Ультрафиолетовая астрономия

Ультрафиоле́товая астроно́мия — раз­дел ас­тро­но­мии, свя­зан­ный с наблюдением электромагнитного излучения космических объектов в ультрафиолетовом диапазоне (10-400 нм). Этот диапазон в астрономии условно делится на ближний ультрафиолет, который идёт от Солнца (200—400 нм) и более жёсткое УФ-излучение с длинной волны 10-200 нм. Фотоны ближнего ультрафиолетового диапазона частично поглощаются земной атмосферой на высоте 30-40 км. Жёсткое УФ-излучение, которое также называют вакуумным ультрафиолетом, полностью поглощается в атмосфере молекулами озона и других газов, его наблюдение возможно только из космоса.

В космосе ультрафиолет испускают объекты с температурой от тысячи до сотен тысяч градусов, такие как молодые горячие массивные звёзды, с эффективной температурой, превышающей 10⁴ К,квазары, активные и сейфертовские галактики. В УФ-диапазоне расположены резонансные линии всех элементов, включая полосы молекулярного водорода, одного из главных компонентов межзвёздной среды. Однако УФ-излучение поглощается межзвёздными газом и пылью, поэтому чаще видны не сами источники, а подсвеченные ими космические облака.

Ультрафиолетовая астрономия позволяет собирать сведения практически обо всех объектах Солнечной системе — планеты и их спутники, кометы, межпланетная среда, и также объектах, находящихся за её пределами: звёзды, галактики, туманности, межзвёздные газ и пыль.

История развития

Идея создания УФ-телескопа возникла почти сразу после открытия ультрафиолетового излучения Йозефом фон Фраунгофером в 1814 году. В 1902 году учёный Вальтер Хартли создал первый ультрафиолетовый фотометр. Задача фотометра заключалась в измерении интенсивности ультрафиолетового света.

Первый ультрафиолетовый телескоп был изобретен Германом Рубби в 1929 году. Однако идея использования ультрафиолетовой части спектра для наблюдения за звездами появилась несколько раньше.

В 1908 году Роберт Уильям Уилсон произвел первые измерения ультрафиолетовой области спектра света на Монблане во Франции. В 1914 году Виктор Дубинин предложил использовать ультрафиолетовый телескоп для изучения астрономических объектов.

Начиная с конца 60-х стали применять специализированные искусственные спутники Земли. В 1972 году США запустили космическую обсерваторию «Коперник» (ОАО-3), а в 1983 году полетел отечественный «Астрон» с 80-сантиметровым ультрафиолетовым телескопом на борту. Приборы для съемки и исследования объектов в ультрафиолетовом диапазоне установлены и на телескопе «Хаббл».

Благодаря последнему удалось впервые наблюдать ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне, Юпитере и его спутнике Ганимеде. Небольшой телескоп дальнего ультрафиолетового диапазона (Far Ultraviolet Camera/Spectrograph, UVC) брали с собой на Луну и астронавты NASA.

На сегодняшний день существует несколько типов УФ-телескопов. Некоторые установлены на спутниках и используются для изучения космических объектов, которые блокируются атмосферой Земли.

Задачи и цели УФ-астрономии

Галактика Андромеды — в высокоэнергетическом рентгеновском и ультрафиолетовом свете (выпущено 5 января 2016 г.

УФ-спектроскопия используется для:

• изучения межгалактической среды;
• поиска скрытого барионного вещества;
• определения химического состава межзвёздной среды;
• исследования внутренних областей аккреционных дисков.

Для части исследований УФ-изображение даёт важнейшую информацию, которую невозможно получить с помощью других технологий.

Современная Российская обсерватория «Спектр-УФ» в соответствии со своей основной программой преследует следующие задачи и цели:

• определение содержания барионов в диффузной компоненте Вселенной и химическая эволюция межгалактической среды;
• физика аккреции и истечения;
• образование и эволюция Галактики.

Орбитальные УФ-телескопы

Телескоп ИКА-65. Телескоп был выведенного на орбиту на спутнике «Космос-215» в апреле 1968 года. Это первая попытка обзора неба в УФ-диапазоне. Проект разработан в Крымской астрофизической обсерватории АН СССР. Прибор состоял из четырёх параллельно направленных телескопов и фотоэлектронных умножителей ФЭУ-57, чувствительных к ультрафиолетовым лучам. Два телескопа работали в видимом диапазоне, что позволяло верно отождествлять наблюдаемые звёзды. Сигналы с выходов телескопов передавались на приёмный пункт во время сеансов связи со спутником. В результате наблюдений на ИКА-65 была выполнена фотометрия нескольких десятков ярких звёзд до 5-й звездной величины.

