Astronomie dunkel

Astronomie dunkel

Alexey Levin
"Popular Mechanics" №8, 2016

Wir leben in einer dunklen und kalten Welt. Obwohl das Universum mit Sternen und Quasaren leuchtet, gibt es viel mehr nicht leuchtende Objekte darin. Unter ihnen sind Planeten und Planetoiden, Kometen, Braune Zwerge, zirkumstellare Gas- und Staubscheiben und riesige Gaswolken – die Begründer neuer Sterne. Die Temperaturen dieser Objekte variieren von einigen Dutzend bis zu etwa tausend Kelvin. Sie emittieren elektromagnetische Infrarotstrahlung, die für das menschliche Auge unsichtbar ist. Dieselben Strahlen kommen auch von sehr weit entfernten Galaxien zu uns, deren Licht auf dem Weg zur Erde eine große Rotverschiebung erfährt.

Der Infrarotbereich hat recht respektable Nachbarn. Die rechte Seite (von der Seite der kürzeren Wellen) grenzt an das optische Spektrum, und die linke hat einen Submillimeterbereich, in dem die kältesten kosmischen Gascluster mit einer charakteristischen Temperatur von etwa 10 K "leuchten. Infrarot-Astronomie-Beobachtungen von Weltraumobjekten. In jüngster Zeit kam es an die vorderste Front der Weltraumforschung, aber jetzt entwickelt es sich extrem schnell.

Erste Schritte

Infrarotstrahlen entdeckten den großen Astronomen William Herschel und nicht zufällig. In den 1790er Jahren beschäftigte er sich mit teleskopischen Beobachtungen von Sonnenflecken und benutzte Farbfilter, um seine Augen zu schützen. Dann bemerkte er, dass sich die Haut in Abhängigkeit von der Farbe des Filters unterschiedlich warm anfühlte. Im Jahr 1800 kam Herschel mit der thermischen Wirkung des Sonnenlichts in Berührung, zerlegte es mit einem Glasprisma in einzelne Farben und maß den Grad der Erwärmung in verschiedenen Bereichen des Spektrums. Als er feststellte, dass die Temperatur in der roten Zone am meisten stieg, stellte er das Thermometer über seine Grenzen hinaus und sah, dass die Heizung weiterging. Es wurde unsichtbare Strahlung aufgedeckt, die Herschel Infrarot nannte. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts begannen Astronomen, neue Instrumente für thermische Messungen zu beherrschen – Thermoelemente, Thermolabs, Radiometer und Platin-Bolometer, die eine starke Abhängigkeit des Widerstandes dieses Metalls von der Temperatur verwendeten. Die ersten Erfolge waren sehr bescheiden, aber im Laufe der Zeit enthüllten diese Methoden Hunderte von Absorptionslinien im nahen und mittleren IR-Bereich des Sonnenspektrums und erhielten dadurch Informationen über die Zusammensetzung der Sonnenatmosphäre.Mit ihrer Hilfe wurde die Infrarotstrahlung einiger heller Sterne analysiert und ihre Temperaturen bestimmt. Die Vakuum-Thermoelemente, die vom MSU-Professor P. N. Lebedev (der erste, der den Lichtdruck gemessen hat) erfunden und von William Koblenz an die Bedürfnisse der Astronomie angepasst wurden, brachten dieser Forschung erheblichen Nutzen. Während solcher Beobachtungen wurden die ersten Überriesen Rigel und Alpha Hercules entdeckt.

Das Diagramm zeigt die Wirkung einer Gravitationslinse, bei der das Gravitationsfeld einer nahen Galaxie die Strahlungsrichtung einer fernen Galaxie verändert und diese vergrößert

Die vielleicht wichtigste Entdeckung dieser Ära wurde 1930 vom amerikanischen Astronomen Robert Trampler aus der Schweiz gemacht. Er entdeckte die Absorption von Sternenlicht im Weltraum und schrieb es ganz richtig der Streuung an interstellaren Staubpartikeln zu. In der Tat kam Trampler aufgrund optischer Beobachtungen zu dieser Schlussfolgerung, aber seine Ergebnisse waren der größte Beitrag zur IR-Astronomie.

