научная статья по теме КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП ИМ. Э. ХАББЛА - НОВАЯ ЭПОХА ВНЕГАЛАКТИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ (К 20-ЛЕТИЮ РАБОТЫ КТХ) Космические исследования

Текст научной статьи на тему «КОСМИЧЕСКИЙ ТЕЛЕСКОП ИМ. Э. ХАББЛА - НОВАЯ ЭПОХА ВНЕГАЛАКТИЧЕСКОЙ АСТРОНОМИИ (К 20-ЛЕТИЮ РАБОТЫ КТХ)»

Космонавтика -внегалактической астрономии

Космический телескоп им. Э. Хаббла - новая эпоха внегалактической астрономии

(к 20-летию работы КТХ)

О.К. СИЛЬЧЕНКО,

доктор физико-математических наук

ГАИШ МГУ

В апреле 2010 г. исполнилось 20 лет со времени запуска Космического телескопа им. Э. Хаббла (КТХ; Hubble Space Telescope; Земля и Вселенная, 1987, № 4; 1990, № 4; 2005, № 3, с. 26-29; 2005, № 6). Хотя диаметр зеркала телескопа по современным меркам невелик, всего 2,4 м, у КТХ есть два уникальных преимущества, вытекающие из его расположения выше основной массы атмосферы. Он принимает свет, не ослабленный поглощением многокилометровой толщи воздуха, и видит объекты (звезды, например), не размазанные атмосферной турбулентностью. Благодаря этому он видит намного дальше (намного более слабые объекты) и с четкостью, лучшей на порядок, чем наземный

2. Земля и Вселенная, № 6

телескоп такого же диаметра. Эти-то два преимущества космического телескопа и были задействованы при составлении списка ключевых научных задач для него. Я расскажу о вкладе КТХ в исследование галактик, огра-ничась рассмотрением следующих, самых громких и результативных, его проектов на этой ниве:

- "глубокие поля";

- центры обычных галактик - распределение яркости (плотности) и сверхмассивные черные дыры;

- центры активных галактик; тут отдельно можно рассматривать выбросы (джеты) и "вбросы", то есть структуры, возможно, питающие активность центральной черной дыры (ядерные спирали и минибары); я остановлюсь подробно на второй теме;

- истории звездообразования в ближних галактиках, разрешаемых на отдельные звезды;

- ключевой проект, посвященный поиску переменных звезд-цефеид в галактиках вплоть до скопления в Деве, определение расстояний до галактик.

© Сильченко О.К. 17

ГЛУБОКИЕ ПОЛЯ

Сначала всем немного не повезло: у запущенного в апреле 1990 г. КТХ оказалось плохо сделанное главное зеркало, и вместо пространственного разрешения 0,1" он показал 4" по уровню нулевой интенсивности -у "функции точечного источника" оказались широченные низкоконтрастные крылья (Земля и Вселенная, 1992, № 1). Из-за этого одно из ключевых преимуществ КТХ было сведено на нет, и

18

изображениями, полученными между 1990 г. и 1993 г., пользоваться с научными целями практически нельзя. Пришлось чинить оптику: прилетевший в декабре 1993 г. с ремонтной миссией КК "Индевор" (ЭТ8-61) поставил дополнительный оптический корректор, света стало немножко меньше, зато исправилось пространственное разрешение фотометрических камер (Земля и Вселенная, 1994, № 4). Эпопея с глубокими хаббловскими полями

Космический телескоп им. Э. Хаббла после пятого ремонта на орбите. Снимок сделан 24 мая 2009 г. КК "Атлантис" (STS-125). Фото NASA.

(HDF - Hubble Deep Field) началась в 1994 г., когда после "починки" КТХ выяснилось, что теперь он может получать изображения с пространственным разрешением 0,1". Захотелось посмотреть с таким разрешением на очень далекие галактики; для этого нужно было

получить сверхглубокий снимок, с очень длительной экспозицией. В созвездии Большой Медведицы выбрали небольшую, всего 5,3 квадратные минуты дуги, и на первый взгляд совершенно пустую площадку, и с камерой WFPC2 (Wide-Field Planetary Camera -планетарная камера широкого поля) она непрерывно экспонировалась в течение 10 сут. В 2*

результате были получены снимки в четырех широких фотометрических полосах, распределенных в оптическом диапазоне - 0,3-0,814 мкм. Позднее площадку сняли с помощью прибора NICMOS (Near-Infrared Camera and Multi-Object Spectrograph - камера близкого ИК-диапазона и многообъектный спектрограф) на 1,1 мкм и 1,6 мкм. Таким образом,

Северное глубокое хаб-бловское поле (HDF-N) в Большой Медведице. В нем видно около 3 тыс. далеких галактик. В правом нижнем углу - спиральная галактика с z = 1,01 (указана стрелкой), видимая плашмя. Снимок сделан 15 января 1996 г. КТХ. Фото NASA.

для всех объектов площадки были получены не только изображения, но и грубое распределение

19

■■1

z = 2,27 z = 2,80

Галактики в Северном глубоком хаббловском поле с характерной морфологией на разных красных смещениях. В каждой паре картинок слева изображение, полученное в зеленых лучах, справа - в ближнем инфракрасном диапазоне (X = 1,6 мкм). При уходе на z > 1 галактики становятся нерегулярными по форме, представляющими собой как бы скопление компактных сгустков. Фото NASA.

