25 серпня 1609 року Галілео Галілей продемонстрував світові новий пристрій – телескоп із двох лінз, який трикратно збільшував об’єкти спостереження. Згодом удосконалений, новий телескоп міг збільшувати об’єкти в 33 рази, що дозволило йому відкрити супутники Юпітера, кратери на Місяці і виявити безліч зір, із яких складається Чумацький Шлях. За понад 400 років цей прилад пройшов довгий шлях еволюції і сотень вдосконалень, отримав десятки різновидів та оптичних схем … але давайте по порядку.

Маленький винахід, що здійснює великі відкриття

Найперша схематична згадка телескопа з двома лінзами була виявлена у кресленнях Леонардо Да Вінчі (XVI ст.). Однак, наразі не доведено, чи великий науковець створив хоча б один зі спроектованих ним приладів. Згадки про телескоп були знайдені також у працях англійського філософа Роджера Бекона (XIII ст.) однак і тут не маємо жодних формальних підтверджень існування фізичного прототипу – відтак, винахідником «предмета, що наближає далекі речі», вважається голландець німецького походження Ганс Ліпперсгей. Він створив телескоп, який … не мав унікальності.

Ліпперсгей не зміг запатентувати винахід, оскільки подібними пристроями також володіли голландці Захарій Янсен і Якоб Метіус: вони також створювали телескопи, які також складались із двох лінз (опуклої та ввігнутої) і збільшували об’єкти спостережень трикратно. Зрештою, голландські телескопи поширились Європою і, згідно з легендою, Галілео Галілей сконструював власний за одну ніч, помістивши дві лінзи у свинцеву трубу. 

У другій половині XVII століття з’явилися телескопи, сконструйовані Йоганном Кеплером, який довів, що використання двох опуклих лінз ефективніше, ніж оптична схема з однією опуклою і однією увігнутою. А в 1668 році Ісаак Ньютон сконструював свій перший телескоп-рефлектор із 38-кратним збільшенням. Сьогодні, залежно від конструктивних особливостей, існує кілька десятків типів телескопів. Кожен із них застосовують для характерного ряду досліджень. Попри те, що на поверхні Землі можливо будувати телескопи з дзеркалами та лінзами різного розміру – не всі астрономічні спостереження можна виконувати з поверхні нашої планети через вплив різноманітних факторів, зокрема й нашої атмосфери, яка має властивість розмивати зображення, а випромінювання з деякими діапазонами довжин хвиль взагалі не пропускає.

Спостереженням у космічному просторі атмосфера не заважає, тому наприкінці 20 століття з розвитком космонавтики телескопи починають виносити на навколоземну орбіту. Щодня космічні обсерваторії та величезні команди працюють без відпочинку і виконують надважливі місії, тож ми хочемо коротко розповісти вам про місії та наукові результати цих велетнів!

High Precision Parallax Collecting Satellite (Hipparcos)

Історія. Запущений у 1989 році Європейським космічним агентством – став першою космічною місією, присвяченою прецизійній астрометрії, тобто точному вимірюванню положення небесних об’єктів. Початково мав визначити положення, паралакси та щорічні власні рухи близько 100 000 зір із астрометричною точністю 2 кутові мілісекунди. Результати перевершили очікування: всього було отримано параметри для ~ 120 000 зір, а середня точність склала близько 1 кутової мілісекунди.

Місія. Тривала протягом 3,5 років. За цей час вдалося зібрати інформацію щодо більш ніж мільйона зір. Астрономи відкрили понад 8 000 змінних зір та понад 3 000 подвійних зір, визначили для близько 120 000 зір п'ять астрометричних параметрів (небесні координати, паралакс, власний рух) із точністю, що перевищує точність наземних спостережень у сто разів! Деякі результати є не тільки точнішими, але й принципово новими. Наприклад, визначені паралакси є абсолютними, а не відносними, як це було під час спостережень із Землі. Точність їх виміру дозволила суттєво уточнити відстані до зір.

Здобутки. Гіппаркос здійснив понад 3 млн. спостережень за основною програмою, що охопила майже всі зорі до 8,5 зоряної величини; згодом вона була розширена на кілька десятків мільйонів спостережень. Завдяки їм астрономи зібрали фотометричні та астрометричні дані всіх зір приблизно до одинадцятої зоряної величини. Великим досягненням стало й перше у світі спостереження мільйона зір в єдиній фотометричній системі. Сьогодні подібні масштаби спостережень має тільки наступник Гіппаркоса – GAIA (декілька мільярдів зір) та TESS, який має інше призначення (близько 650 000 зір станом на жовтень 2023 року). Гіппаркос проводив спостереження у фільтрах B та V з системи UBV. На основі результатів місії Гіппаркос астрономи створили новий фундаментальний каталог та два інших додаткових, що задовольняють багато задач астрономії значно краще, ніж старіші каталоги, сформовані на основі наземних спостережень.