Es ist Zeit zu werden

In den ersten Jahrzehnten der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts hat die Infrarot-Astronomie leistungsfähige Hardware-Ressourcen erworben und ihre Fähigkeiten radikal erweitert.Sein Arsenal umfasste hochempfindliche Halbleiter-Bolometer, deren Prototypen in früheren Jahren in Militärlabors hergestellt wurden (siehe Wie Krieg der Wissenschaft hilft: Kampf der Astronomie, Popular Mechanics, Nr. 7, 2015). Methoden zur Kühlung dieser Detektoren mit Flüssiggas – zunächst mit Stickstoff und dann mit Helium – wurden entwickelt (zu diesem Zweck erfand der amerikanische Astronom Frank Lowe ein spezielles Metalldewar, das auch heute noch verwendet wird). All dies ermöglichte die Durchführung bodenbasierter Beobachtungen in allen Bereichen des nahen und mittleren IR-Bereichs, die für Wärmestrahlung transparent sind. Tatsächlich konnte der Detektor von Lowe sogar Strahlung mit einer Wellenlänge von bis zu einem Millimeter erkennen, aber solche Messungen erforderten Höhen- und Weltraumplattformen.

Die Schaffung von Halbleiterdetektoren führte zum Erscheinen von IR-Teleskopen. Das erste Instrument mit einer 152-Zentimeter-Öffnung wurde 1970 am Observatorium am Mount Lemmon in Arizona in Betrieb genommen. In der zweiten Hälfte der 1970er Jahre wurden drei Teleskope mit Aperturen von 300 bis 380 cm in Chile und Hawaii gesehen. Ende 1974 wurde das amerikanische Kuiper-Observatorium, ein 90-Zentimeter-IR-Teleskop an Bord eines umgebauten Militärtransportflugzeugs, zwanzig Jahre lang bewacht.Mit seiner Hilfe wurden Ringe von Uranus, Wasserdämpfe in den Atmosphären von Jupiter und Saturn entdeckt und Informationen über die Synthese schwerer Kerne bei der Supernova-Explosion 1987A gesammelt.

Die wichtigsten Errungenschaften der IR-Astronomie in den 1950er und 1970er Jahren waren die Beobachtung der Entstehungsprozesse von Sternen durch kollabierende Gaswolken, die Entdeckung von Staubhüllen, die umlaufende Sterne umgeben, und die Ansammlung von Daten über interstellaren Staub.

Kosmische Reife

Aber eine echte Revolution in der Infrarotastronomie wurde von Raumfahrzeugen gemacht, die in allen Teilen des IR-Spektrums Rund-um-die-Uhr-Beobachtungen durchführen konnten. Die erste Orbitalplattform mit einem IR-Teleskop war der amerikanische Satellit IRAS (Infraroter Astronomischer Satellit), gestartet am 25. Januar 1983 von der Vandenberg Air Base. Es wurde in nur sieben Jahren mit der Teilnahme von britischen und niederländischen Experten erstellt. Er arbeitete nur zehn Monate, denn Ende November war die Lieferung von Kühldetektoren mit flüssigem Helium erschöpft (dies war das erste erfolgreiche Experiment, um kryogene Geräte in den Weltraum zu bringen). Während dieser Zeit überwachte IRAS 96% der Himmelssphäre bei acht Frequenzen in vier Bändern des mittleren und fernen Infrarotbereichs mit Wellenlängen von 12, 25, 60 und 100 Mikron.

IRAS, Jahr: 1983.Infrared Orbital Observatory, gestartet vom Vandenberg Kosmodrom mit der Trägerrakete Delta-3910

Die IRAS wog etwas mehr als eine Tonne und trug ein relativ kleines Teleskop mit einem 60-Zentimeter-Spiegel und 62 Detektoren in der Brennebene. Trotz seiner bescheidenen Größe erwies es sich als einer der erfolgreichsten astronomischen Satelliten der gesamten Raumfahrtgeschichte. Er enthüllte etwa dreihunderttausend bisher unbekannte Quellen von Infrarotstrahlung, darunter viele rote Riesen und helle Galaxien mit aktiver Sternentstehung. Die Daten der IRAS führten zur sensationellen Entdeckung von Galaxien mit extrem hoher Leuchtkraft im IR-Bereich, fünf Größenordnungen höher als die Leuchtkraft der Milchstraße. Sie erlaubten, massearme Protosternen, drei Asteroiden und sechs Kometen in unserem Sonnensystem zu entdecken, die noch keine Zeit hatten, sich aufzuwärmen. Mit ihrer Hilfe wurde eine dünne flache Scheibe entdeckt, die Vega, den hellsten Stern im Sternbild Lyra, umgibt, der nach seiner Entstehung aus der primären Gasstaubwolke entstanden ist. Später wurde bewiesen, dass solche Scheiben (frag oder fragmental genannt) viele Sterne umgeben und nicht nur Staub, sondern auch Feststoffe enthalten können.Und das ist keine vollständige Liste.

