Підручник з Астрономії. 11 клас. Сиротюк - Нова програма

§ 17. ДОСЛІДЖЕННЯ ТІЛ СОНЯЧНОЇ СИСТЕМИ ТА ВСЕСВІТУ ЗА ДОПОМОГОЮ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ

1. Сучасні дослідження Всесвіту. Ще донедавно позаатмосферна астрономія була мрією багатьох учених-астрономів. Тепер вона перетворилася в розвинену галузь науки. Результати, отримані на космічних телескопах, без найменшого 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 можна спостерігати 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 через мережу Інтернет.

За часи дослідження космосу було проведено значну кількість наукових космічних місій, які зробили вагомий внесок у розвиток наших знань про Всесвіт. Зупинимося на кількох з них.

2. Космічні телескопи та обсерваторії. У 1946 р. американський астрофізик Лайман Спітцер (1914-1997) опублікував статтю «Астрономічні переваги позаземної обсерваторії» (англ. Astronomical advantages of anextra-terrestrial observatory). У статті зазначено дві головні переваги космічного 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 діапазоні, ультрафіолетовому, рентгенівському та γ-діапазоні, у яких випромінювання поглинається земною атмосферою.

У жовтні 1959 р. земляни вперше побачили зображення зворотного боку Місяця.

У 1962 р. Велика Британія запустила орбітальний телескоп «Аріель» для досліджень Сонця. У 1966 р. НАСА запустила в космос першу орбітальну обсерваторію ОАО-1 (англ. Orbiting Astronomical Observatory). Місія не мала успіху через відмову акумуляторів за 3 дні після старту. У 1968 р. було запущено ОАО-2, яка проводила спостереження ультрафіолетового випромінювання зір і галактик аж до 1972 р., перевищивши розрахунковий термін експлуатації.

У 1967 р. американська космічна обсерваторія OSO-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-х рр. XX ст. на навколоземній орбіті працювало кілька десятків штучних супутників Землі та орбітальних космічних станцій, що використовувалися для проведення астрономічних досліджень у різних спектральних діапазонах.

Місії ОАО та OSO продемонстрували можливості орбітальних телескопів. Тому НАСА в 70-90-х рр. XX ст. спроектувала та побудувала 4 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 і 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. 3.48).

У зв’язку з тим, що земна атмосфера сильно екранує ультрафіолетове випромінювання, його приймачі доводиться розміщувати на штучних супутниках Землі. Проведені в 1999 р. спостереження дали дуже цікаві наукові результати. Виявилося, що в нашій Галактиці широко поширені маси дуже нагрітого (до півмільйона градусів) міжзоряного газу, що перебуває на відстані від 5 до 10 тис. світлових років від центральної площини Чумацького Шляху. Цей газ нагрівається надзвичайно швидко у результаті спалахів наднових зір.

Мал. 3.48. Інфрачервона обсерваторія IRAS

Мал. 3.49. Обсерваторія «Чандра»

Другою великою космічною обсерваторією стала обсерваторія ім. Комптона, названа 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 всього 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 її запуску. Вона також зареєструвала понад 2,5 тис. γ-спалахів, тоді як раніше було зафіксовано тільки близько 300.

Джерелами γ-випромінювання є спалахи на Сонці, ядра активних галактик, квазари. За допомогою рентгенівських космічних обсерваторій досліджуються наднові зорі, туманності, нейтронні зорі, сонячна корона й спалахи на Сонці.

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. Обсерваторія «Чандра» (мал. 3.49) уперше зафіксувала процес руйнування звичайної зорі, яка дуже близько підійшла до чорної діри. А в 2004 р. вона уперше зареєструвала потужні рентгенівські джерела, які можуть бути чорними дірами нового типу з масою кілька сотень сонячних мас.

3. Дослідження досягнень орбітального телескопа «Кеплер». Орбітальний телескоп «Кеплер» (англ. Kepler) - космічний телескоп НАСА (мал. 3.50), призначений для пошуків екзопланет і названий на честь Йоганна Кеплера.

Телескоп було запущено 7 березня 2009 р. з космодрому на мисі Канаверал у штаті Флорида. Місія «Кеплера» планувалася на 3,5 року. Весь цей час він мав спостерігати близько 100 тис. схожих на Сонце зір, навколо яких можуть обертатися екзопланети. Апарат шукає планети, що розміщені поза Сонячною системою, за допомогою транзитного методу. (Коли планета проходить на фоні диска своєї зорі, вона закриває від спостерігача частину її випромінювання. Аналізуючи коливання яскравості світил, астрономи можуть не тільки знаходити планети, але й приблизно оцінювати їхній розмір.) «Кеплер» обертається навколо Сонця орбітою радіусом близько 1 а. о. Фактично повторює шлях нашої планети, що обертається навколо Сонця.

