Основоположники космонавтики, обосновывая в первой половине ХХ века необходимость выхода человечества во внеземное пространство, среди прочих практических целей называли развитие астрономии. Они писали: наблюдение небесных тел затруднено колебаниями атмосферы и непредсказуемой погодой, поэтому вынесение телескопов за пределы планеты позволит на порядки увеличить их «дальнозоркость».
Идею космических обсерваторий выдвигали Константин Циолковский в статье «Свободное пространство» (1883), Герман Оберт в работе «Ракета в межпланетное пространство» (1923) и Макс Валье в книге «Полёт в мировое пространство» (1924). После этого астрономические наблюдения с околоземной орбиты стали часто описывать в научно-популярной литературе и фантастике: достаточно вспомнить роман Александра Беляева «Звезда КЭЦ» (1936).
Впрочем, первые попытки провести наблюдения на больших высотах предпринимались задолго до начала космических полётов. Например, известно, что во время полного солнечного затмения 19 июня 1936 года московский астроном Пётр Куликовский поднялся на субстратостате, чтобы сфотографировать корону Солнца. Для американской астрономии практическим шагом к орбитальным телескопам стала программа «Стратоскоп» (Stratoscope), развитием которой руководил знаменитый астрофизик Мартин Шварцшильд.
Первый телескоп с диаметром главного зеркала 30,5 см, созданный в рамках программы, поднялся в воздух 22 августа 1957 года и достиг высоты 25,3 км. Там блок приборов начал автоматическую съёмку нашего светила в высоком разрешении, а киноплёнку затем проявили на земле. Результат эксперимента впечатлил учёных, и программа получила развитие: изучение Солнца и других объектов стратоскопами продолжалось до 1971 года, после чего они уступили место более совершенным инструментам.
Полёт Stratoscope I в сентябре 1957 года
Наблюдатели в космосе
Практическая космонавтика успешно развивалась, и инженеры сделали следующий шаг: начали проектировать орбитальные телескопы. Американские специалисты разработали серию спутников под названием ОАО (Orbital Astronomical Observatory), которые могли наводиться на любое небесное тело и с высочайшей точностью удерживать его в «поле зрения» приборов. Спутник ОАО-1, выведенный в космос 8 апреля 1966 года, не смог раскрыть солнечные батареи и начать программу наблюдений.
Зато ОАО-2 (Stargazer), стартовавший в декабре 1968 года, успешно проработал больше четырёх лет. Последний аппарат этой серии, ОАО-3, названный «Коперником» (Copernicus), был запущен в августе 1972 года, а эксплуатировали его девять лет.
Первый спутник Orbital Astronomical Observatory на орбите (концепт-арт)
В составе орбитальной станции Skylab (Sky Laboratory) работала большая многоспектральная обсерватория ATM (Apollo Telescope Mount). С её помощью астронавты опять же изучали Солнце. Их наблюдения заставили астрономов пересмотреть отношение к нашему светилу: раньше считалось, что это более или менее спокойное небесное тело с однородной гелиосферой, а на самом деле структура его газовой оболочки оказалась сложной и изменчивой. Кроме того, ATM использовалась для слежения за кометой Когоутека — результаты этих наблюдений помогли подтвердить теорию о том, как именно за пределами Солнечной системы формируются кометы.
Американская орбитальная станция Skylab, снятая со стороны обсерватории ATM (NASA)
Советские учёные обрели возможность вести астрономические наблюдения в космосе с началом эксплуатации станций «Салют». На «Салюте-1» был установлен ультрафиолетовый телескоп «Орион», разработанный Бюраканской астрофизической обсерваторией. Космонавты использовали его, чтобы получить спектрограммы Веги и Агены (беты Центавра) — благодаря этому удалось уточнить теоретическую модель фотосферы высокотемпературных звёзд.
Телескоп «Орион-2» отправился в космос на борту корабля «Союз-13» в декабре 1973 года. Экипажу удалось снять около 10 тысяч спектрограмм тусклых или далёких звёзд — с блеском более десятой звёздной величины. На обработку полученной информации потребовалось целое десятилетие: каталог, составленный по данным «Ориона-2», увидел свет только в 1984 году.
Ультрафиолетовый телескоп «Орион»
На «Салюте-4» использовался солнечный телескоп ОСТ, автоматическая система наведения которого оказалась бракованной. Космонавты перешли на ручное управление — почти как в старых фантастических романах. Кроме того, Алексей Губарев и Георгий Гречко впервые в истории провели операцию по орбитальному ремонту телескопа — 2 февраля 1975 года они напылили на его зеркало алюминий, что значительно улучшило качество изображения. Следующему экипажу «Салюта-4» 18 июня повезло наблюдать за вспышкой на Солнце и за появлением гигантского протуберанца. «Контрольную» съёмку в видимой части спектра вели сотрудники Крымской астрофизической обсерватории.
