Научные статьи
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Астрономия
РАЗВИТИЕ НАУКИ
ОБСЕРВАТОРИЯ HERSCHEL: ГОД ПОСЛЕ ЗАПУСКА

    Две европейские космические обсерватории нового поколения Planck и Herschel были выведены в совместном запуске 14 мая 2009 г. с космодрома Куру во Французской Гвиане. В настоящее время оба КА плодотворно работают вблизи точки Лагранжа L2 на расстоянии 1.5 млн км от Земли в антисолнечном направлении. Посмотрим, что произошло за год с «Гершелем» и какие наблюдения выполнил самый крупный космический телескоп в мире на сегодняшний день.


ПЕРВЫЕ СНИМКИ

    Главная коррекция на этапе перелета от Земли в район L2 была выполнена 10 июня 2009 г. с использованием двигателя А1 с приращением скорости 0.732 м/с. Еще два маневра 24 июня (0.186 м/с) и 17 июля (0.422 м/с) обеспечили прибытие «Гершеля» в заданную рабочую область и выход на «орбиту» вокруг точки L2 с амплитудой около 700000 км и периодом примерно 178 суток. Видимое отклонение КА от L2 достигает 30°.

ОБСЕРВАТОРИЯ ГЕРШЕЛЬ

    Суммарный расход топлива на ориентацию и маневры начиная с момента отделения от носителя составил 22.1 кг. Остаток топлива на борту - 196.3 кг - многократно перекрывал потребности обсерватории на коррекции рабочей орбиты, составляющие примерно 10.7 кг в год.
    Работа по вводу обсерватории в эксплуатацию началась задолго до этого. Еще 19 мая был включен фотометр и спектрометр SPIRE, что позволило протестировать всю цепочку прохождения научной информации от измерений на борту до архивирования на Земле. Уже 22 мая с помощью собственного криокулера на гелии-3 температура этого прибора была доведена до 293 милликельвинов, и он стал самым холодным объектом на орбите, если не во всей Вселенной!

"Первый свет" обсерватории Гершель: галактика М51
ОБСЕРВАТОРИЯ ГЕРШЕЛЬ

    Следует напомнить, что регистрирующая аппаратура «Гершеля» находится в криостате с 2300 л «обычного» жидкого гелия 4Не. Испаряясь, он обеспечивает теплоотвод от приборов, не позволяя им нагреться выше 4.2 К. Более низкие температуры достигаются сложной системой дополнительных холодильников. Охлаждение датчиков является необходимым условием выполнения наблюдений в ИК-диапазоне.
    24 мая была включена и прошла короткий функциональный тест камера PACS, включая все ее механические части, электронные блоки криокулера и матрицы. В тот же день был включен и гетеродин HIFI и в течение 30 часов тестировались его составные части. Опять-таки все прошло штатно.
    Параллельно с этими тестами проводился нагрев главного и вторичного зеркала телескопа с тем, чтобы на них не оседали летучие вещества, выделяемые элементами конструкции аппарата. 6 июня эта операция была закончена, а 8 июня были закрыты клапаны стравливания гелия. За неделю температура зеркал снизилась до 120 К, и это позволило выдать 14 июня в 10:53 команду на подрыв пироболтов и открытие крышки криостата.
    Это означало, что теперь Herschel может сделать первые тестовые снимки и убедиться, что приборы обладают теми характеристиками, которые были заложены в них разработчиками. Для начала уникальной миссии все было готово!