Цікавинки. Результати Гіппаркоса були настільки революційними, що повністю змінили хід розвитку цілого розділу астрономічних досліджень – астрометрії. Фундаментальний каталог положень зір був набагато точніший та більший за наземні, тому дуже швидко всі дослідники, які використовують координати та паралакси зір, почали надавати перевагу саме результатам Гіппаркоса. Протягом наступних років наземна та космічна астрометрія співіснували, і поступово друга витісняла першу. Наступна астрометрична революція відбудеться в 2013 році з запуском наступника Гіппаркоса – обсерваторії Gaia. Відтоді наземна астрометрія остаточно відійшла в історію, поступившись космічній.

Global Astrometric Interferometer for Astrophysics (GAIA)

Історія. Gaia – космічний телескоп Європейського космічного агентства, запущений взимку 2013 року. Менше ніж через місяць космічний апарат досягнув цільової орбіти поблизу другої точки Лагранжа. Спочатку номінальна тривалість місії Gaia планувалась до літа 2019 року, однак була продовжена до кінця 2025-го. Телескоп має виняткові особливості побудови: його основним інструментом є цифровий сенсор із майже мільярдом пікселів, найбільший із коли-небудь створених для місій у космосі.

Місія. Воістину унікальна! Її головна мета полягає у визначенні положення близько 2 млрд. об'єктів. А в подальшому планується створення найбільшої та найточнішої 3D-мапи Чумацького Шляху. Загалом, телескоп Gaia призначений для астрометрії: вимірювання позицій, відстаней і руху зір, а також позицій екзопланет, які обертаються навколо спостережуваних зір.

Здобутки. Gaia є більш точним у порівнянні зі своїм попередником і досліджує в тисячі разів більше об'єктів, ніж Hipparcos. Наразі Gaia здійснює найточнішу астрометрію з усіх існуючих телескопів: близько 20 кутових мікросекунд для 15 зоряної величини і 200 мкс для 20 зоряної величини. На цьому переваги та досягнення не завершуються: раніше до понад 99,9% об'єктів, які спостерігає Gaia, ніколи не вимірювали точну відстань. Окрім того, цей телескоп здатен вимірювати координати зір до 20 зоряної величини.

Перспективи. У найближчі роки Gaia проведе найбільші в історії людства:

1. спектроскопічне дослідження з низькою роздільною здатністю;
2. вимірювання та дослідження радіальних швидкостей;
3. збір астрофізичних даних для зір Чумацького Шляху;
4. дослідження багатьох класів змінних зір. 

До кінця місії архів даних перевищить 1 петабайт (1 мільйон гігабайт). Наразі випущено три каталоги даних, крайній із яких був опублікований у відкритому доступі у червні 2022 року. Кожен із них містить положення та зоряні величини понад 1 мільярда зір. Третій каталог Gaia DR3 сьогодні є найбагатшим: 1,8 млрд. об'єктів.

Цікавинки. Під час публікації даних не обійшлося і без курйозів. Оскільки обсяг інформації був просто фантастичний, аналіз даних проводився здебільшого в автоматичному режимі, а перевірка результатів автоматичних обчислень вручну займала певний час. Тому в першому релізі даних (Gaia DR1) був деякий відсоток зір, для яких були вказані від’ємні паралакси. Тобто відстань до цих об’єктів згідно з результатами Gaia була від’ємною… 

Однак нічого критичного не відбулося, оскільки від помилок у розрахунках ніхто не застрахований. «Sh*t happens» сказала команда місії Gaia, яка опублікувала перший каталог і вже незабаром, у другому релізі, виправила всі помилки обчислень, які були знайдені. Тому станом на 2023 рік координати, паралакси та власний рух об’єктів, отриманих Gaia, вважаються найбільш точними за весь час спостережень.

Hubble Space Telescope (HST)

Історія. Без перебільшення легендарний телескоп, про який чули всі, і який фактично не потребує представлення. Телескоп, який (як і сам Едвін Габбл) розширив та змінив наше уявлення про Всесвіт. Телескоп, який фігурував у більшій кількості фільмів, ніж будь-який інший. 

HST – американський оптичний телескоп, розроблений спільними зусиллями NASA та ESA. Запущений на навколоземну орбіту 24 квітня 1990 року. Це унікальна багатоцільова орбітальна обсерваторія, найбільша серед запущених у космос у ХХ столітті (діаметр головного дзеркала – 2,4 м). Вона здатна здійснювати спостереження в ультрафіолетовому, видимому та інфрачервоному діапазонах.

Місія. За понад 30 років роботи Габбл здійснив більше 1,5 мільйона спостережень. На їхній основі астрономи опублікували понад 19 тис. наукових статей. Це робить HST одним із найпродуктивніших наукових інструментів, які коли-небудь були створені. Габбл обертається по низькій навколоземній орбіті, «фотографуючи» зорі, планети та галактики, рухаючись навколо Землі зі швидкістю близько 27000 км/год.

