Гершель (космічний телескоп)

Ідея створення величезного орбітального інфрачервоного телескопа народилася 1982 року у європейських дослідників. У розробці телескопа під керівництвом Європейського космічного агентства брали участь десять країн, зокрема, США і Росія^{[джерело?]}. Через 27 років ракета-носій Ariane-5 стартувала з космодрому у французькій Гвіані.

Спочатку телескоп називали FIRST (абревіатура від англ. Far InfraRed and Submillimetre Telescope — телескоп далекого інфрачервоного й субміліметрового діапазонів). Пізніше^[коли?] конструктори вирішили назвати апарат ім'ям Вільяма Гершеля, який відкрив інфрачервоне випромінювання.

Телескоп Гершеля став найбільшим серед виведених за межі Землі. Діаметр його головного дзеркала — однієї з найважливіших компонентів оптичної системи — становить 3,5 метра. Для порівняння, головне дзеркало «Хаббла» приблизно на метр менше — його діаметр становить 2,4 метра. За площею дзеркало «Гершеля» перевищує дзеркало «Хаббла» більш ніж удвічі (9,6 м² проти 4,5 м²). Від площі головного дзеркала прямо залежить «гострота зору» телескопа — що воно більше, то більше випромінювання зможе зібрати.

Діаметр дзеркала — не єдине, що відрізняє «Гершель» від «Хаббла». «Гершель» бачить Всесвіт не в оптичному, а в інфрачервоному й субміліметровому діапазонах. Усі створені досі космічні інфрачервоні телескопи за своїми розмірами навіть не наближаються до «Гершеля». Їхні дзеркала збирали приблизно у 20 разів менше випромінювання, ніж дзеркало нового телескопа.

Людське око не здатне вловити випромінювання в інфрачервоному діапазоні. Наш зір обмежений вузьким інтервалом довжин хвиль від 360 до 730 нанометрів, що отримав назву видимого світла. Спостерігаючи видиме світло, що прийшло з глибин Всесвіту, можна отримати багато інформації про зорі, комети і навіть деякі планети. Видиме світло служило основним джерелом інформації про космос до середини XX століття.

У міру накопичення нових знань астрономи переконалися в тому, що наші очі, навіть посилені потужними телескопами, є малопридатним інструментом для вивчення Всесвіту. Видимого світла в космосі дуже мало й воно несе лише дещицю інформації про властивості космічних тіл. Однією з головних перешкод для видимого світла є пил, якого досить багато в космічному просторі. Діаметр часток пилу порівняний із довжиною хвиль видимого світла, тому порошинки ефективно відбивають і поглинають його.

Пил незмінно оточує народжувані зорі й планети з тієї простої причини, що саме з малесеньких часток космічного пилу й газу формуються величезні космічні тіла. Пил не затримує випромінювання назавжди — він випромінює, але вже не в оптичному, а в інфрачервоному діапазоні. Для телескопів, що працюють в оптичному діапазоні, пил є непереборною перешкодою, що приховує об'єкти спостереження.

Саме в інфрачервоному діапазоні світять холодні області Всесвіту. Недавні дослідження довели, що багато галактик випромінюють лише інфрачервоне випромінювання.^{[джерело?]} Загалом близько половини світла зір за весь час існування Всесвіту, було випромінено в інфрачервоному діапазоні.

У першу чергу, інфрачервоний телескоп дозволяє астрономам побачити Всесвіт без пилу. «Гершель» вловлює випущене порошинками випромінювання, отримане від інших космічних тіл. Аналізуючи його, вчені можуть скласти уявлення про початкове світло. Наприклад, про світло, що випромінюється під час народження зірок і планет.

Ще один об'єкт вивчення нового телескопа — це комети. Вони складаються переважно з водяного льоду, метану та вуглекислого газу і несуть в собі речовину, з якої складався молодий Всесвіт. Протягом еволюції Всесвіту речови́ни, що утворилися в результаті Великого Вибуху та невдовзі після нього, зазнавали численних перетворень. Комети несуть в собі частинки первинного космосу, тому їх дослідження є критично важливим для складання картини Всесвіту.

«Гершель» зможе вивчати не тільки еволюцію, а й хімію Всесвіту. Внаслідок Великого Вибуху утворилося лише три найлегших елемента — водень, гелій і літій — а всі інші утворилися в зоряних «печах». Зокрема й елементи, з яких побудовані живі істоти. Вивчення хімічного складу різних областей космосу допоможе не тільки уточнити закони еволюції зір, але й (імовірно) з'ясувати питання про механізми появи життя.

Прилад, в якому закладені такі великі можливості, складається з трьох частин. Перша частина — це власне телескоп, основною деталлю якого є 3,5-метрове головне дзеркало. Воно захищене від надмірного випромінювання спеціальним екраном, на якому розташовані сонячні батареї, що живлять «Гершель». Головне дзеркало виготовлено з карбіду кремнію й відполіроване (розмір нерівностей не перевищує тисячних часток міліметра). Невеликі викривлення форми головного дзеркала призводять до того, що телескоп стає «корокозорим». Найвідоміший приклад обмеженого зору телескопа — це славетний «Хаббл»[3].