«ПЕРВЫЙ СВЕТ»

    Право сделать первый снимок предоставили прибору PACS. Объектом для теста была выбрана спиральная галактика М51 «Водоворот» в с озвездии Гончих Псов. Она находится на расстоянии от 23 до 37 млн световых лет от нас и имеет диаметр 75-100 тыс св.лет. 14-15 июня PACS получил серию четких изображений на длинах волн 70, 100 и 160 мкм, после чего специалисты сформировали цветное изображение объекта. Очень контрастными получились ядро галактики и спиральные «рукава», в которых четко определялось вещество, имеющее разную температуру. По сравнению с ранее сделанным снимком американской орбитальной обсерватории Spitzer галактика смотрелась гораздо четче и эффектнее.
    22 июня первые спектральные данные с высоким разрешением получил гетеродин HIFI. Для тестовых наблюдений была взята область образования массивных звезд DR21 в созвездии Лебедя, находящаяся от Земли на расстоянии 6000 св. лет. В 2003 г. обсерваторией Spitzer были получены детальные снимки этого облака в ИК-диапазоне, на которых была видна сложная структура распределения газа и пыли в нем. Тогда в объекте DR21 впервые были обнаружены органические соединения - полициклические ароматические углеводороды, так называемые РАН. Сейчас на спектрограммах «Гершеля» были выявлены линии воды, окиси углерода и ионизированного углерода. Вероятно, наблюдаемое вещество является частью массивного выброса, сформировавшегося при рождении звезды.

Область DR21 в Лебеде
ОБСЕРВАТОРИЯ ГЕРШЕЛЬ

    23 июня PACS был впервые опробован в спектрометрическом режиме. Научная группа Herschel решила потренироваться «на кошках»; использовав как объект для наблюдений планетарную туманность NGC 6543 в созвездии Дракона, более известную как «Кошачий глаз». Между прочим, она была обнаружена еще в 1786 г. самим Уилльямом Гершелем, в честь которого названа орбитальная обсерватория. Первые наблюдения PACS провел в линии дважды ионизированного азота (57 мкм) и в линии тонкой структуры нейтрального кислорода (63 мкм). Для удобства планирования последующих наблюдений PACS сделал небольшую карту объекта NGC 6543 в полосе 70 мкм, выявив структуру пылевого диска, «разомкнутого» с одной стороны.
    Этот далекий объект, находящийся в 3300 св. годах от нас, состоит преимущественно из водорода и гелия, присутствуют также углерод, азот и кислород (это типичный химический состав для планетарных туманностей). «Кошачий глаз» исследовался ранее европейской ИК-обсерваторией ISO, но ее возможности были ограниченны. С помощью КА Herschel ученые планируют изучить состав и движение вещества туманности под действием звездного ветра.
    24 июня свою первую съемку провел прибор SPIRE. Объектами наблюдений стали две спиральные галактики М66 (NGC 3627) в созвездии Льва и М74 (NGC 628) в Рыбах. При съемке применялись длинноволновые фильтры с центрами 250, 350 и 500 мкм. В качестве доказательства превосходных способностей КА Herschel эти снимки опять-таки были сопоставлены с изображениями Мбб и М74, полученными ранее обсерваторией Spitzer.
    Результаты тестовых съемок «Гершеля» оказались превосходными, и было принято решение о переходе с 21 июля от приемки КА и ПН к стадии подтверждения характеристик приборов. Этот этап должен был смениться в конце ноября регулярной работой, однако серьезный сбой на борту заставил пересмотреть планы. Почти полгода ученые были вынуждены довольствоваться только двумя приборами - SPIRE и PACS.

Пробпемы с гетеродином HIFI

    3 августа 2009 г. обнаружилось, что накануне отключился гетеродин HIFI. Анализ состояния прибора показал, что причина отказа лежала в блоке управления локального осцилятора LCU (Local oscilator unit), а конкретно - в цепях его питания.
    Оперативно создали специальную комиссию, куда вошли члены команды Herschel, специалисты Европейского космического агентства и Нидерландского института космических исследований SR0N (разработчика прибора). После нескольких недель тщательного расследования и моделирования на наземном аналоге удалось разобраться в том, что же произошло.

