НАУЧНЫЕ СТАТЬИ
Заходите к нам на форум: задавайте вопросы - получайте ответы!
Исследование Солнечной Системы - Научные Статьи
Наука и Солнечная Система
Современная наука и Техника

    Основной целью, поставленной в данной публикации, является раскрытие ключевых аспектов и тенденций развития науки и техники, стремление выявить их общие закономерности, скрытые за большим количеством ежедневных событий, новостей и явлений. Благодаря такому емкому изложению, эти публикации могут быть полезны как лицам, интересующимся техническим прогрессом, так и учащимся.
Продолжение смотрите ДАЛЕЕ: Наука и техника (1- часть), Роботы или люди (2- часть), Телескопы и зонды (3- часть)

Телескопы и обсерватории

    Как известно, первый телескоп был изобретен Галилеем. Даже с помощью такого сравнительно простого инструмента (телескоп имел всего лишь 30-кр увеличение) он смог сделать ряд важных открытий: горы на Луне, спутники Юпитера, а также то, что Млечный путь в действительности состоит из огромного количества звезд. С тех пор прошло значительное количество времени, и телескопы стали значительно мощнее и разнообразнее. Первое и классическое направление среди всех телескопов, существующих сегодня, заданное еще Галилеем, - это оптические телескопы. Они работают в том же диапазоне длин волн, что и человеческий глаз; иными словами – снимки, полученные на таких телескопах, можно рассматривать без всякой обработки. В чем состоит задача любого телескопа? Он должен собирать как можно больше света, чтобы с его помощью можно было разглядывать все более и более тусклые объекты, которые не видны невооруженным взглядом. А это означает, что необходимо все больше и больше увеличивать площадь собирающего зеркала телескопа. Таким образом, общей тенденцией в конструировании телескопов (и не только оптических) является постоянное увеличение площади их зеркал.
    Однако такое увеличение размеров не может идти беспредельно. Одной из причин здесь являются проблемы механического характера – крепление зеркала, прочность и вес. Кроме того, изготовление точных зеркал большого размера (их профиль должен быть параболическим) требует и уникальных методик их отливки. Поэтому сегодняшнее телескопостроение идет по пути использования нескольких зеркал меньшего размера вместо одного большого. Так, например, Большой бинокулярный телескоп (Large Binocular Telescope, LBT) использует два зеркала диаметром 8.4 метра, которые совместно собирают столько же света, сколько и одно зеркало диаметром 11.8 метра. Более того, LBT имеет разрешающую способность 22.8-метрового телескопа, так как он использует наиболее современную адаптивную оптику и совмещает изображения интерферометрическим способом. Применение таких методик связано с необходимостью компенсировать дрожание атмосферы, которое проявляется в размытии снимков, и, фактически, стало неотъемлемой частью любого современного наземного телескопа.

Телескоп КЕК-2
Полировка зеркала для телескопа
Телескоп "Кек-2". Показано первичное зеркало и поддерживающая его конструкция. Зеркало диамет-ром 10 метров состоит из 36 шестиугольных зеркал диаметром 1,8 м. Каждое маленькое зеркало контролируется компьютером через сеть сенсоров.
Производство зеркала для телескопа "Джемини". В центре видна полирующая машина, которая очищает с помощью абразивного порошка поверхность зеркала. Выступы покраям башни над зеркалом помогают предохранить его от пылевого загрязнения.
 
Телескоп VLT состоит из 4 телескопов UT1-UT4 (UT – расшифровывается как Unit Telescope), главные фасеточные зеркала которых имеют диаметр 8.20 метров, а также 3 вспомогательных телескопа (AT1-AT3) величиной 1.80 метра в диаметре каждый.
Первыми «ласточками» нового поколения больших телескопов стали два 10-метровых близнеца для оптических инфракрасных наблюдений, получивших имя «Кек». Они появились на свет благодаря помощи фонда У. Кека, предоставившего 140 000 долларов.
VLT
Телескопы КЕК