Der Erfolg der IRAS-Mission öffnete den Weg für die Entwicklung anderer Weltraum-Infrarot-Teleskope. 1983 genehmigte die ESA ein ISO-Raumstationsprojekt (Infrarot-Weltraumobservatorium), die am 17. November 1995 vom Kosmodrom nach Kura in eine stark verlängerte erdnahe Umlaufbahn geschickt wurde (1000 km im Perigäum und 70 500 im Apogäum). Ihr Teleskop hatte die gleiche 60-Zentimeter-Apertur wie das IRAS-Teleskop, übertraf es jedoch bei der Detektion von Wärmestrahlung weit. Seine Kamera war mit zwei Sensor-Arrays ausgestattet, von denen jedes 1024 (32 × 32) Infrarot-Detektoren enthielt, die es ermöglichten, Beobachtungen im Bereich von 2,5-17 μm durchzuführen. (Die Technologie zur Herstellung solcher Matrizen wurde im Auftrag des Pentagon für Lenksysteme von Marschflugkörpern entwickelt, aber Mitte der 1980er Jahre freigegeben.) Andere Instrumente lieferten Beobachtungen bis zur oberen Grenze der fernen Infrarotzone, die es ermöglichte, den interstellaren Staubwolken zu folgen. Bei der Empfindlichkeit in der Bande nahe 12 um überschritt ISO die IRAS um einen Faktor von vierzig und in räumlicher Auflösung um zwanzig. Außerdem arbeitete sie viel länger. Mit einer geschätzten Lebensdauer von anderthalb Jahren funktionierte die Station aufgrund des langsamen Verbrauchs von flüssigem Helium bis April 1998 normal!

ISO, Jahr: 1995.Orbital-Weltraumteleskop, gestartet vom Weltraumbahnhof Kourou mit der Trägerrakete "Arian-4"

Insgesamt führten ISO-Instrumente 26.000 Beobachtungen durch, die die Grundlage für eine Reihe von Entdeckungen bildeten. Sie ermöglichten den Nachweis von Kohlendioxid- und Fluorwasserstoffmolekülen im interstellaren Raum und Wasserdampf in der Atmosphäre von Titan, dem größten Satelliten des Saturn. Sie gaben wertvolle Informationen über die Geburtsprozesse von Sternen in den letzten 8 Milliarden Jahren und zeigten, dass neue Planeten nicht nur in der Nähe neugeborener Himmelskörper entstehen können, wie damals angenommen wurde, sondern auch um sehr alte Sterne. Usw.

Das amerikanische Spitzer-Weltraumteleskop, das am 25. August 2003 von Cape Canaveral gestartet wurde, wurde zu einem würdigen Nachfolger der IRAS- und ISO-Stationen. Es funktioniert immer noch, nicht nur auf der erdnahen, sondern auch auf der sonnennahen Umlaufbahn. Der Bestand des Kühlers trocknete im Mai 2009 aus, aber die Infrarotkamera arbeitet auch unter diesen Bedingungen in den beiden kurzwelligsten Bändern (3,6 und 4,5 μm) der vorangegangenen vier. Durch die Apertur übertrifft dieses Teleskop seine Vorgänger nicht wesentlich (85 cm gegenüber 60), jedoch ist jedes der vier Module seiner Hauptkamera mit einer Matrix von 65.536 (256 × 256) Detektoren ausgestattet.Aufgrund seiner hohen Empfindlichkeit konnte der Spitzer Objekte beobachten, die früher als 3 Milliarden Jahre nach dem Urknall entstanden waren und deren Licht mit einer Rotverschiebung von etwa drei auf die Erde kam (ISO konnte Rotverschiebungen von eins und IRAS nur von drei Zehntel aushalten).

Spitzer, Jahr: 2003. Raumschiff für wissenschaftliche Zwecke, gestartet vom Startplatz in Cape Canaveral mit der Trägerrakete Delta-2

Dank Spitzer erhielten Astronomen ein fast vollständiges Bild des Infrarot-Himmels und konnten die feinen Details der Struktur und Entwicklung von Infrarot-Galaxien verstehen. Im Jahr 2005 haben zwei Forschergruppen zum ersten Mal Infrarotstrahlung von einem extrasolaren Planeten entdeckt – einem Satelliten des Sterns HD 209458, der 1999 eröffnet wurde. Später enthüllten die Spitzer-Instrumente, die die Transit-Infrarot-Photometrie verwendeten, Dutzende von Exoplaneten und tun dies auch weiterhin. Zum Beispiel bestätigte das Spitzer Team am 30. Juli 2015 die Existenz des Steinplaneten HD 219134b aus der Überirdischen Klasse, die nur 21 Lichtjahre von der Erde entfernt ist. Spitzer sammelte auch umfangreiche Informationen über die Prozesse der Pflanzenbildung in der Nähe der Sterne des Solartyps. Seine Ausrüstung erlaubte die Entdeckung von mehreren supermassiven Schwarzen Löchern und Fragmentierungsscheiben, die Dutzende von Weißen Zwergen umgeben.