Модуль LCU
ОБСЕРВАТОРИЯ ГЕРШЕЛЬ

    Наиболее вероятной первопричиной сбоя признали попадание заряженной частицы в модуль оперативной памяти микроконтроллера LCU. Обнаружив ошибку, микроконтроллер инициировал перезагрузку и потерял связь с главным компьютером прибора HIFI. Примерно через секунду после этого внезапно сработал резервный выключатель, который был введен в схему для защиты LCU в случае падения питания по основной шине спутника. Поскольку он включился при полном напряжении на шине (28 В), дополнительный скачок питания создал чрезмерную нагрузку на преобразователь постоянного тока в составе LCU, и один из диодов в нем сгорел, выведя блок питания из строя.
    Второй полукомплект электроники HIFI оставался исправен, но, разумеется, его нельзя было включить, не установив причину отказа и не приняв мер против повторения его в дальнейшем. В ходе расследования было установлено, что некоторые диоды имеют недостаточную защиту от перегрузки, но тем не менее должны справляться с кратковременными скачками питания, характерными для нормальной работы прибора. Нужно было также откорректировать бортовое ПО в части логики работы и защиты инструмента и убедиться в безопасности его дальнейшего применения. При этом условии разработчики гарантировали нормальную работу HIFI до конца расчетного срока.
    Результаты расследования и выработанный план мероприятий по возвращению прибора в строй были представлены директору научных программ ЕКА Д. Саусвуду на встрече в центре ESTEC 25 ноября 2009 г. и получили одобрение.
    14 января 2010 г. гетеродин HIFI включили вновь и 28 февраля ввели в штатную работу на резервном канале электроники. Таким образом, после длительной и кропотливой работы удалось восстановить прибор, способный получать уникальные данные о Вселенной.

ПЕЙЗАЖИ ВСЕЛЕННОЙ

    Из-за отказа HIFI график ввода обсерватории в строй был пересмотрен, и этап научно-демонстрационной работы после подтверждения характеристик PACS и SPIRE затянулся. Лишь в январе 2010 г. Herschel начал регулярные научные наблюдения.

Галактика М74 глазами обсерваторий "Spitzer" и "Herschel"
ОБСЕРВАТОРИЯ ГЕРШЕЛЬ

    До этого аппарат производил съемки конкретных объектов и показывал свои возможности. Был получен большой объем красивых и информативных снимков, спектральных данных и другой информации, касающейся далеких объектов во Вселенной. Первые предварительные научные результаты работы обсерватории были представлены на конференции в Мадридском политехническом университете (Universidad Politecnica de Madrid) в г. Боадилья-дель-Монте (Испания) 17-18 декабря 2009 г.
    Одним из первых тестов стало сканирование небесной сферы с помощью спектрометра SPIRE. Серия состояла из шести наблюдений, выполненных 12 сентября 2009 г. Объектами исследований стали различные астрономические источники, включая область ионизированного водорода НII, протопланетную туманность, остатки Сверхновой и пару скоплений галактик.
    PACS и SPIRE проводили наблюдения не только по одиночке, но и работали параллельно, что дало очень хорошие результаты. Так, 1-3 сентября прошла серия совместных наблюдений в диапазонах от 70 до 500 мкм области вблизи плоскости Галактики, в 60° от галактического центра, в созвездии Южного Креста, где молекулярные облака разного размера и температуры располагаются вдоль луча зрения. В результате были получены фотографии «кусочков» Млечного пути размером 2*2° с беспрецедентной детализацией, которая ранее была не доступна ни одному телескопу! Был выявлен исключительно богатый резервуар холодного материала в неожиданно активном состоянии: судя по всему, межзвездный материал конденсировался в протяженные и взаимосвязанные нити и струны из формирующихся звезд на разных стадиях развития.

Область 2x2° в Южном Кресте. Цветной снимок синтезирован из изображений PACS (70 мкм - синий канал, 160 мкм - зеленый канал) и SPIRE (комбинация трех диапазонов прибора - красный канал изображения)
ОБСЕРВАТОРИЯ ГЕРШЕЛЬ

    Параллельный режим PMODE является настолько мощным и эффективным способом обзора небесной сферы, что иногда рассматривается как четвертый научный прибор «Гершеля». Этот режим выгоден для съемки больших областей при обзорных наблюдениях.
    Телескоп проводит сканирование неба со скоростью 20 или 60" в секунду, и при этом ведется съемка в пяти диапазонах одновременно: 70/110 и 170 мкм на PACS и 250, 350 и 500 мкм на SPIRE. Учитывая, что поля зрения приборов разделены между собой расстоянием в 21' вдоль оси Z аппарата, можно подобрать такой угол между направлением сканирования и осью Z, что небесная сфера будет покрываться без промежутков. Продолжительность одного наблюдения может достигать 18 часов.