    Однако есть и другой способ решения данной проблемы – вывод телескопа за пределы атмосферы, в космос. Классическим примером космического телескопа, работающего в оптическом диапазоне, стал телескоп Hubble. Уже первые его снимки показали, насколько более высокую четкость они имеют в сравнении со снимками наземных телескопов. Впрочем, есть и другая причина, почему удобно использовать космические телескопы, а именно – стремление наблюдать Вселенную и на других длинах волн (атмосфера Земли блокирует многие длины волн). Данная потребность связана с тем, что в космосе идет огромное множество процессов, и только некоторые из них проявляют себя в оптическом диапазоне (например, переменные звезды или вспышки сверхновых). Так, например, газовые облака излучают в радиодиапазоне; поглощение вещества черными дырами сопровождается рентгеновским излучением; области формирования звезд можно обнаружить по ИК-излучению. Все это – уже динамическая Вселенная (в отличие от статической, которая изучалась оптической астрономией), представленная во всем богатстве своих процессов. И, нужно заметить, что только динамика космоса поможет раскрыть нам тайны происхождения Вселенной, ее развития, поможет понять физическое строение нашего мира и разрешить множество других вопросов.
    В каких диапазонах работают современные космические телескопы? Первый тип телескопов – это инфракрасные телескопы. Они позволяют обнаруживать слабо нагретые (по космическим меркам) объекты, например, газовые облака или области зарождения звезд. Важной особенностью таких телескопов является то, что они должны подвергаться глубокой заморозке – для того, чтобы собственное тепловое излучение не вносило помехи в принимаемый сигнал. Для этого они снабжаются термостатом, а также выводятся в такие точки космоса, где они оказываются постоянно закрытыми от солнечного излучения (такой, например, является так называемая точка Лагранжа L2). В настоящее время основной инфракрасной обсерваторией является телескоп Spitzer космического агентства NASA. В 2007 году в дополнение к нему на орбиту будет выведен более мощный телескоп Herschel Европейского космического агентства ESA. Как утверждают его конструкторы, «Herschel будет первой космической обсерваторией, способной перекрывать диапазон от далекого инфракрасного до субмиллиметрового излучения. Он будет способен обнаруживать очень специфические виды излучения, связанные с колебаниями молекул воды или органических молекул. Нахождение этого излучения, разумеется, не будет доказательством существования жизни, но, по крайней мере, станет косвенным ее свидетельством».
    Второй тип космических телескопов – это рентгеновские телескопы. Такие телескопы нацелены на обнаружение весьма бурных процессов, происходящих в космосе и сопровождающихся большими выделениями энергии: взрывов сверхновых, поглощения веществ черными дырами и так далее. Таким образом, если ИК-астрономия нацелена на исследование зарождения космических объектов, то рентгеновская астрономия преимущественно изучает последние стадии их жизни. Следует заметить, что зачастую эти стадии протекают довольно быстро (опять же – по космическим меркам). В этом плане звездное небо в рентгеновском диапазоне представляет собой весьма непостоянное образование, где все время происходят какие-то изменения. Как можно отследить их? Стандартная методика наблюдений, когда телескоп направляется на одну точку, уже оказывается неэффективной. Поэтому британские ученые предложили идею телескопа Lobster, основанного на строении глаза омара. Благодаря этому, он может наблюдать все объекты на небесной сфере одновременно. Данный телескоп будет установлен на МКС.
    Есть и еще более высокоэнергетичные процессы в космосе, которые сопровождаются уже гамма-излучением (как правило, в виде вспышек). Однако пока механизмы образования гамма-вспышек еще изучены слабо, и здесь предстоит большая работа. Основную трудность в их регистрации составляет их непредсказуемость и очень короткая длительность.
    Но вернемся обратно к наземной астрономии. В каких диапазонах можно вести наблюдения здесь? Основные ограничения здесь связаны с прозрачностью атмосферы, то есть с ее возможностью пропускать те или иные длины волн. Основное направление здесь – это радиоастрономия, которая зародилась еще в 1950-х годах (можно вспомнить такие крупные классические радиотелескопы, как Серпуховский или Arecibo). Сегодняшние наземные телескопы осваивают еще оставшиеся неизученными участки этого диапазона длин волн. Так, например, обсерватория APEX в Чилийских Андах будет исследовать субмиллиметровый диапазон (длины волн 0.2-1.5 мм). Ее телескоп позволит астрономам изучать химические и физические условия в молекулярных облаках – плотных газопылевых образованиях – где происходит формирование звезд. Еще одной уникальной обсерваторией является обсерватория Пьера Оже (Pierre Auger Observatory) в Аргентине. Она представляет собой массив из 1600 детекторов, занимающих территорию более 3000 кв. километров – всё для того, чтобы регистрировать пролеты частиц высоких энергий. Такие частицы при попадании в атмосферу вызывают «атмосферные ливни» - потоки вторичных частиц, которые как раз и регистрируются массивом детекторов. Откуда берутся космические лучи столь высоких энергий – остается загадкой, и ее решение помогло бы обнаружить новые процессы во Вселенной. В целом, нужно заметить, что изучение космоса еще далеко от финальной точки. На Землю приходят лучи самых различных длин волн, которые связаны с теми или иными процессами во Вселенной, и их регистрация с помощью разнообразных телескопов поможет человечеству глубже проникнуть в ее строение.