«Селескоп». Выведен на орбиту 7 декабря 1968 года на борту орбитальной астрономической обсерватории 2 (ОАО-2). Разработан Смитсонианской астрофизической лаборатории и Висконсинским университетом США. Помимо УФ-телескопа на спутнике-обсерватории была установлена система приборов WEP. В число этих приборов входили четыре звёздных фотометра и один небулярный фотометр для измерения интенсивности эмиссионных линий в диффузных туманностях. Объективы приборов WEP и объективы труб «Селескопа» были направлены в противоположные стороны, поэтому наблюдения с их помощью проводились поочередно. Задачи запуска спутника — наблюдения в ультрафиолетовых лучах отдельных звёзд и звёздных скоплений для составления карты звёздного неба. Спутник закончил свою миссию в феврале 1973 года.

УФ телескоп T700m

Камера Шмидта на «Аполлоне-16». Камера была установлена на Луне 20 апреля 1972 года экипажем космической станции «Аполлон-16», разработана в Морской исследовательской лаборатории США. Диаметр главного зеркала телескопа системы Шмидта составлял всего 75 мм.

S 019 и S 183 на «Скайлабе». На первой пилотируемой американской космической лаборатории «Скайлаб», запущенной весной 1973 г. и функционирующей на орбите девять месяцев, в числе других экспериментов были и эксперименты в области УФ-астрономии с целью выполнения как прямого, так и спектрального обзора неба. Для спектрального обзора в Техасском университете (США) был разработан телескоп системы Ричи-Кретьена с диаметром главного зеркала 15,2 см, наблюдения на котором выполнялись в сочетании с объективной призмой, то есть призмой, установленной у входного отверстия телескопа.

Телескоп «Орион-2». В конце декабря 1973 г. в СССР был выведен на орбиту космический корабль «Союз-13» с двумя космонавтами на борту. Основной задачей экипажа этого корабля было проведение наблюдений с помощью астрофизической обсерватории «Орион-2», разработанной в Гарнийской лаборатории космической астрономии (Армянская ССР). Ставилась задача выполнения обзорных наблюдений с целью массового изучения ультрафиолетовых спектров звезд, поэтому в качестве оптической схемы телескопа была выбрана широкоугольная менисковая система Максутова, модифицированная к системе Кассегрена с выводом фокуса за главное зеркало.

Телескоп «Глазар». 30 марта 1987 г. на астрофизическом модуле «Квант» для работы в составе космической станции «Мир» (СССР) был выведен на орбиту телескоп «Глазар». Цель — получение прямых изображений наблюдаемых объектов. Телескоп (рис. 8) разработан и изготовлен в Бюраканской астрофизической обсерватории и СКВ Академии наук Армянской ССР (в разработке телескопа принимали участие специалисты Швейцарии). «Глазар» функционирует на орбите по настоящее время. Диаметр главного зеркала телескопа системы Ричи-Кретьена — 40 см, поле зрения — 1,3°. Линейный размер поля зрения в фокальной плоскости — 40 мм.

Спутник IUE (International Ultraviolet Explorer). Был выведен на орбиту в январе 1978 года. Проект разрабатывался совместными усилиями нескольких университетов в США и ряда исследовательских групп в западноевропейских странах. Спутник выведен на геосинхронную орбиту, что позволяло вести круглосуточные наблюдения. Он был оснащён телескоп с диаметром зеркала 45 см и четырьмя ультрафиолетовыми спектрографами. Спутник IUE провел около 100 тыс. наблюдений 9300 объектов, доступ к архивам возможен для всех астрономов мира. Среди важнейших результатов — изучение хромосфер горячих звёзд, измерение скорости потери вещества массивными звёздами, определение температуры белых карликов, изучение квазаров и скорости звёздообразования в галактиках. Отключен 30 сентября 1996 года.

