Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 17. Приймачі випромінювання. Дослідження тіл Сонячної системи та Всесвіту за допомогою космічних апаратів

Випромінювання, яке зібрав об’єктив телескопа, реєструється та аналізується приймачем випромінювання. Протягом перших двох з половиною століть з початку телескопічної ери єдиним приймачем випромінювання слугувало людське око. Однак це не тільки не дуже чутливий, але й досить суб’єктивний приймач випромінювання.

Із середини XIX ст. в астрономії стали широко застосовуватися фотографічні методи. Фотографічний матеріал (фотопластинки, фотоплівки) мають багато переваг порівняно з людським оком. Фотоемульсія здатна накопичувати енергію, яка падає на неї, тобто, збільшуючи витримку на негативі, можна зібрати більше світла.

Фотографія дає змогу документувати події, тому що негативи можуть зберігатися протягом тривалого часу. Фотопластинки мають панорамність, тобто можуть одночасно й точно фіксувати безліч об’єктів.

Найбільші сучасні телескопи управляються комп’ютерами (та іншою електронною технікою), а отримані зображення космічних об’єктів фіксуються у формі, що обробляється комп’ютерними програмами. Фотографія майже вийшла з використання. В останні десятиліття широко застосовують фотоелектричні приймачі випромінювання, відомості від яких передаються безпосередньо на електронний обчислювальний пристрій - комп’ютер. До таких приладів належать ПЗЗ-матриці (прилади із зарядовим зв’язком). ПЗЗ-матриця — це інтегральна схема, розміщена на напівпровідниковому матеріалі, що перетворює світлову енергію випромінювання в енергію електричного струму. Сила струму пропорційна інтенсивності світлового потоку.

Комп’ютерна обробка зображення дає змогу позбутися перешкод і фону, створюваних розсіюванням світла в атмосфері Землі та турбулентністю її атмосфери.

Ще недавно позаатмосферна астрономія була мрією багатьох учених-астрономів. Тепер вона перетворилася у розвинену галузь науки. Результати, отримані на космічних телескопах, без перебільшення перевернули багато наших уявлень про Всесвіт.

Величезний обсяг інформації про космос цілком залишається за межами земної атмосфери. Більша частина інфрачервоного й ультрафіолетового діапазону, а також рентгенівські й γ-промені космічного походження недоступні для спостережень з поверхні Землі. Для того щоб вивчати Всесвіт у цих променях, потрібно винести прилади для спостережень у відкритий космос.

Для успішної роботи космічної обсерваторії потрібні спільні зусилля різних фахівців. Космічні інженери готують телескопи до запуску, виводять їх на орбіту, стежать за забезпеченням енергією всіх приладів та їхнім нормальним функціонуванням. Кожен об’єкт може спостерігатися протягом кількох годин, тому особливо важливо втримувати орієнтацію супутника, що обертається навколо Землі, у тому самому напрямку, щоб вісь телескопа залишалася націленою строго на об’єкт.

Астрономи збирають заявки на проведення спостережень, відбирають з них найважливіші, готують програму спостережень, стежать за одержанням і обробкою результатів. Дані, отримані космічними телескопами, протягом деякого часу доступні лише авторам програми спостережень. Потім вони надходять у комп’ютерні мережі, і будь-який астроном може використовувати їх для своїх досліджень.

У 1946 р. американський астрофізик Лайман Спітцер (1914-1997) опублікував статтю «Астрономічні переваги позаземної обсерваторії». Учений зауважив дві головні переваги позаземного телескопа: 1) його кутова роздільна здатність буде обмежена лише дифракцією, а не турбулентними потоками в атмосфері; 2) космічний телескоп міг би вести спостереження в інфрачервоному, ультрафіолетовому, рентгенівському та гамма-діапазонах, у яких випромінювання поглинається земною атмосферою.

7 жовтня 1959 р. радянська автоматична міжпланетна станція «Луна-3», облетівши Місяць, уперше сфотографувала його зворотну півкулю.

У 1962 р. Велика Британія запустила орбітальний телескоп «Аріель» для дослідження Сонця. У 1966 р. НАСА запустила в космос першу орбітальну обсерваторію ОАО-1. Місія не мала успіху, бо акумулятори за 3 дні після старту вийшли з ладу. У 1968 р. було запущено ОАО-2, яка проводила спостереження ультрафіолетового випромінювання зір і галактик аж до 1972 р., значно перевищивши розрахований термін експлуатації.

У 1967 р. американська космічна обсерваторія ОSO-3 виявила γ-випромінювання нашої Галактики, а в 1975-1982 рр. європейський супутник COS-B склав першу γ-променеву карту Чумацького Шляху. Протягом 70-80 рр. XX ст. на навколоземній орбіті працювало кілька десятків штучних супутників Землі та орбітальних космічних станцій, що використовувались для проведення астрономічних досліджень у різних спектральних діапазонах.

Місії ОАО та OSO продемонстрували можливості орбітальних телескопів. Тому НАСА в 70-90 рр. XX ст. спроектувала та побудувала чотири великі космічні обсерваторії, кожна з яких досліджувала Всесвіт у певній частині спектра.

Вивчення інфрачервоного випромінювання в астрономії почалося з того, що за допомогою орбітального телескопа провели точні вимірювання температури поверхні й атмосфери планет Сонячної системи. Так в атмосферах Марса, Венери та Юпітера було виявлено вуглекислий газ. Інфрачервоні спостереження планет-гігантів дали змогу дізнатися про структуру їхніх атмосфер і виявити лід на супутниках.

Сенсаційним відкриттям інфрачервоної астрономії стала вода, виявлена в космосі у великій кількості. Вона присутня в газопилових туманностях, кометах і на малих планетах.