Друга частина «Гершеля» складається з трьох детекторів, на які потрапляє зібране дзеркалом світло. Детектор HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared) вловлює випромінювання в діапазонах від 157 до 212 мікрометрів та від 240 до 625 мікрометрів. HIFI здатний розрізняти окремі молекули й вивчати характер їхнього руху, температуру й інші фізичні характеристики.

Детектор PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer) працює в діапазоні від 55 до 212 мікрометрів. Цей інструмент ідеально пристосований для вивчення молодих галактик з активним зореутворенням і пилових хмар.

Інструмент під назвою SPIRE (Spectral and Photometric Imaging REceiver) призначений для вивчення випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 194 до 672 мікрометрів. Використовуючи SPIRE, астрономи будуть вивчати, як формувалися зірки в юному Всесвіті.

Детектори розташовані всередині кріостату, що забезпечує їм дуже низьку та стабільну температуру. Кріостат містить рідкий надплинний гелій із температурою −271 °C (2° К). Для детекторів SPIRE та PACS потрібне додаткове охолодження (до 0,3° K). За образним порівнянням творців телескопа, спостерігати інфрачервоне випромінювання з використанням тепліших інструментів — це все одно, що спостерігати далеку зірку проти полуденного сонця.

Підтримувати на «Гершелі» космічний холод будуть близько двох тисяч літрів рідкого гелію. Роль кріостата — ключова для життєвого циклу обсерваторії. Поступово гелій буде випаровуватися, через три роки детектори почнуть нагріватися і Гершель не зможе надалі виконувати спостереження.

Призначення третьої частини «Гершеля» — виконання технічних функцій з підтримання роботи телескопа, обробки даних спостережень, зміни орбіти та зв'язку з Землею.

«Гершель» збиратиме дані протягом 21 години щодоби. Отримана інформація буде записуватися на комп'ютер телескопа і передаватися на Землю протягом решти доби (3 години). Паралельно з прийомом даних, фахівці на Землі задаватимуть програму роботи телескопа на наступну добу. Настільки інтенсивний режим роботи дозволить вченим зібрати максимально можливу за три роки кількість даних. Аналіз такої кількості інформації вимагатиме не менше десятка років. З огляду на те, що всі ці дані будуть унікальними, можна тільки позаздрити астрономам, які отримають такий подарунок.

Інфрачервоний телескоп обертається навколо так званої лагранжевої точки L₂ системи Сонце—Земля. Точка L₂ розташована на прямій, що проходить через них. Ця точка віддалена від Землі на 1,5 мільйона кілометрів (майже вчетверо далі, ніж Місяць) у протилежному від Сонця напрямку. Таке розташування має низку переваг:

• Телескоп весь час перебуває над нічною стороною Землі. Інструменти телескопа ізольовано від потужного інфрачервоного випромінювання денної сторони Землі (та Місяця);
• Оскільки Земля й Сонце будуть на одному напрямку від апарата, у всіх інших напрямках відсутні перешкоди для спостережень;
• Телескоп перебуває поза межами земних радіаційних поясів, які можуть порушити спостереження.

Апарат обертається навколо точки L₂ так званою «орбітою Ліссажу». Відстань від Землі змінюється від 1,2 до 1,8 млн км. Ця орбіта нестабільна, для утримання на ній «Гершель» щомісяця має виконувати невеликі маневри корекції.

Телескоп призначений для вивчення інфрачервоної частини випромінювання від об'єктів Сонячної системи, Чумацького Шляху, а також від позагалактичних об'єктів, що розташовані за мільярди світлових років від Землі (наприклад, новонароджених галактик). Передбачаються дослідження за такими темами:

• Формування й розвиток галактик у ранньому всесвіті;
• Зоряні скупчення та їх взаємодія з міжзоряним середовищем;
• Хімічний склад атмосфер та поверхонь тіл Сонячної системи, зокрема планет, комет і супутників планет.

Фотографії були зроблені майже відразу після відкриття кришки телескопа, яке відбулося 14 червня 2009 року. Як пробну ціль було обрано галактику M51[4], яка розташована на відстані приблизно 35 мільйонів світлових років від Землі. Ця галактика була першою, у якій дослідники виявили добре помітну спіральну структуру.

Фотографії були виконані в мікрохвильовому діапазоні на різних довжинах хвиль: 70, 100 і 160 мікрометрів. За словами фахівців, прилади телескопа ще не почали працювати в повну потужність, але вже видно, що одержувані ним зображення безпрецедентної якості.

29 квітня 2013 року, під час сеансу зв'язку із «Гершелем» за допомогою станції далекого зв'язку в західній Австралії, вчені отримали дані про те, що закінчився запас рідкого надплинного гелію (2300 літрів), котрий чотири роки повільно випаровувався, забезпечуючи охолодження інфрачервоної ПЗЗ-матриці до температури 271 °C нижче нуля[5][6].

• ESA Herschel Science Centre (англ.)
• ESA інформація про Гершель (англ.)
• ESA Herschel operations page (англ.)
• ESA відео на YouTube
• Найбільший орбітальний телескоп передав перші дані (рос.)