«Спектр-УФ» — «Всемирная космическая обсерватория» (ВКО-УФ), модель представленная во время проведения «Недели Космоса» в Мадриде в мае 2011 года

Телескоп «Астрон». Телескоп был выведен на очень вытянутую орбиту 23 марта 1983 года. Разработан Крымской астрофизической обсерваторией АН СССР со­вме­ст­но с НПО им. C. А. Ла­воч­ки­на, при участии Марсельской лаборатории космической астрономии (Франция) и Бюраканской астрофизической обсерватории. Перигей его орбиты — 2 тыс. км, апогей — 200 тыс. км. Период обращения вокруг Земли — около 4 суток. Такой выбор орбиты станции позволяет исключить влияние частиц радиационных поясов на светоприёмную аппаратуру, а также влияние фоновых засветок от освещенной Солнцем поверхности Земли. Диа­мет­р зер­ка­ла 0,8 м. При по­мо­щи те­ле­ско­па вы­пол­не­ны уни­каль­ные УФ-на­блю­де­ния звёзд, га­лак­тик, ко­ме­ты Гал­лея, Сверх­но­вой 1987А и других кос­мических объ­ек­тов. Снят с орбиты в 1989 году.

Спутник АНС. В августе 1974 г. на орбиту был выведен телескоп для точной фотометрии звезд одновременно в нескольких спектральных диапазонах. Телескоп был разработан и изготовлен в Голландии. Предполагалось, что спутник будет выведен на круговую орбиту высотой 500 км. Однако из-за неполадок в стабилизации спутник вышел на вытянутую эллиптическую орбиту с апогеем в 1150 км и перигеем в 280 км. При пролёте последнего возникали трудности в работе электронной аппаратуры из-за высокой степени радиации. При ориентации спутника на Солнце наблюдениям были доступны звезды, расположенные у большого круга, перпендикулярного направлению на Солнце.

Ультрафиолетовый телескоп S 2/68. В марте 1972 г. на европейском спутнике ТД-1А в числе других астрофизических экспериментов был выведен на орбиту и ультрафиолетовый телескоп S 2/68. Основная задача телескопа — получение ультрафиолетовых спектров ярких звезд в интервале длин волн 1350—2550 Å, а также измерение потоков излучения звезд в широкой полосе с центром у 2750 Å.

ОАО-С им. Коперника. Третья из серии американских орбитальных астрономических обсерваторий, которой было присвоено имя Коперника, 21 августа 1972 г. выведена на почти круговую орбиту высотой около 750 км. Основной инструмент обсерватории — наибольший из выведенных до этого на орбиту телескоп-спектрометр с диаметром главного зеркала 80 см. Он был разработан в Принстонском университете и предназначен для исследования с высоким разрешением (до 0,05 Å) ультрафиолетовых спектров ярких звезд, и главным образом спектров межзвездной среды с весьма узкими линиями поглощения, наложенных на спектры излучения горячих звезд Типа О и В.

•  — Союз-13
• (ESRO) — TD-1A
•  — Astrosat
•  — Astronomical Netherlands Satellite
•  — SOHO
•  — FUSE
•  — Swift
• Астрономический телескоп Хаббл — создан в 1990 году, является одним из наиболее известных ультрафиолетовых телескопов. Называется в честь астронома Эдварда Хаббла.
• Телескоп Chandra — спутниковый телескоп, работающий в рентгеновском диапазоне. Однако он также используется для изучения ультрафиолетового спектра света.
• Телескоп Galaxy Evolution Explorer (GALEX) — был запущен в 2003 году. Он был создан для изучения процессов испускания света в галактиках.

Достижения УФ-астрономии

Мегелланово облако в дальнем ультрафиолетовом диапазоне

Наиболее выдающимися фундаментальными достижениями, полученными методами УФ-астрономии являются:

• открытие горячей фазы межзвёздной среды, которое изменило представления о структуре и эволюции межзвёздной среды и галактик;
• определение относительного содержания дейтерия к водороду, величина которого является важной при выборе космологической модели Вселенной;
• прямое обнаружение молекул Н2. Водород является наиболее распространенной молекулой во Вселенной, тем не менее его нельзя обнаружить ни в видимом, ни в радиодиапазонах спектра;
• массовое высокоточное определение химического состава звёзд. При помощи УФ-спектроскопии удалось определить, состав внешних слоёв атмосферы звёзд, что важно для понимания процессов, протекающих в звёздах, и развития теории звёздной эволюции;
• поиск резервуаров скрытого барионного вещества во Вселенной.
• выявление природы таких структур, как короны, кольца нейтрального газа и процессов, протекающих во внешних областях атмосфер планет-гигантов.