Космические зонды (аппараты)

    Телескопы, описанные в предыдущем разделе – лишь один из способов получить новую информацию об окружающем нас космосе. Его очевидным недостатком является то, что человеку здесь отводится лишь роль пассивного наблюдателя. Между тем, существует другой подход к изучению небесных тел – посредством космических зондов и аппаратов. В этом случае появляется возможность активно взаимодействовать с исследуемым объектом, будь то поверхность планеты, астероид, комета или что-то еще. О двух проектах такого рода и пойдет речь ниже. Оба они были успешно завершены в 2005-06 годах. Первый проект – так называемая миссия Deep Impact (дословно – «Глубокий удар»). Ее целью было исследование состава ядра кометы Tempel 1. Необходимость такого изучения очевидна: кометы сохранили в неизменном виде (по крайней мере, в своих внутренних областях) то первоначальное вещество, из которого образовывалась наша Солнечная система. Таким образом, исследовав его, станет возможным ответить на многие вопросы о формировании планет и о процессах, происходивших в системе.
    Зонд Deep Impact был составлен из двух частей: так называемого «импактора» (ударника) – медного снаряда массой 370 килограммов, который врезался 4 июля 2005 года в комету с относительной скоростью 10.2 км/сек, и материнского зонда, производившего съемку всего процесса. Помимо материнского зонда, за ударом также наблюдало большое количество как наземных, так и космических телескопов. Так, например, Майкл Мумма (Michael Mumma) и его коллеги из Центра космических полетов Годдарда NASA (NASA Goddard Space Flight Center) использовали мощный телескоп обсерватории Кек на Гавайях для подробного анализа света, излученного газом кометы в момент удара. При этом оказалось, что внутренность ядра действительно имеет другой химический состав. «Количество этана (C2H6) в облаке, окружающем комету, было значительно выше после удара, чем до него», - поясняет Мумма. Далее, группа Дианы Вуден (Diane Wooden), астрофизика NASA, используя инфракрасные детекторы телескопов Gemini и Subaru, которые также расположены на Гавайях, показала наличие силикатных кристаллов во внутренних частях кометы. Наблюдения на инфракрасном космическом телескопе Spitzer обнаружили в составе кометы неожиданные компоненты, такие как глина и карбонаты. Ранее считалось, что для их формирования необходима жидкая вода. Список сделанных наблюдений можно продолжать и дальше. Однако в целом, пока можно уверенно сказать лишь одно: миссия Deep Impact породила новую волну научных вопросов. Действительно ли состав выброшенного при ударе вещества соответствует внутренним частям кометы? Как и где они формировались? Какова структура и состав комет? - вот лишь некоторые из возникших вопросов. И для их решения научное сообщество уже предлагает новые миссии. Так, первая из них (миссия DeepR - Deep-Rosetta) пройдет по тому же сценарию, что и миссия Deep Impact, а «мишенью» станет комета Чурюмова-Герасименко. Во второй миссии DIXI (Deep Impact eXtended Investigation) предлагается отправить еще работоспособный материнский зонд Deep Impact к комете Бофина в 2008 году. Как заявляет автор этой идеи Майкл А’Хирн (Michael A'Hearn), астроном из Мерилендского университета, США, «DIXI может выполнить до половины работы миссии Deep Impact всего за 10% от ее стоимости. Поэтому с точки зрения эффективности данная миссия находится вне всяких сомнений».
    Авторы второго проекта – миссии Stardust (дословно – «Звездная пыль») – пошли еще дальше разработчиков Deep Impact. Им удалось не только дистанционно изучить комету Wild 2, но и собрать образцы материала из ее хвоста. Для этого зонд пролетел сквозь него на расстоянии в 240 километров от ядра кометы. Для сбора вещества зонд Stardust был снабжен специальным коллектором, заполненным аэрогелем. В результате проведенной операции ученые впервые получили в свои руки вещество, которое оставалось неизменным в течение примерно 4 миллиардов лет! Кроме того, коллектор с аэрогелем использовался для сбора частиц межзвездной пыли.
    Возвращение капсулы с собранным веществом на Землю случилось 15 января 2006 года (мягкое приземление произошло в пустынной местности американского штата Юта). Уже первое изучение доставленного материала потрясло ученых: как заявил Дональд Браунли (Donald Brownlee), глава данного проекта, «это оказалось лучше всех наших самых великих ожиданий». Когда емкость с образцами внутри капсулы была открыта, исследователи смогли невооруженным глазом увидеть мелкие черные камешки и другие частицы, захваченные аэрогелем. «Мы были ошеломлены возможностью увидеть это так быстро и столь непосредственно», - комментирует Браунли.

Stardust
Stardust
Изображение показывает последствия воздействия частицы кометы на аэрогель удерживаемый алюми-невой структурой. От столкновения образовался небольшой "кратер". Видны и сами частицы.
Капсула зонда Stardust при вхождении в атмосферу Земли светилась подобно летящей комете. NASA распространило фильм о приземлении возвраща-емого аппарата межпланетного зонда Stardust.
 