На «Салюте-6» и «Салюте-7» тоже устанавливали телескопы: субмиллиметровый БСТ-1М с полутораметровым зеркалом, радиотелескоп КРТ-10, гамма-телескоп «Елена» и рентгеновский телескоп РТ-4М. В то же время советские учёные научились конструировать независимые от пилотируемых кораблей и станций обсерватории, управляемые с наземных пунктов. В 1980-х годах они запустили спутники «Астрон», «Гранат» и «Гамма» для исследований в рентгеновском и гамма-диапазонах, а к орбитальному комплексу «Мир» пристыковали астрофизический модуль «Квант» с обсерваторией «Рентген». К сожалению, с распадом СССР многие перспективные отечественные проекты были заморожены.
Зоркий «Хаббл»
Развитие орбитальной астрономии затруднялось из-за несовершенства систем, с помощью которых управляли телескопами, наводили их на объекты и передавали данные на Землю. Зато с появлением современных цифровых технологий появилась возможность создавать космические обсерватории с большим сроком «жизни» и высокой разрешающей способностью.
Самую большую известность среди таких обсерваторий получил американский телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope), который был доставлен на орбиту 24 апреля 1990 года в грузовом отсеке шаттла «Дискавери». Имея главное зеркало диаметром 2,4 метра, «Хаббл» оставался самым большим оптическим инструментом в космосе, пока в 2009 году Европейское космическое агентство не запустило туда же инфракрасный телескоп «Гершель» (Herschel Space Observatory) с диаметром зеркала 3,5 метра.
Телескоп «Хаббл» отправляется в самостоятельный полёт (NASA)
История «Хаббла» не обошлась без проблем. Начав работу в космосе, он выдал изображение хуже, чем такой же по размерам наземный телескоп. Причиной искажения стала ошибка, допущенная при изготовлении главного зеркала. Проект мог полностью провалиться, если бы специалисты, наученные горьким опытом поломок на предыдущих обсерваториях, не предусмотрели возможность ремонта силами астронавтов. Фирма Kodak быстро изготовила второе зеркало, однако заменить его в космосе было невозможно, и тогда инженеры предложили изготовить космические «очки» — систему оптической коррекции COSTAR из двух особых зеркал. Чтобы установить её на «Хаббл», 2 декабря 1993 года на орбиту отправился шаттл «Индевор». Астронавты совершили пять сложнейших выходов в открытый космос и вернули дорогостоящий телескоп в строй.
Ремонт телескопа «Хаббл» в космосе (NASA)
Позднее астронавты летали к «Хабблу» ещё четыре раза и значительно продлили срок его эксплуатации. Последнее техобслуживание проходило с 11 по 24 мая 2009 года, в рамках миссии шаттла «Атлантис».
Сегодня телескоп, которому почти тридцать лет, начинает ломаться. В октябре прошлого года пресс-служба NASA сообщила, что отказал один из гироскопов системы ориентации, из-за чего «Хаббл» на три недели перевели в «безопасный режим» (отключается исследовательское оборудование, работает только служебное).
8 января выключилась широкоугольная камера Wide Field Camera 3; на поиск неисправности и её устранение ушло девять дней. 28 февраля из-за ошибки в программном коде несколько дней не работала многоспектральная камера ACS (Advanced Camera for Surveys). Пока что наземная команда обслуживания справляется с накапливающимися проблемами, но вряд ли телескоп продержится долго.
Применение космических «очков» COSTAR: так выглядела галактика М-100 до ремонта «Хаббла» и после (NASA)
Сейчас планируется, что «Хаббл» будет продолжать работу до 30 июня 2021 года, что и так намного больше его запаса прочности. Потом телескоп попытаются управляемо свести с орбиты и затопить в океане. Впрочем, в настоящее время администрация президента Дональда Трампа рассматривает другой вариант: корпорация Sierra Nevada предлагает отправить к «Хабблу» корабль-ремонтник.
Космический телескоп «Уэбб» (NASA)
С другой стороны, своей очереди давно ждёт большой инфракрасный телескоп «Уэбб» (James Webb Space Telescope) с составным зеркалом диаметром 6,5 метров: его как раз планируют запустить 30 марта 2021 года. В числе прочих задач он будет искать свет самых древних звёзд и галактик, изучать их эволюцию и формирование скоплений вещества в юной Вселенной. Кроме того, «Уэбб» поможет искать относительно холодные планеты у соседних звёзд — но, самое главное, снимет спектры их атмосфер. Тогда мы сможем увереннее говорить о царящих там природных условиях, а может быть, даже зафиксируем признаки жизни — биосигнатуры.