Першу інфрачервону обсерваторію було запущено в січні 1983 р. у рамках спільного американсько-європейського проекту IRAS. До складу комплексу IRAS входив телескоп-рефлектор з діаметром дзеркала 57 см (мал. 3.8).

Мал. 3.8

Другою великою космічною обсерваторією стала γ-обсерваторія ім. Комптона, яку названо на честь нобелівського лауреата з фізики Артура Комптона (1892-1962). Запустили її 5 квітня 1991 р. на борту космічного човна «Атлантіс». За її допомогою вперше проводився огляд усього неба в γ-променях, а також спостереження Сонця, квазарів, пульсарів, наднових зір, чорних дір. За десять років роботи обсерваторія виявила понад 400 джерел космічного γ-випромінювання, у 10 разів більше ніж було відомо до цього запуску. Вона також зареєструвала понад 2,5 тис. γ-спалахів, тоді як раніше було зафіксовано близько 300.

Третю велику космічну обсерваторію для дослідження Всесвіту в рентгенівському діапазоні було виведено на орбіту в 1999 р. Інформація, отримана цією орбітальною обсерваторією, свідчить, що у Всесвіті існує не менше як 300 млн чорних дір. «Чандра» — космічна рентгенівська обсерваторія НАСА (мал. 3.9) уперше зафіксувала процес руйнування звичайної зорі, яка дуже близько підійшла до чорної діри. А в 2004 р. уперше було зареєстровано потужні рентгенівські джерела, які можуть бути чорними дірами нового типу з масою кілька сотень мас Сонця.

Мал. 3.9

У 2009 р. з космодрому на мисі Канаверал у штаті Флорида було запущено орбітальний телескоп «Кеплер» — космічний телескоп НАСА, призначений для пошуків екзопланет (мал. 3.10). На момент запуску астрономи виявили близько 350 екзопланет, а станом на 20 січня 2015 р. встановлено існування 1900 екзопланет у 1202 планетних системах, у 480 з яких більше ніж одна планета. Екзопланетний архів НАСА визнає відкритими 1795 позасонцевих планет. Кількість «кандидатів» на отримання цього статусу більша: за проектом «Кеплер», нині є 4175 небесних тіл, що є потенційними екзопланетами, але для офіційного підтвердження їхнього статусу потрібна повторна реєстрація наземними телескопами.

Мал. 3.10

Оптика космічного телескопа (мал. 3.11) Едвіна Габбла (1889-1953) наближається до ідеальної оптичної системи. Поза атмосферою дзеркало цього телескопа діаметром 2,4 м дає змогу досягти роздільної здатності 0,06".

Едвін Габбл

Мал. 3.11

Космічний апарат «Розетта» стартував 2 березня 2004 р. з космодрому Куру (Французька Гвіана) у напрямку до ядра комети Чурюмова-Герасименко, яка є короткоперіодичною, має період обертання приблизно 6 років і 7 місяців. З моменту відкриття комети (її відкрили українські науковці Клим Іванович Чурюмов та Світлана Іванівна Герасименко) вона вже поверталася до Землі 7 разів. Перед її сьомою появою поблизу Сонця до комети відправлено космічний апарат «Розетта», що досяг її ядра в 2014 р. І разом з ним комета пройшла перигелій у 2016 р. восьмий раз. Учені одержали перші знімки, зроблені спусковим модулем «Філи» європейського зонда «Розетта», який здійснив посадку на поверхню ядра комети. Європейське космічне агентство оприлюднило фото, зроблене «Розеттою», комети Чурюмова-Герасименко (мал. 3.12).

Мал. 3.12

За результатами космічної місії встановлено, що комета складається з двох частин. Вважається, що раніше вони були двома різними небесними тілами, а потім зіткнулися, утворивши одне. Дослідники розділили поверхню комети на 19 районів, які назвали на честь стародавніх єгипетських божеств. Також учені підтвердили наявність водяного льоду на поверхні комети. Його було виявлено під зовнішньою оболонкою комети і в деяких регіонах на її поверхні. Разом з тим аналіз поверхні комети вказує на те, що вона складається з темної сухої речовини з невеликою домішкою водяного льоду.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Що розуміють під позаатмосферною астрономією?
  • 2. Які орбітальні обсерваторії ви знаєте?
  • 3. Що ви знаєте про космічну місію «Розетта»?

Дослідіть через мережу Інтернет, які наукові дослідження проводять найбільші у світі астрономічні обсерваторії.

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Поясніть, чому зоря, що для неозброєного ока виглядає як одна, під час спостереження в телескоп може розділитися на дві близько розташовані зорі, тобто виявитися подвійною зоряною системою.

Відповідь. Роздільна сила людського ока становить приблизно 1'. Роздільна сила телескопа пропорційна діаметру об’єктива, а діаметр об’єктива телескопа набагато більший за діаметр зіниці.

2. З якою кутовою швидкістю має рухатися небесне світило, щоб завжди перебувати в полі зору нерухомо встановленого телескопа, спрямованого в точку небесної сфери, що лежить на небесному екваторі?

Відповідь. Рух має відбуватися зі швидкістю обертання небесної сфери на екваторі, тобто ω = 2π : T = 6,28 : 86400 = 7,2 · 10-5 рад/с.

3. Яке збільшення слід застосувати в шкільному телескопі, для того щоб Марс під час протистояння мав в окулярі телескопа такий самий кутовий діаметр, як Місяць для неозброєного ока? Кутовий діаметр Марса 20".

Відповідь. Місяць має кутовий діаметр 30' = 1800". Збільшення телескопа має бути у 1800 : 20 = 90 разів.