Deep Impact и медный снаряд. В составе комет меди нет, поэтому анализ вещества ядра будет точнее, при выбросе с кометы. Космический аппарат на доработке и проверке узлов (показан еще на Земле).
Когда зонд аппарата Дип Импакт приближался к комете Темпель 1 со скоростью десять километров в секунду, предназначенная для точного прицеливания камера на его борту получила замечательную серию.
Deep Impact
Темпель 1

    Однако изучение полученного вещества не является такой простой задачей. Первая особенность заключается в том, что за всю миссию было собрано не более чайной ложки космической пыли из кометного хвоста. По этой причине на первый план выходит поиск максимально эффективных путей ее изучения (состава, формы частиц и т.д.). Так, к примеру, группа ученых из Империал-колледжа (Imperial College), Лондон, под руководством Фила Бланда (Phil Bland) будет анализировать образцы с помощью рентгеновского прибора. Особенность прибора заключается в том, что он позволяет изучать минеральный состав микрочастиц, когда они остаются в аэрогеле, то есть без их повреждения. В целом же, здесь существует специальная комиссия, которая занимается распределением собранного зондом вещества по исследовательским лабораториям.
    Второй особенностью является анализ захваченных частиц межзвездного вещества. Как правило, они имеют размер лишь в единицы микрон. Подобные частицы крайне сложно найти в аэрогеле, но в то же время, несмотря на свой малый размер, они представляют большую научную ценность – как заявляют авторы проекта Stardust@home, «межзвездные пылевые частицы являются единственным видом материи, который достигает нашей Солнечной системы от других звезд. С их помощью ученые намерены изучить соотношение различных изотопов в других звездных системах и сравнить эти данные с нашей системой. Таким образом, станет возможным ответить на вопрос об уникальности нашего «звездного дома». Чтобы решить проблему поиска межзвездных частиц, был организован упомянутый выше проект распределенных вычислений Stardust@home, к которому может присоединиться любой человек, имеющий компьютер с выходом в интернет. В ходе этого проекта с помощью микроскопа сканируется вся поверхность аэрогеля, а затем полученные видеофильмы обрабатываются на компьютерах добровольцев по всему миру. Если в ходе анализа найдется след от попавшей в аэрогель частицы, то в этой точке будет проведено более тщательное сканирование. Разумеется, описанные миссии, а также все остальное – это лишь первые шаги человечества в деле изучения космоса. В действительности, связь между жизнью на нашей планете и космосом является намного более глубокой.
Дружков Александр, Современная наука и техника - "Живая наука" (http://livescience.ru)
    Как на нас влияет солнечная активность? Откуда произошла жизнь на Земле? Как эволюционировала наша Солнечная система и Вселенная в целом? Есть ли где-нибудь другая жизнь, и в какой форме она существует? Как мы будем осваивать космос? Что мы можем взять оттуда, и что нам угрожает там? Множество важных вопросов уже ждет ответа, ждет своих исследователей…


Предисловие от Автора

    Данная книга открывает собой цикл публикаций, посвященных состоянию современной науки и техники. При этом основной целью, поставленной в данных книгах, является раскрытие ключевых аспектов и тенденций развития науки и техники, стремление выявить их общие закономерности, скрытые за большим количеством ежедневных событий, новостей и явлений. Благодаря такому емкому изложению, эти книги могут быть полезны как лицам, просто интересующимся научно-техническим прогрессом, так и учащимся и студентам. В последнем случае, вообще говоря, ставится более серьезная задача: по мере возможностей дополнить классическое образование, получаемое в школах и университетах, картиной современного мира, в котором станут жить и работать будущие выпускники. И нет никакого сомнения, что здесь знакомство с сегодняшним состоянием науки и техники было бы желательно начинать уже с ранних этапов обучения. По этой причине все материалы, даже касающиеся серьезных исследований, изложены максимально доступным языком. Наконец, нужно заметить, что везде, где это было возможно, описывается не только текущее состояние дел в той или иной области, но и делается определенный прогноз на 5-10 лет вперед. В этом плане книга приобретает особую ценность, позволяя уже сегодня «приоткрыть завесу» над захватывающим миром будущего, подготовиться к его приходу. Следует оговориться, что многие вопросы, заявленные в этой книге, оставлены открытыми – на размышление читателю. И я вполне допускаю, что ваше представление о научно-техническом прогрессе будет отличаться от изложенного здесь: в этом случае я открыт для взаимно развивающего диалога с помощью электронной почты info2you@yandex.ru. Все дополнительные материалы к данной книге можно найти на сайте «Живая наука»: http://livescience.ru.

Discont shina интернет магазин шин http://www.rezina62.ru.
2005 - , Проект "Исследование Солнечной системы"
Открыт 15.12.2005, E-mail: lobandrey@yandex.ru