Здобутки. Цей космічний телескоп зміг зазирнути у далеке минуле, до місць, віддалених від Землі більше ніж 13,4 млрд. світлових років. Для того, щоб перелічити та коротко описати значення всіх здобутків телескопа, потрібна окрема стаття. Тому наведемо лише деякі з них:

1. Було вперше отримано карти поверхні (тоді ще планети) Плутона.
2. З точністю до 10% розраховано значення сталої Габбла.
3. Відкрите прискорене розширення Всесвіту.
4. Завдяки йому було відкрито галактику GN-z11, яка станом на 2016 рік вважалась найвіддаленішим з усіх відомих об'єктів у Всесвіті!

За рік HST генерує близько 10 терабайт нових даних (загальний розмір архіву наразі перевищує 340 ТБ). Наприкінці 2021 року на допомогу HST у виконанні головної місії NASA в астрофізиці було відправлено JWST – американський орбітальний інфрачервоний космічний телескоп; у січні 2022 року він досяг точки Лагранжа «Сонце-Земля» L2.

Цікавинки. З самого початку місія опинилася на грані провалу через дефект дзеркала. Однак, завдяки тому, що телескоп було запущено на низьку навколоземну орбіту, до нього вдалося запустити декілька місій для усунення технічних проблем, а в подальшому – для модернізації телескопа. Обслуговування проводилося командами астронавтів, які «доставлялися» на орбіту за допомогою багаторазових космічних кораблів «Спейс Шаттл». Остання ремонтно-модернізаційна експедиція була проведена в травні 2009 року. У 2013 році планувалося запустити космічну обсерваторію імені Джеймса Вебба, яка стала б повноцінним наступником «Габбла», а сам телескоп затопити в океані. Однак, сталося не так, як гадалося…

James Webb Space Telescope (JWST)

Історія. На відміну від HST, телескоп Вебба здатен здійснювати спостереження у нижчому частотному діапазоні: від довгохвильового видимого світла до середнього інфрачервоного. Це дає можливість JWST спостерігати об'єкти з великим червоним зсувом, які занадто старі та занадто далекі для спостереження HST.

Місія. Основні наукові завдання телескопа Вебба полягають у вивченні процесів формування галактик у ранньому Всесвіті, процесів народження зір; пошуку і дослідженні екзопланет, зокрема тих, що придатні для життя.

Здобутки. Наразі JWST є найбільшим (діаметр головного дзеркала – 6,5 м) та найчутливішим (перевершив свого попередника HST у 100 разів) космічним телескопом в історії людства! Водночас вважається одним із найважливіших проєктів в астрономії у XXI столітті. Якість знімків, зроблених JWST, вражає. У липні 2022 року було продемонстровано перше кольорове зображення високої роздільної здатності: на ньому астрономам вдалось побачити галактику GLASS-z13, вік якої становить близько 13,5 млрд. років. Саме ця галактика наразі вважається найдавнішою з усіх коли-небудь виявлених.

Цікавинки. «Джеймс Вебб» подолав тернистий шлях розробки, перевірки та… численних змін дати запуску. Дату запуску телескопа переносили цілих 15 разів через численні затримки у зв’язку із замалим початковим бюджетом, помилками в плануванні з боку керівництва NASA, а також проблемами з проєктуванням та виготовленням. Загалом ці затримки та неритмічність фінансування тільки збільшили вартість проєкту з 500 мільйонів до майже 10 мільярдів доларів. Та втім, запуск телескопа все ж таки відбувся у грудні 2021 року. Ремонту телескопа з самого початку не передбачалося, оскільки його відстань від Землі становить понад 2 мільйони кілометрів, що у 5 разів далі, ніж коли-небудь віддалялась від Землі людина. І все ж, наразі «Вебб» оперує без серйозних збоїв та вже встиг надати людству величезний обсяг даних, завдяки яким були зроблені численні відкриття.

Підсумок

Усі чотири телескопи стали революційними в своїх нішах, назавжди змінивши їх. І варто сказати ще дещо – більшість спостережень цих космічних телескопів, а також майже два десятки менших космічних місій, які не наведені в цій статті, є публічно доступними.

Будь-хто може завантажити спостереження космічних телескопів з архіву MAST (Mikulski Archive for Space Telescopes) за посиланням.

Також радимо ознайомитися зі створеною нашим Вікіпедійним відділом статтею «Список космічних телескопів», який належить до Вибраних списків української Вікіпедії.

Дивлячись на досягнення Hipparcos, Gaia, HST та JWST, стає зрозуміло, що завдяки добре спланованому дослідженню можна отримати результати, які здатні розпочати відлік нової епохи у науці. Попереду на нас очікує ще більше неймовірних відкриттів і, можливо, зовсім скоро ми дізнаємося нову інформацію, яка повністю переверне наше уявлення про Всесвіт!

До зустрічі і до нових відкриттів!