На момент запуску астрономи виявили близько 350 екзопланет, а станом на 22 грудня 2011 р. - уже 716 екзопланет у 584 планетних системах. Більшість з них - газові гіганти на зразок Юпітера. На таких планетах не можуть розвиватися організми земного типу, а саме заселеність екзопланет найбільше цікавить учених. «Кеплер» зможе знаходити планети, придатні для життя і меншого розміру.

Мал. 3.50. Орбітальний телескоп «Кеплер»

Едвін Габбл

Мал. 3.51. Телескоп «Габбл»

Так, 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. За проектом «Кеплер», нині є 4175 небесних тіл, що є потенційними екзопланетами, але для офіційного підтвердження їхнього статусу потрібна повторна реєстрація наземними телескопами (за статистикою, це стається в 90 % випадків).

Оптика космічного телескопа (мал. 3.51) 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".

Загальна кількість екзопланет у нашій галактиці може сягати сотень мільярдів, якщо не рахувати «планети-сироти», яких у Чумацькому Шляху вірогідно існує до трильйона (їх зазвичай рахують окремо, а знаходять за допомогою обчислення, подібно до того, як відкрили субкоричневий карлик WISE 0855-0714). Звичайних орбітальних планет, - імовірно, від 100 мільярдів, з них - від 5 до 20 мільярдів, імовірно, «землеподібних». Також, за поточним оцінюванням, 22 % сонцеподібних зір мають на своїх орбітах схожі на Землю планети, що перебувають у придатних для життя зонах.

4. Космічні дослідження поверхні Місяця. 16 липня 1969 р. американці на космічному кораблі «Аполлон-11» з екіпажем у складі трьох астронавтів - командир Нейл Армстронг, пілот місячного модуля Едвін Олдрін і пілот командного модуля Майкл Коллінз - уперше висадилися безпосередньо на поверхню Місяця.

Армстронг спустився на поверхню Місяця 21 липня 1969 р. о 2 год 56 хв 20 с за Гринвічем. Ступивши на Місяць, він вимовив: «Це один маленький крок для людини, але гігантський стрибок для всього людства». Камера, встановлена зовні модуля, транслювала вихід Армстронга на поверхню Місяця. А через 15 хв на Місяць ступив й Олдрін, який відразу став випробовувати різні способи пересування поверхнею. Астронавти зібрали потрібну кількість матеріалів, розмістили прилади і встановили телевізійну камеру. Астронавти, перебуваючи на Місяці, могли бачити на небі нашу Землю (мал. 3.52). Американські космічні кораблі серії «Аполлон» протягом наступних трьох років 6 разів доставляли в різні місця Місяця експедиції (12 астронавтів досліджували місця посадок, вони зібрали понад 360 кг місячних зразків). Місячні породи доставляли і радянські автоматичні станції «Луна».

Першим механізмом на Місяці став радянський «Луноход-1» (мал. 3.53). Його запустили в 1970 р., керували по радіо із Землі. Він став першим штучним об’єктом, що пересувався Місяцем. Замість запланованих 90 днів «Луноход-1» пропрацював майже рік і подолав 10,5 км. Місце, де він остаточно зупинився, довго було невідоме. Тільки в 2005 р. «Луноход-1» «знайшовся» на фото, зроблених орбітальним місячним апаратом НАСА.

Мал. 3.52. Земля - вигляд з поверхні Місяця

Мал. 3.53. «Луноход-1»

Мал. 3.54. Китайський апарат «Чан’е-4» на поверхні Місяця

На початку XXI ст. програми дослідження Місяця активізувалися. Про свої плани створити орбітальну навколомісячну станцію оголосило кілька країн, зокрема США, Китай, Індія, Росія, Японія. Міжнародний космічний консорціум планував зробити це до 2010 р.

У 2019 р. 3 січня китайський апарат «Чан’е-4» (мал. 3.54) здійснив м’яку посадку на зворотному боці Місяця. Це перший апарат, який опустився на невивчений і невидимий із Землі бік Місяця. Посадку було здійснено в басейні Ейткена в районі Південного полюса Місяця. Апарат передав на Землю фото поверхні та почав наукове дослідження нашого природного супутника. На борту апарата будуть проводитися досліди з вирощування організмів в умовах малої сили тяжіння.

Компанія Space X планує відправити урочисту місію навколо нашого природного супутника, а НАСА розробляє Exploration Mission 1. Планується відправити на Місяць пілотовану експедицію Exploration Mission 2 і розпочати будівництво місячної бази, яка буде не лише освоювати Місяць, але і полегшуватиме польоти на Марс та інші планети Сонячної системи.

5. Космічна місія «Розетта». Космічний апарат «Розетта» стартував 2 березня 2004 р. з космодрому Куру (Французька Гвіана) у напрямку до ядра комети Чурюмова-Герасименко. Комету названо на честь її відкривачів - українських науковців Клима Чурюмова та Світлани Герасименко (мал. 3.55).

Комета 67Р/Чурюмова-Герасименко є короткоперіодичною кометою, яка має період обертання приблизно 6 років і 7 місяців. З моменту відкриття комети вона поверталася до Землі вже 7 разів. Перед її сьомою появою поблизу Сонця до комети було відправлено космічний апарат «Розетта».