Далёкое и близкое
Космический телескоп «Кеплер» (NASA, концепт-арт)
Сегодня раздел астрономии, занимающийся изучением экзопланет, переживает бурный расцвет. Если раньше массивные твёрдые тела в звёздных системах находили по косвенному признаку — гравитационному влиянию на собственное светило, — то теперь популярнее всего стал транзитный метод, то есть наблюдение за микрозатмениями звезды. Разумеется, он требует высочайшей точности измерений, и лучший результат получается именно у космических телескопов, поскольку изменение блеска далёких светил сложно различить за колебаниями беспокойной земной атмосферы.
Стандарт в этой области исследований задал американский телескоп «Кеплер» (Kepler Telescope), запущенный 7 марта 2009 года. Он мог наблюдать одновременно до 100 тысяч звёзд, собирая статистические данные по экзопланетам. За три года работы «Кеплеру» удалось обнаружить 4700 кандидатов в экзопланеты; свыше 2600 из них подтвердились. Многие открытые миры оказались сопоставимы по размерам с Землёй. Также удалось доказать существование систем сразу с несколькими экзопланетами, в том числе у двойных звёзд.
Нашлись даже землеподобные миры в «зонах обитаемости», то есть на таком расстоянии от звезды, которое удобно для возникновения жизни. Например, планета Kepler-438b, расположенная от нас на расстоянии 470 световых лет, считается сегодня самой подходящей для возникновения и развития иной жизни. К сожалению, работа с «Кеплером» сопровождалась техническими сбоями и была прекращена в октябре прошлого года.
Участок неба, который изучал «Кеплер»
В апреле 2018 года компания SpaceX запустила в космос телескоп TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite): в отличие от «Кеплера», нацеленного на дальний космос, он будет искать экзопланеты в радиусе до 200 световых лет от нас. Астрономы предполагают, что TESS откроет как минимум 20 тысяч новых миров, среди которых будет не меньше тысячи землеподобных.
Готовятся к запуску и другие космические инструменты для изучения экзопланет. В 2019 году на орбиту отправится телескоп «Хеопс» (CHEOPS), в 2026 году — телескоп «Платон» (PLATO), в 2035 году — мощная обсерватория ATLAST (Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope). Работая вместе с наземными инструментами, они смогут определить характеристики ближайших экзопланет — и даже составить карты их поверхности!
Европейский космический телескоп «Гея» (ESA, концепт-арт)
Галактическая астрономия тоже не стоит на месте. В апреле 2018 года европейцы опубликовали предварительные результаты наблюдений телескопа «Гея» (Gaia), запущенного пять лет назад. На их основе удалось построить детализированную трёхмерную карту Млечного Пути, в которой содержатся сведения о точном расположении, характеристиках и передвижении 1,7 млрд звёзд. Кроме того, «Гея» собрала информацию о 14 тысячах астероидов Солнечной системы. Телескоп будет передавать данные на Землю, обогащая наши знания о ближнем и дальнем космосе, до конца 2020 года.
На фоне столь эффектных достижений российской орбитальной астрономии пока нечем похвастаться. Сейчас на орбите находится только телескоп «Радиоастрон» (Спектр-Р), запущенный 18 июля 2011 года: он занимался изучением чёрных дыр, нейтронных звёзд и других объектов, излучающих в электромагнитном спектре. Хотя гарантийный срок телескопа истёк в 2016 году, до недавнего времени он работал исправно и потерял управляемость только 10 января 2019 года, а данные передаёт до сих пор. Попытки восстановить двустороннюю связь учёные собираются повторять до середины мая.
Российский космический телескоп «Радиоастрон» (Роскосмос, концепт-арт)
Планировалось, что в ближайшие годы к нему присоединятся обсерватории «Спектр-РГ», «Спектр-УФ» и «Спектр-М» («Миллиметрон») с криогенным телескопом диаметром 10 метров, который улавливает излучение в миллиметровом и инфракрасном диапазонах. Работая вместе, три аппарата могли бы составить самую подробную в истории карту внегалактической Вселенной.
Однако в последнее время появляются сообщения, что финансирование двух последних проектов собираются сильно урезать. Хочется надеяться, что это «ложная тревога», потому что в таком случае наша наука останется без современных инструментов по изучению дальнего космоса. А изучать его необходимо, ведь орбитальные обсерватории XXI века помогают учёным не только по-новому вглядываться в бездны пространства, но и делать более уверенные прогнозы о будущей эволюции космоса, от которых в конечном итоге зависит вопрос выживания всего человечества.
