такими как черные дыры, пульсары, и сверхновые.[11]

У Чандры тоже не было наземных предшественников. Это следовало за тремя НАСА Программа HEAO спутники, особенно очень успешные Обсерватория Эйнштейна, который первым продемонстрировал силу скользящего падения, фокусирующая рентгеновская оптика, что дает пространственное разрешение на порядок лучше, чем коллимированный инструменты (сопоставимые с оптическими телескопами) с огромным улучшением чувствительности. Большой размер Чандры, высокая орбита и чувствительность. ПЗС-матрицы позволили наблюдать очень слабые источники рентгеновского излучения.

Спитцер также ведет наблюдения на длинах волн, недоступных для наземных телескопов. В космосе ему предшествовали меньшие по размеру IRAS миссия и ЕКА большой ISO телескоп. 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 красное смещение до инфракрасных длин волн, для холодных объектов, излучающих мало видимого света, и для областей, оптически закрытых пылью.

Влияние

Все четыре телескопа оказали значительное 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 Глубокое поле Хаббла Наблюдения были очень важны для изучения далеких галактик, поскольку они обеспечивают ультрафиолетовые изображения покоя этих объектов с таким же количеством пикселей в галактиках, что и предыдущие ультрафиолетовые изображения более близких галактик, что позволяет проводить прямое сравнение. В Космический телескоп Джеймса Уэбба обеспечит еще больший шаг вперед, предоставив изображения в видимом свете в неподвижном кадре для еще более далеких галактик, которые можно будет напрямую сравнивать с изображениями ближайших галактик в видимых длинах волн.

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 Great Observatories 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 глубже понять.

Исследования высоких энергий (в рентгеновских и гамма-лучах) пока имели лишь умеренное разрешение изображения. Изучение объектов рентгеновского и гамма-излучения с помощью телескопа 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 галактики. спиральная галактика. 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. Поэтому 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 продолжения с Хабблом или Rossi X-ray Timing Explorer, который может измерять детали в угловых секундах или долях секунды из-за различного дизайна. Последний полный год работы Росси был 2011 г.

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 поле 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, три другие большие 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 разрешить даже Хаббл; их изображение выглядит как дифракция узор определяется яркостью, а не размером. Однако Хаббл может определить минимальный размер, зная размеры тела. альбедо. 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. Дальше спектроскопия Спитцером может определить химический состав поверхности объекта, который ограничивает его возможные альбедо и, следовательно, делает более точную оценку малых размеров.

На противоположном конце космическая дистанционная лестница, наблюдения, сделанные с Хабблом, Спитцером и Чандрой, были объединены в Глубокое исследование истоков великих обсерваторий чтобы получить многоволновую картину формирование и эволюция 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: операция Хаббла, Чандры и Спитцера
  • 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 были использованы для открытия самой далекой из известных галактик, GN-z11. Этот объект был таким, каким он был 13,4 миллиарда лет назад.[12][13] (Список самых далеких астрономических объектов )

Преемники инструментов GO

IXO рассматривали как возможную будущую рентгеновскую обсерваторию
  • Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) - JWST, ранее известный как NGST (Космический телескоп следующего поколения), по прогнозам, будет запущен в октябре 2021 года и будет работать одновременно с Хабблом, пока его миссия не завершится и JWST не заменит его.[14] Его сегментированное разворачивающееся зеркало будет более чем в два раза шире, что заметно повысит 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.
  • В Космический гамма-телескоп Ферми, ранее GLAST, космический телескоп большой площади с гамма-лучами, является продолжением космического телескопа Комптона, запущенного 11 июня 2008 года.[15] GLAST определяется более узко и намного меньше; на нем будет только один основной инструмент и дополнительный эксперимент. Другие миссии, такие как HETE -2, запущенный в 2000 году, и Быстрый, запущенный в 2004 году, дополнит GLAST. Солнечная спектроскопия высоких энергий Рамати (RHESSI ), запущенный в 2002 году, наблюдает в некоторых длинах волн Комптона и Чандры, но всегда направлен на Солнце. Иногда он наблюдает за объектами с высокой энергией, которые оказываются в поле зрения вокруг Солнца.
  • Еще одна большая обсерватория высоких энергий - это ИНТЕГРАЛ Европейская международная лаборатория гамма-астрофизики, запущенная в 2002 году. Она наблюдает на частотах, аналогичных Комптону. ИНТЕГРАЛ использует принципиально иную телескопическую технологию - маски с кодированной апертурой. Таким образом, его возможности дополняют Комптона и Ферми.
Архитектура Calisto для САФИР была одной из концепций будущего дальнего инфракрасного телескопа.[16]