Область звездообразования в созвездии Орла поперечным размером около 65 св. лет. Красный цвет соответствует диапазону 500 мкм, зеленый - 170 мкм, синий - 70 мкм. Две самые яркие зоны являются результатом свечения водорода под действием излучения крупных новорожденных звезд.
ОБСЕРВАТОРИЯ ГЕРШЕЛЬ

    24 октября SPIRE и PACS сделали очень хорошие снимки области формирования звезд в созвездии Орла, на которых была выявлена не видимая ранее «звездная колыбель». Этот объект является частью гигантского пояса Гулда - кольца молодых массивных звезд диаметром около 3000 св. лет, наклоненного под 20° к галактической плоскости. Возраст его оценивается величиной от 30 до 50 млн лет, а линия прохождения пояса на небе соответствует расположению нескольких ближайших молекулярных облаков с активным звездообразованием.
    В рамках программы наблюдений пояса Гулда, являющейся одним из основных проектов «Гершеля», в бортовое ПО обсерватории было заложено проведение исследований 15 молекулярных облаков для изучения процесса образования звезд низкой и промежуточной массы. На ранних стадиях своего формирования протозвезды излучают в основном в диапазоне 80-400 мкм, и спектральные каналы SPIRE и PACS идеальны для таких наблюдений.
    Наблюдавшаяся область звездообразования в созвездии Орла находится на расстоянии около 1000 св. лет от Солнца. Она настолько окутана межзвездной пылью, что еще ни одному КА не удавалось заглянуть внутрь! Огромные «нити» холодной пыли (показаны красным и оранжевым) видны по всей области снимка. Внутри них можно заметить около 700 зон скоплений пыли и газа, из которых потом родятся звезды. Около сотни из них - это, по-видимому, уже протозвезды, а остальным 600 только предстоит «созреть» до этой фазы эволюции.
    Еще одним примечательным объектом, который был исследован обсерваторией, стал сверхгигант VY Большого Пса. Это самая большая из известных на сегодняшний день звезд (масса светила в 30-40 раз, а диаметр в 2600 раз больше солнечного), а возможно,, и одна из самых ярких во Вселенной (в 100000 раз ярче Солнца). Она находится на расстоянии около 4900 св. лет от нас.
    Спектр звезды оказался очень интересным: на фоне всех элементов выделялись такие соединения, как вода и моноокись углерода. Всего же в полученных приборами SPIRE и PACS данных было найдено около 200 спектральных особенностей, и некоторые из них пока не расшифрованы. Те из них, которые так или иначе связаны с водой, указывают, что вокруг звезды существует огромное облако из горячего пара. Такие исследования помогут в будущем понять, какой механизм отвечает за потерю звездами их массы, а также изучить химические процессы, проистекающие в их протяженных оболочках. А вообще этот супергигант находится на завершающей стадии своего существования и может в любой момент превратиться в сверхновую!
    Интересными объектами в программе «Гершеля» стали транснептунные объекты (TNO) из пояса Койпера. Их исследование представляет большой интерес, так как поможет ответить на вопросы о возникновении и эволюции Солнечной системы. Измерение теплового излучения от этих объектов позволяет определить такие их характеристики, как размер, плотность, альбедо и тепловые свойства.
    Среди представленных в Мадриде были результаты наблюдений занептунной карликовой планеты Макемаке, которая сейчас находится на расстоянии 52 а. е. (около 8 млрд км) от Солнца. Она была открыта группой астрономов во главе с Майклом Брауном в 2005 г. и первоначально обозначалась 2005 FY9, но после надежного определения орбиты была внесена в каталог астероидов под номером 136472 и получила собственное имя. На сегодняшний день это третий по величине плутоид после Плутона и Ириды - диаметр Макемаке оценивается в 1500 км (Примерно такие же размеры имеет очень далекий астероид Седна, обращающийся вокруг Солнца по сильно вытянутой орбите). Предполагается, что температура на его поверхности составляет всего 30 К.