"Herschel" – während der Spitze

Neben den gelisteten Infrarot-Weltraumteleskopen gab es noch andere, die nicht so bekannt waren (zum Beispiel das japanische Orbitalfernrohr Akari, das von Anfang 2006 bis Ende November 2011 arbeitete). Die Führung in diesem Bereich wurde jedoch vom Europäischen Observatorium Herschel übernommen, das am 14. Mai 2009 zusammen mit dem Mikrowellen-Observatorium in Planck ins Weltall geschickt wurde. Wie Spitzer bewegt es sich entlang einer heliozentrischen Flugbahn, die (im Gegensatz zum amerikanischen Partner) um den zweiten Lagrange-Punkt oszilliert und daher in etwa die gleiche Entfernung von unserem Planeten hält (Spitzer ist etwa 15 Millionen km hinter der Erde in einem Jahr). . Sie machte die letzte Beobachtung am 29. April 2013 – wegen der Erschöpfung von Helium. Ihre Daten sind vollständig archiviert und können von Wissenschaftlern genutzt werden. Mit dem Hauptspiegel von 3,5 m Durchmesser war und ist das Herschel das größte Weltraumteleskop.

Gerschel, Jahr: 2009. Weltraumteleskop, vom Weltraumbahnhof Kourou mit Hilfe der Trägerrakete "Arian-5" gestartet

Die Herschel-Instrumente wurden so eingestellt, dass sie ein breites Spektrum von 55-672 μm beobachteten und nahezu den gesamten fernen Infrarotbereich und einen Teil des Submillimeters abdeckten.Daher wurde er geschärft, um sowohl die kältesten Teile des nahen Raums als auch sehr entfernte Objekte zu beobachten, die weniger als eine Milliarde Jahre nach dem Urknall geboren wurden. Herschel beobachtete die Geburt von Sternen aus Gas- und Staubwolken, die Entstehung und Entwicklung der ersten Galaxien, analysierte die chemische Zusammensetzung des interstellaren Gases und die Atmosphären von Planeten, Kometen und Asteroiden. Und er bewältigte all diese Aufgaben.

Blick in den Weltraum. Strahlung von kosmischem Staub von Galaxien im fernen Infrarot und im Submillimeterbereich. Bilder mit dem Weltraumobservatorium erhalten Gerschel

Wir wurden gebeten, die Ergebnisse des Herschel-Astronomen vom südeuropäischen Observatorium Evantia Khatsiminouglu zu kommentieren, der viel mit ihnen gearbeitet hat. Sie stellte fest, dass diese Daten bisher aktiv genutzt werden, so dass es noch zu früh ist, den Beitrag von Herschel vollständig zu bewerten. Aber es ist immer noch klar, dass sich das Observatorium als Quelle wertvoller Informationen erwiesen hat. Zum Beispiel wissen wir jetzt, dass Ozeanwasser in Form von Eis einst Teil von Kometenkernen war und sich während eines Kometenbeschusses auf der Erde befand.Dies legt nahe, dass viele Stein-Exoplaneten in der Lage waren, große Wasserbecken in ähnlicher Weise zu erwerben.

Ein weiteres interessantes Ergebnis ist die Detektion von Sauerstoffmolekülen im interstellaren Raum. Trotz der Tatsache, dass dieses Element im Hinblick auf seine Verteilung im Universum an dritter Stelle nach Wasserstoff und Helium steht, wurden kosmische Wolken aus molekularem Sauerstoff erst 2007 entdeckt. Diese Entdeckung, die mit Hilfe der Ausrüstung des schwedischen wissenschaftlichen Satelliten "Odin" gemacht wurde, erforderte eine Bestätigung, die dank dem "Herschel" erhalten wurde. Im Allgemeinen rechtfertigte "Herschel" die damit verbundenen Hoffnungen.

Zukunft. Schließen und nicht sehr

Astronomen erwarten viel vom James Webb Space Telescope, das Beobachtungen im Bereich von 0,6 bis 27 Mikrometer durchführen wird. Mit einer Apertur von 6,5 m wird dies ein sehr großes Instrument, sogar auf einer terrestrischen Skala, und seine Auflösung wird zehnmal größer sein als die des Spitzers. Anfangs wurde angenommen, dass es 1,6 Milliarden Dollar kosten würde und 2011 an den zweiten Punkt von Lagrange geschickt werden würde. Nach neuesten Prognosen wird die Einführung jedoch erst im Oktober 2018 erfolgen.und die Kosten für dieses gemeinsame Projekt von NASA, ESA und der kanadischen Weltraumbehörde werden 9 Milliarden Dollar erreichen und den Preis des Large Hadron Colliders übersteigen.


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