Более поздние программы

Следующая большая обсерватория

В 2016 году НАСА начало рассматривать четыре различных Флагман космические телескопы,[19] они Миссия по визуализации обитаемой экзопланеты (HabEx), Большой оптический инфракрасный датчик УФ-излучения (LUVOIR), Космический телескоп Origins, и Рентгеновский инспектор Lynx. В 2019 году четыре команды передадут свои итоговые отчеты Национальная Академия Наук, независимые Десятилетний обзор Комитет советует НАСА, какая миссия должна быть приоритетной. Отбор состоится в конце 2020 года, а запуск начнется примерно в 2035 году.[19]

Галерея

  • Космический телескоп Хаббла

  • Иллюстрация обсерватории гамма-излучения Комптона

  • Гамма-обсерватория Комптона, 1991 г.

  • Чандра в бухте космического корабля на Земле

  • Спитцер на Земле готовится к запуску

Смотрите также

Примечания и ссылки

  1. ^ «НАСА обновляет даты запуска космических шаттлов». НАСА. Получено 2008-05-22.
  2. ^ Бойл, Алан (31 октября 2006 г.). «НАСА дает зеленый свет спасению Хаббла». Новости NBC. Получено 2007-01-10.
  3. ^ Харвуд, Уильям. «Космический телескоп НАСА направляется к огненному краху в Тихий океан». Получено 2020-02-02.
  4. ^ Спитцер, Л., ОТЧЕТ ДЛЯ ПРОЕКТА RAND: Астрономические преимущества внеземной обсерватории, перепечатано в Astr. Ежеквартальный, том 7, с. 131, 1990.
  5. ^ Спитцер, Лайман С (1979), "История космического телескопа", Ежеквартальный журнал Королевского астрономического общества, т. 20, с. 29
  6. ^ "Гамма-астрономия в эпоху Комптона: инструменты". Гамма-астрономия в эпоху Комптона. НАСА / GSFC. Архивировано из оригинал на 2009-02-24. Получено 2007-12-07.
  7. ^ Ватанабэ, Сьюзан (22 ноября 2007 г.). «Изучение Вселенной в инфракрасном свете». НАСА. Получено 2007-12-08.
  8. ^ Квок, Джонни (осень 2006 г.). "В поисках пути: история космического телескопа Спитцера". Академия обмена знаниями. НАСА. Архивировано из оригинал на 2007-09-08. Получено 2007-12-09.
  9. ^ Стерн, Дэвид П. (2004-12-12). «(S-6) Увидеть Солнце в новом свете». От звездочетов к звездолетам. Центр космических полетов имени Годдарда НАСА. Получено 2007-12-07.
  10. ^ Роман, Нэнси Грейс (2001). «Изучение Вселенной: космическая астрономия и астрофизика» (PDF). Изучение космоса. НАСА. Получено 2007-12-08.
  11. ^ Примечание: гамма-лучи из космоса могут быть обнаружены косвенно с земли с помощью метода, известного как Техника визуализации воздуха Черенкова или для краткости IACT. Это было впервые Обсерватория Уиппла в 1968 году, и с тех пор в разных странах было построено несколько новых телескопов.
  12. ^ "Команда Хаббла побила космический рекорд расстояния". Космический телескоп Спитцера. НАСА. 3 марта 2016 г.. Получено 14 декабря 2016.
  13. ^ Ландау, Элизабет (25 августа 2016 г.). "Космический телескоп Спитцер начинает" за пределами "фазы". НАСА. Получено 9 декабря 2016.
  14. ^ "О космическом телескопе Джеймса Уэбба". Центр космических полетов Годдарда. НАСА. Получено 2018-12-20.
  15. ^ "Миссии шаттлов и ракет НАСА - график запуска". НАСА. 2008-06-05.
  16. ^ "САФИР". Архивировано из оригинал на 2013-02-16. Получено 2015-10-19.
  17. ^ «Великие обсерватории». Помимо Эйнштейна. НАСА. Архивировано из оригинал на 2007-11-03. Получено 2007-11-28.
  18. ^ Акуна, Марио Х .; Кейт В. Огилви; Роберт А. Хоффман; Дональд Х. Фэрфилд; Стивен А. Кертис; Джеймс Л. Грин; Уильям Х. Миш; научные группы GGS (1997-05-01). «Программа GGS». Предложение ISTP-GGS / SOLARMAX. Центр космических полетов Годдарда. Получено 2007-12-03.
  19. ^ а б Скоулз, Сара (30 марта 2016 г.). «НАСА рассматривает свой следующий флагманский космический телескоп». Scientific American. Получено 2017-10-15.

внешняя ссылка