VY Большого Пса
ОБСЕРВАТОРИЯ ГЕРШЕЛЬ

    Такие далекие и холодные объекты очень сложно обнаружить, но прибору SPIRE это удалось. Для этого было сделано два снимка с интервалом в 44 часа, и после их «вычитания» удалось устранить фон и увидеть два изображения Макемаке - «положительное» и «отрицательное». Микропланета оказалась намного более тусклой, чем ожидалось, и ученые вынуждены заключить, что это, может быть, более сложный мир, чем думали ранее.
    Но, наверное, самыми интригующими получились результаты исследований далеких астрономических объектов (прежде всего, туманностей и звездных скоплений) на наличие в них воды и углеводородных соединений, которые могут указывать на присутствие там примитивных форм жизни. Соответствующая ключевая программа «Гершеля» носит название WISH (Water 1п Star-forming regions with HerscheL), что буквально означает «желание».
    К декабрю 2009 г. «Гершель» пронаблюдал с помощью PACS около 90 молодых звездных объектов, и в трех из них признаки воды были четко выявлены. Это объект L1157, который окружен плотной газовой оболочкой (со временем он превратится в звезду, сходную с нашим Солнцем), объект Хербига-Аро НН46 (молодая звездная система) и молодой звездный объект промежуточной массы NGC 7129 в созвездии Цефея.
    Так, в L1157 с помощью PACS удалось картировать распределение воды в окрестностях протозвезды и найти ударные волны в тех местах, где джеты из центра объекта достигают окружающих его облаков и выделяется большое количество энергии. В НН46 удалось выявить «запрещенные» линии возбужденного нейтрального кислорода, связанные с ударными волнами. Наконец, в NGC 7129 были выявлены мощные линии воды, гидроксила, окиси углерода и нейтрального кислорода, что заставило исследователей пересмотреть имеющиеся модели среды вокруг этого объекта.

Два изображения плутоида Макемаке
ОБСЕРВАТОРИЯ ГЕРШЕЛЬ

    Одним из первых объектов, которые пронаблюдал HIFI после возвращения в строй, стала туманность Ориона, считающаяся главной «фабрикой» химических соединений в наших окрестностях. Однако ее химический состав и механизм образования многих молекул пока полностью не изучен.
    Спектрограммы «Гершеля» показали, что там присутствуют такие соединения, как вода, окись углерода, формальдегид, метанол, диметиловый эфир, цианистый водород, оксид и диоксид серы и их изотопные варианты. Анализ данных продолжается, и ожидается, что будут обнаружены и новые органические молекулы.
    «Работа HIFI - потрясающее зрелище, - говорит Франк Хелмих (Frank Helmich), его научный руководитель из SRON. - Мы получили этот спектр в течение нескольких часов, и он стал самым детальным из всех спектров туманности Ориона, которые когда-либо были сделаны в тех или иных длинах волн. В полученных данных органика присутствует везде, и даже на низких уровнях, что подтверждает надежность данных HIFI. Разработка прибора заняла восемь лет, но это действительно того стоило».

Линии химических соединений в спектре Туманности Ориона
ОБСЕРВАТОРИЯ ГЕРШЕЛЬ

    Исследования туманности Ориона ведутся в рамках научной программы HEXOS. С помощью приборов HIFI и PACS планируется выполнить полный спектральный обзор пяти точечных источников в туманности Ориона и в гигантском газопылевом облаке Стрелец В2 (Sagittarius В2). Эти два объекта - среди лучших кандидатов на исследование физических и химических процессов, которые проистекают в межзвездном пространстве и ассоциируются с рождением массивных звезд и образованием звездных скоплений.

Смотрите шашлык из свинины у нас на сайте.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru