Космос для не космонавтов

На вопрос: «что такое космос?» обычно отвечают, что это «пустота» и «ничто» Но так ли уж пуст космос на самом деле?

Давайте проведём эксперимент: глядя на ночное небо, поднимите большой палец вверх и наведите его ногтевую фалангу на область, кажущуюся вам абсолютно пустой. Конечно, она таковой и останется, если смотреть на неё невооружённым глазом. Но при использовании современных телескопов вы обнаружите здесь тысячи и десятки тысяч галактик.

По Интернету путешествует история о том, что по завершении технического обслуживания телескопа «Хаббл» «астронавты решили сделать пробный кадр, чтобы посмотреть, всё ли пришло в норму. Полученная фотография заставила их остолбенеть – настолько красивой выглядела наша Вселенная. Снимок демонстрировал её пустоту, но вместе с тем были видны и древние галактики, которые зародились сразу после Большого взрыва. Фотографию назвали «Hubble Deep Field» («Глубокое поле Хаббла»), а сами учёные утверждают, что она навсегда поменяла их представление о Вселенной.

Возможно, эта история выглядит красивой и даже романтичной, но она абсолютно не отражает как сложнейшую работу огромного количества людей и уникальность самого телескопа, так и исключительность астрономических наблюдений в целом. Впрочем, давайте рассмотрим всё по порядку.

Космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST; код обсерватории «250») – всем известная автоматическая обсерватория на орбите Земли. Её изображения долгое время оставались самыми популярными для заставок на рабочих столах компьютеров и гаджетов, пока нас не начал «забрасывать» новыми фотографиями телескоп имени Джеймса Уэбба.

Размещение телескопа в космосе имеет ряд преимуществ. Главная из них – возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна. В первую очередь – в инфракрасном. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность космического телескопа в 7–10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле.

«Хаббл» обслуживали четыре экспедиции, одна из которых была разбита на два вылета, с выходом астронавтов в открытый космос из космических кораблей многоразового использования типа «Спейс Шаттл».

Полировка зеркала телескопа Hubble. © NASA

В первые же недели после начала работы телескопа полученные изображения продемонстрировали серьёзную проблему в оптической системе. Несмотря на то что качество изображений было лучше, чем у наземных телескопов, «Хаббл» не мог достичь заданной резкости.

Анализ изображений показал, что источником проблемы стала неверная форма главного зеркала. Несмотря на то что это было наиболее точно рассчитанное зеркало из когда-либо созданных на тот момент, а допуск составлял не более 1/20 длины волны видимого света, оно было изготовлено слишком плоским по краям. Отклонение от заданной формы поверхности составило всего лишь 2 мкм, но результат оказался катастрофическим – зеркало имело сильную сферическую аберрацию (оптический дефект, при котором свет, отражённый от краёв зеркала, фокусируется в точке, отличной от той, в которой фокусируется свет, отражённый от центра зеркала).

Это означало, что практически все космические программы стали просто невыполнимыми, поскольку требовали наблюдений именно особо тусклых объектов, для чего и создавалась космическая обсерватория.

Таким образом, во время первой экспедиции астронавты должны были установить на телескопе корректирующую оптику. Полёт «Индевор» STS-61 состоялся 2–13 декабря 1993 года. Работы на телескопе продолжались в течение десяти дней. Экспедиция была одной из сложнейших за всю историю космонавтики. В её рамках были осуществлены пять длительных выходов в открытый космос, за время которых астронавты установили систему оптической коррекции, широкоугольную и планетарную камеры, заменили солнечные батареи, четыре гироскопа и многое другое оборудование.

© NASA

Пустота, изменившая понимание Вселенной

Изображение, о котором пойдёт речь (Hubble Deep Field, HDF), получено из небольшой области в созвездии Большой Медведицы, равной 5,3 квадратным угловым минутам, что составляет примерно1⁄28000000 площади небесной сферы. И вот тут начинается интересное! Просто направить телескоп в какую-либо область неба и тут же прийти в восторг от увиденного – нельзя. Получение и обработка изображений занимают очень много времени.

Исследования начались с выбора области наблюдения, которая должна была соответствовать следующим критериям:

1. Она должна находиться на высокой галактической широте.

2. В ней не должно быть ярких источников видимого света (таких, как звёзды переднего плана), а также источников инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений, чтобы облегчить более поздние исследования в этих длинах волн.

Первоначально учёные нашли двадцать областей, удовлетворяющих всем этим критериям, из которых выбрали три оптимальных области. Все области находились в созвездии Большой Медведицы.

Область, выбранная для наблюдений. © NASA

Далее учёные приступили к разработке методики. Ведь «Хаббл», напомню, – это обсерватория, и в ней находится много инструментов для совершенно разных исследований. Так, в данном случае необходимо было определить, какие из 48 фильтров можно использовать для наблюдений. Выбор зависел от пропускной способности каждого фильтра.

В итоге были выбраны четыре широкополосных фильтра: 300, 450 (синий свет), 606 (красный свет) и 814 нм.

Изображения целевой области с использованием выбранных фильтров были получены в ходе непрерывных десятидневных наблюдений, в течение которых Hubble облетел вокруг Земли по своей орбите почти 150 раз. Полное время наблюдений в каждой длине волны составило: 48,93 ч (300 нм), 36,52 ч (450 нм), 34,94 ч (606 нм) и 34,86 ч (814 нм).

Изображения, полученные в разных длинах волн: 300 нм (сверху слева), 450 нм (сверху справа), 606 нм (снизу слева) и 814 нм (снизу справа). © NASA

Наблюдения были разделены на 342 отдельных «этапа», чтобы предотвратить существенное повреждение отдельных участков изображения яркими полосами, которые образуются в результате воздействия космических лучей на датчики CCD-матрицы.

Следующий шаг – обработка данных. В процессе объединения изображений, полученных в разных длинах волн, были удалены пиксели, засвеченные воздействием космических лучей, следы космического мусора и искусственных спутников.

Hubble Deep Field. © NASA

Приблизительно на четверти фрагментов отчётливо просматривался рассеянный свет от Земли. Для избавления от дефекта яркости эти фрагменты выровняли по уровню незатронутых рассеянным светом изображений. Благодаря этой процедуре почти весь рассеянный свет с изображений был удалён.

После того как с 342 отдельных снимков убрали дефекты, их объединили в одно. Каждому пикселю CCD-матрицы соответствовала область в 0,09 угловой секунды. Каждое последующее изображение частично перекрывало предыдущее. Используя сложные методы обработки (специальный алгоритм «Drizzle»), изображения объединили. В итоговом изображении в каждой длине волны размеры пикселя составили 0,04 угловой секунды.

Данное изображение HUDF в высоком разрешении содержит галактики самых разных размеров, форм, цветов и возрастов. Самые маленькие и самые красные галактики, которых на снимке около 10000, – это одни из самых удалённых галактик, когда-либо запечатленных оптическим телескопом. Вероятно, они возникли вскоре после Большого взрыва. © NASA

Таким образом, изображение Hubble Deep Field было собрано из 342 отдельных снимков. Его построение проводили с 18 по 28 декабря 1995 года. В этой невероятно маленькой космической области практически все 3000 объектов (за исключением нескольких звёзд с переднего плана Млечного Пути) – это галактики.

С 24 сентября 2003 до 16 января 2004 года с телескопа получили более качественные изображения, которые объединили в Hubble Ultra-Deep Field (HUDF). На этом изображении около десяти тысяч галактик, но «понимание о пустоте изменил» именно Hubble Deep Field (HDF).

Ещё несколько слов о пустоте

Уверен, вы довольно часто сталкивались с утверждением, что «всё вокруг состоит из пустоты». Но можете ли вы представить себе абсолютною пустоту? И существует ли вообще абсолютная пустота (Мигдал, 1986)? Уже даже в межзвёздном пространстве – такой вакуум, какого физики не могут достичь в лабораторных условиях ввиду того, что невозможно до такой степени выкачать вещество из камеры.

Но это ещё далеко не абсолютная пустота. Давайте пойдём дальше – в межгалактическое пространство. Здесь вещества ещё меньше, но это по-прежнему не абсолютно пустое пространство, которого мы хотим достичь. Поэтому двинемся в область между скоплениями галактик. Казалось бы, вот она – пугающая беспросветная пустота. Но даже здесь на каждый кубический метр пространства найдётся хотя бы один атом. Правда, этот атом за миллиарды лет может ни разу не столкнуться ни с одним другим. Что ж, пусть это и будет той самой пустотой. Во всяком случае, здесь мы можем представить, что этого одинокого атома просто нет.

Но знаете, что самое интересное? Даже если вы возьмёте часть пространства, в котором точно нет ни одного атома, оно не будет пустым. Понятие пустоты в физике вообще, как выясняется, довольно условно. Как только дело доходит до «абсолютного ничто», в свои права вступает квантовая механика. Физики называют это явление минимальным состоянием энергии.

Даже в самом «пустом» пространстве постоянно рождаются и умирают так называемые виртуальные частицы. Проблема этих частиц заключается в том, что они не способны «закрепиться» в физической Вселенной, так как их свойства далеки от «физического идеала» – они не могут набрать достаточно массы и энергии. Всё, что только можно было «взять» из этой пустоты, чтобы попытаться стать веществом, эти виртуальные частицы «взяли», но этого оказалось мало.