У травні 2014 р. «Розетта» зменшила свою швидкість відносно ядра комети до 2 м/с і наблизилася до нього на відстань 25 км. Усі прилади «Розетти» увімкнулися на повну готовність та почали систематичні дослідження ядра й навколоядерної області комети (мал. 3.56).

У листопаді 2014 р. було проведено найскладніший і найголовніший етап цієї місії - відділення від орбітального модуля зонда «Філи» і посадка його на одну з 5 обраних для цієї мети безпечних площадок на ядрі комети. «Філи» - це унікальний науковий контейнер масою близько 21 кг. На ньому встановлено 10 приладів, у тому числі спектрометр α-променів, протонів і рентгенівських променів для дослідження елементного складу кометної речовини.

Мал. 3.55. Клим Чурюмов та Світлана Герасименко (1975 р.)

Мал. 3.56. Космічна лабораторія «Розетта» біля комети Чурюмова-Герасименко

Мал. 3.57. Перші фото комети Чурюмова-Герасименко

Операція з висадження «Філи» відбулася на відстані понад 500 млн км від Землі. Таким чином, 12 листопада о 18 год 02 хв за київським часом уперше в історії людства штучний зонд після 10 років космічних подорожей здійснив м’яку посадку на поверхню комети.

Протягом своєї місії «Розетта» ніколи не наближалася до комети ближче ніж на 1,9 км. Під час зниження апарата на «довічне паркування» науковці отримали від «Розетти» детальні фото небесного тіла (мал. 3.57) та дійшли важливих наукових висновків з отриманих даних лабораторії «Філи». Космічна місія була першою в історії «зустріччю» з кометою.

6. Дослідження поверхні Марса. 6 серпня 2012 р. американський марсохід Curiosity сів на Марсі (мал. 3.58). Зовнішня поверхня марсохода має наукову лабораторію, оснащену приладами, які проводять аналіз зразків марсіанського ґрунту.

Головною метою цієї експедиції була спроба з’ясувати, чи існували будь-коли на поверхні Марса умови для зародження життя.

Завдовжки американський дослідницький апарат трохи менший ніж 3 м, а його вага - 900 кг. Пересувна марсіанська лабораторія забезпечена трьома парами коліс, і кожне з них приводиться в рух індивідуальною силовою установкою.

Марсохід може долати перешкоду заввишки до 75 см, а також робити на місці розворот на 360°, фотографуючи поверхню планети. Досліджувати планету можна через мережу Інтернет за адресою доступу: http://mars.nasa.gov/multimedia/interactives/billionpixel/.

26 листопада 2018 р. космічний апарат InSight американського космічного агентства НАСА здійснив успішну посадку на поверхню планети Марс (мал. 3.59). Він стартував з Каліфорнії в травні і за півроку пролетів 548 млн км. Його оснащено інструментами для вимірювання температури під поверхнею планети і вивчення її сейсмічної активності. Апарат увійшов в атмосферу Марса на швидкості 19 795 км/год, після чого розмістився в середині нагір’я Елізіум неподалік від екватора.

Мал. 3.58. Марсохід Curiosity і поверхня Марса

Мал. 3.59. Космічний апарат InSight та фото Марса

InSight проведе на Марсі 24 місяці, тобто приблизно 1 марсіанський рік. За цей час апарат проведе дослідження, які дадуть змогу відповісти на питання про походження Марса, а також й інших скельних планет внутрішньої Сонячної системи, у тому числі й Землі.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

• Астрономи-любителі можуть шукати нові екзопланети на сайті http://www.planethunters.org/. Через мережу Інтернет є можливість переглянути дані, отримані з космічного телескопа «Кеплер», що аналізують по фото зміну яскравості «світних точок», за якими визначають наявність екзопланет біля віддалених зір.

• На навколоземні орбіти ШСЗ виводять нові унікальні ультрафіолетові, інфрачервоні й оптичні телескопи. Поступово збільшуються діаметри їхніх головних дзеркал, удосконалюється світлоприймальна апаратура, підвищується чутливість приладів, розробляються нові методи стабілізації телескопів на орбіті. Наступним кроком позаатмосферної астрономії може стати реалізація проектів побудови космічних телескопів діаметром до 8 м і більше, а також створення астрономічних обсерваторій на Місяці, які будуть додавати нові «цеглинки» в космологічну картину Всесвіту.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що розуміють під позаатмосферною астрономією?
• 2. Які орбітальні обсерваторії ви знаєте?
• 3. Що ви знаєте про космічну місію «Розетта»?
• 4. Що ви знаєте про американський марсохід Curiosity та його знахідки на Марсі?
• 5. Назвіть основні астрономічні сайти та портали мережі Інтернет, через які можна дізнаватися про останні наукові космічні дослідження та відкриття.

Цей контент створено завдяки Міністерству освіти і науки України