20

■■1

энергии в спектре в диапазоне 0,3-1,6 мкм. Предельная звездная величина, достигнутая в экспозиции Северного глубокого поля (ИйР-М) - 30т в фильтре V (зеленые лучи); это в 10 млрд раз слабее, чем видит самый зоркий невооруженный глаз на небе в темную ночь. Площадка располагается на небе далеко от Млечного Пути, поэтому звезд на ней мало - всего 9; есть еще с десяток слабых точечных голубых объектов, которые могут оказаться старыми белыми карликами. Все остальные объекты площадки, а их около 3 тыс., - это галактики. Самой близкой к нам ока-Ф залась красивая эллип-

тическая галактика чуть выше центра кадра - ее т = 0,09. На каком красном смещении располагается самая далекая галактика в ИйР-Ы, пока сказать трудно: есть один объект, широкополосные цвета которого намекают на т = 12. Но все попытки снять его спектр, чтобы найти в нем эмиссию и подтвердить красное смещение спектрально, потерпели неудачу: уж слишком слаб объект.

Подавляющее большинство галактик, найденных в ИйР-Ы, находятся на т < 1. Внутри этого большинства галактик опять же большинство представляют слабые голубые галактики с нерегулярной морфоло-

гией, количество таких галактик явно растет с красным смещением. Однако на т ~ 1 наблюдаются и яркие представители всех хаббловских морфологических типов. Глядя на большие красные смещения, мы как бы заглядываем в прошлое: из-за конечной скорости света фотоны от галактик на т = 1 шли до нас 8 млрд лет. Прямые подсчеты показывают, что в интервале т = 0-1, или за последние 8 млрд лет, ни число, ни характерные светимости и размеры эллиптических и спиральных галактик не изменились: все галактики, которые мы видим рядом с нами, уже были на местах к т = 1. Однако картина резко меняется на т > 1,5: в ИйР-Ы нет ни одной галактики на высоких красных смещениях, которые имели бы правильную морфологию, а всего их там несколько десятков. Галактики на т > 2, как правило, "множественные", представляющие собой скопления сгустков неправильной формы. Линейные размеры сгустков значительно меньше, чем типичные размеры современных галактик, их диаметры меньше 1 кпк. Сторонники "иерархической концепции", то есть формирования больших галактик путем слияния мелких фрагментов, обрадовались, решив, что в ИйР-Ы напрямую виден этот процесс на т = 2-3.

Сейчас, правда, преобладающей стала другая точка зрения: диски галактик на больших красных смещениях просто очень неоднородны, и нам заметны только самые яркие "пятна" на них.

Сенсационные результаты по морфологии далеких галактик, полученные по HDF-N, вдохновили исследователей на продолжение программы. Тем более что подоспели результаты больших наземных обзоров, такого, в частности, как обзор американского ученого Ч. Стейделя с соавторами, нацеленный на поиски галактик на z а 3, обеспечивший за счет большей обозреваемой площади более предста- ф

вительную выборку далеких галактик (больше 2 тыс. галактик на z а 3 против 42 в HDF-N). Эти результаты намекали на то, что маленькая площадка HDF-N оказалась нетипична по составу (и количеству!) далеких галактик. В 1998 г. было снято Южное глубокое поле (HDF-S), тоже в течение непрерывной 11-суточной экспозиции. В отличие от HDF-N, где одна площадка размером 5 квадратных минут экспонировалась с камерой WFPC2, а потом с NlCMOS, здесь три соседние площадки экспонировались с WFPC2, NICMOS и спектрографом STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph). Последняя

21

■■1

т

площадка была выбрана не пустой, а с ярким квазаром на и = 2, чтобы в его детальном спектре изучить все линии поглощения, оставленные газовыми облаками, которые пересек луч квазара на пути к нам.

Опыт научной работы с глубокими хаббловски-ми полями в конце концов подвел исследователей к мысли, что самые

22

интересные результаты получаются на сопоставлении между собой данных по одним и тем же площадкам, снятым в разных диапазонах спектра. Такими успешными "синтетическими" проектами были GOODS (Great Observatories Origins Deep Survey - глубокий обзор Начал с великими обсерваториями), когда сопоставлялись изображения

Квазар на z = 2 (в центре) в Южном глубоком хабблов-ском поле (HDF-S). Снимок сделан 23 ноября 1998 г. КТХ, NASA (а). Квазар был помещен в поле, чтобы в его спектре наблюдать на просвет облака газа и галактики, попавшие на луч зрения между квазаром и нами (б). Каждое такое облако дает в спектре квазара узкую линию поглощения, принадлежащую водороду, причем таких линий десятки на разных красных смещениях.

Суммарный спектр поглощения

■Л

Вычитается облаком I

Вычитается облаком 2

Вычитается f1

оолаком j

Окончательный спектр поглощения, регистрируемый спектрографом ST1S

одной и той же площадки в оптике, в рентгене и в ближнем и дальнем инфракрасном диапазоне, причем все диапазоны наблюдались из космоса; GEMS (Galaxy Evolution from Morphology and SEDs - эволюция галактик по морфологии и распределениям энергии в спектрах), когда изображения высокой четкости получались на КТХ для галактик до z = 1,2, а спектры, по которым измерялись надежные красные смещения и даже скорости вращения, - на 8-м наземном телескопе VLT, и многие другие. КТХ в этих проектах принадлежит уникальная роль определения детальной структуры галактик. Поэтому, когда стали наблюдать сверхглубокое поле (Hubble Ultra-Deep Field, HUDF)

уже с новой камерой ACS (Advanced Camera for Surveys - "продвинутая" камера для обзоров), обладающей большим полем зрения при таком же пространственном разрешении, как и планетарная камера РС2 (Planetary Camera), его расположили на умеренном южном склонении -27° в созвездии Печи (см. стр. 1 обложки). Хотя эта зона и не находится в постоянном поле зрени

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком