Текст книги "Непридуманные космические истории"

Как создаются красивые картинки

В результате работы космической обсерватории получаются очень красочные фотографии, хотя камеры «Хаббла» не делают цветных фотоснимков. «Хаббл» может очень точно наводиться на цель, но им нельзя пользоваться в режиме «навел и щелкнул», как нам привычно поступать с земными фотоаппаратами.

– По счастью, в качестве побочного продукта тех научных исследований, которые мы проводим с помощью «Хаббла», у нас получаются фотографии, – говорит Золт Левей, сотрудник Научного института космического телескопа (STScI).

Фотография звездного скопления Вестерлунд 2 и его окружения, созданная при помощи космического телескопа «Хаббл», была опубликована в ознаменование 25-й годовщины работы космической обсерватории на орбите. Благодаря «Хабблу» в течение четверти века совершаются открытия, появляются изумительной красоты снимки и выдающиеся научные результаты. Источник: NASA, ESA, команда «Наследие Хаббла» под эгидой Научного института космического телескопа (STScI) и Университетской ассоциации астрономических исследований (AURA), А. Нота (ЕКА / STScI) и научная группа «Вестерлунд 2»

Он занимался изготовлением и публикацией снимков с «Хаббла» еще до первой экспедиции обслуживания.

– Цветные фотографии как таковые ученых не интересуют. Они предназначены для публики, но очень хорошо, что они появляются в процессе работы и наглядно демонстрируют то, чем именно занимаются ученые.

Снимки в цвете собирают из комплекта черно-белых фотографий, сделанных при помощи светофильтров. Для того чтобы получился один цветной фотоснимок, «Хабблу» требуется сделать три отдельные фотографии – обычно сквозь красный, зеленый и синий светофильтры, после чего эти три полученных кадра отправляются по радиоканалу на Землю. Там они при помощи специальной компьютерной программы сливаются в единое цветное изображение.

Несмотря на то что научные данные с «Хаббла» поступают в виде неброских черно-белых фотоснимков, в них заключается большое количество цветовой информации.

– Оказалось, что Вселенная гораздо более цветиста, чем мы могли себе представить, – объясняет Левей. – На самом деле, имеется много цветов, которые мы не можем сами увидеть, – это лучи света различных длин волн и энергий, и камеры «Хаббла» чувствительны к ним.

Галактика Водоворот знаменита своими четко выделенными спиральными рукавами. Они так хорошо заметны, потому что Водоворот занимается «перетягиванием гравитационного каната» со своей более мелкой галактикой-компаньоном (справа на снимке). Источник: NASA, ESA, команда «Наследие Хаббла» под эгидой Научного института космического телескопа (STScI) и Университетской ассоциации астрономических исследований (AURA), С. Беквис (STScI)

В составе оборудования «Хаббла» есть почти 40 цветных светофильтров, которые пропускают свет начиная от ультрафиолетового диапазона (дальше в сине-фиолетовую область спектра, чем могут воспринимать наши глаза), включая различные видимые цвета и заканчивая инфракрасными (более красными, чем доступно человеческому зрению). Это дает работающим над фотографиями специалистам большую свободу действий, а иной раз – и творческие возможности.

– Поскольку камеры на космическом телескопе функционируют не так, как земные фотоаппараты, нам приходится проделать кое-какую работу, чтобы полученные с их помощью снимки выглядели так, как они выглядят, – описывает ситуацию Левей. – Для этого нам требуется сочетать науку и искусство, объективный и субъективный подход. Но, по сути, это то же самое, что любой фотограф может делать, печатая снимки с негативов или преобразуя исходные, необработанные снимки с цифровой камеры.

Левей говорит, что он и другие сотрудники группы создания изображений выделяют различные цвета в собираемом телескопом потоке света и комбинируют их, чтобы построить цветные изображения. В общем, цвета на готовых снимках с «Хаббла» более насыщенные, а сами объекты намного ярче по сравнению с тем, как мы их увидели бы своими глазами. На самом деле мы все равно их не смогли бы разглядеть, потому что они очень далеки, тусклы и иной раз видны лишь в диапазонах спектра, недоступных человеческому зрению.

Но самая важная задача группы создания изображений «Хаббла» – делать такие снимки, которые содержат максимум научной информации. Цвет используется либо как инструмент для усиления слабых деталей изображенного объекта, либо чтобы показать то, что человеческий глаз не увидел бы, как, например, облака ионизированного газа, которые вместе образуют туманность, или молодые звезды, окруженные пылевым облаком.

Главной камерой «Хаббла» в данный момент является широкоугольная камера № 3 (англ. Wide Field Camera 3 – WFC3), которая, на самом деле, представляет собой комбинацию двух инструментов: один регистрирует свет от ультрафиолета до видимой части спектра, а другой работает в инфракрасном диапазоне. Камера WFC3 требуется для изучения явлений темной энергии и темной материи, и с ее помощью ученые наблюдают за процессами формирования звезд и далекими галактиками.

Этот снимок участка в 50 световых лет шириной – центрального региона туманности Эты Киля – один из самых детальных видов места, где происходит и рождение, и гибель звезд. Сказочные формы туманности вылепляются рвущимися наружу звездными ветрами и испепеляющей ультрафиолетовой радиацией, испускаемой чудовищными звездами, которые прячутся в недрах этого ада. С течением времени эти звезды истончают и рвут в клочья окружающий газопылевой материал, который является последней толикой гигантского облака, породившего их. Источник: NASA, Европейское космическое агентство, Н. Смит (Калифорнийский университет в Беркли), команда «Наследие Хаббла» под эгидой Научного института космического телескопа (STScI) и Университетской ассоциации астрономических исследований (AURA)

Усовершенствованная обзорная камера – широкоугольная, очень чувствительная камера, которая регистрирует волны от дальнего ультрафиолетового диапазона до видимого света, что позволяет изучать процессы, происходившие в самой ранней Вселенной. Также на борту «Хаббла» имеется два спектрографа. Эти приборы могут расщеплять лучи света на отдельные цветовые составляющие и измерять интенсивность каждого цвета, что дает информацию об объекте, который был их источником. Ультрафиолетовый «спектрограф истоков Вселенной» лучше всего работает с малыми источниками излучения, такими как далекие звезды или квазары, а мультиобъектный спектрометр ближнего инфракрасного диапазона может составлять карты более обширных объектов, таких как галактики или даже места расположения черных дыр.

Кадры взрыва звезды. На этой серии фотографий, выполненных при помощи космического телескопа «Хаббл», можно увидеть распространение светового эха вокруг звезды V838 Единорога в промежутке от мая 2002 года до октября 2004‐го. Световое эхо – это отражение света взорвавшейся звезды от окружающих ее пылевых оболочек, и эти никогда не виданные ранее узоры неожиданно оказались подсвечены на несколько недель в начале 2002 года. С тех пор облако взрыва рассеялось, и на прежнем месте можно наблюдать только саму звезду. Все шесть фотографий были сделаны при помощи усовершенствованной обзорной камеры. Источник: NASA, Европейское космическое агентство и З. Левей

– Астрономия всегда была визуальной наукой, – говорит Левей, – ведь в давние времена люди смотрели в небо и наблюдали, как оно меняется. Потом Галилей использовал телескоп и смог разглядеть больше. Со временем телескопы становились все сложнее. Теперь астрономия превратилась в науку, которая полагается на измерения и расчеты, ведущиеся на компьютерах методами статистического анализа. Но астрономы и сейчас любят рассматривать картинки, потому что они притягивают любой взгляд.

Левей – профессиональный астроном, но еще он фотограф-самоучка. В кабинете Золта Левея в Научном институте космического телескопа на стенах развешаны фотографии в рамках – среди них как снимки с «Хаббла», так и сделанные им самим. У Золта есть ощущение, что его опыт фотографа как минимум так же важен для того, чтобы создавать привлекательные фото на основе данных, как и астрономическое образование.

– Такая работа требует определенного уровня понимания и труда, – говорит он, – но в ней нет ничего принципиально нового, техника обработки изображений остается одной и той же на протяжении многих лет. Тем не менее мы многому научились в работе с данными и изображениями. Думаю, нам удалось глубоко проникнуться теми принципами эстетики, которые позволяют создавать действительно сильные изображения астрономической тематики, не теряя приверженности научной правде, и выяснить, как правильно доносить результаты нашего труда до общественности.

Золт Левей в своем кабинете в Научном институте космического телескопа. Источник: Научный институт космического телескопа (STScI)

Но, по словам Левея, хотя группа создания изображений «Хаббла» старается выпускать снимки, которые выглядят величественно, интригующе и заманчиво, они по-прежнему остаются учеными, цель которых – работа с научными данными.

Левей уже 25 лет работает с фотографиями «Хаббла», но он, кажется, до сих пор удивлен, если не сказать – потрясен тем, что их фотографии приобрели такую безумную популярность и завоевали внимание публики. Золт считает, что отчасти причиной этого является то, что «Хаббл» вошел в строй одновременно с началом широкой экспансии Интернета, который позволил людям просто и быстро находить эти снимки.

– В том, чем я занимаюсь, нет ничего космически сложного, – смеется Золт Левей. – На мой взгляд, это незамысловатое дело. Но нам несказанно везет, что тот материал, с которым мы работаем, получен от одного из самых лучших источников астрономических данных на свете! Со временем качество снимков улучшалось, и их вид менялся по мере того, как на космическом телескопе «Хаббл» устанавливали новые камеры. Эта обсерватория – важнейший поставщик самой высококачественной информации, и для меня честь иметь возможность работать с ней и делать то, что я делаю.

Как взглянуть сквозь окуляр «Хаббла»

– С помощью «Хаббла» был достигнут прогресс практически во всех областях астрономии, – говорит Йенкнер, показывая мне книгу, в которой собраны предложения астрономов всего мира по поводу того, как использовать космический телескоп в 2017 году. – Всего-навсего прочитайте заглавия разделов: внегалактическая астрономия, планетология, изучение Галактики, программы класса «Сокровищница»[29]29
  Англ. Treasury Programs – в рамках принятой в научном сообществе космического телескопа «Хаббл» терминологии вид наблюдательных программ, требующих особого режима выделения наблюдательного времени. – Прим. пер.


[Закрыть], космология, изучение Солнечной системы и так далее. Каждый год мы проводим всемирные совещания экспертов в области астрономии для рассмотрения этих предложений.

Обычно с каждым космическим научным проектом связана определенная команда, которая в одиночку распоряжается всеми приборами аппарата, но «Хаббл» открыт для любого профессионального астронома – и эта концепция, как многие считают, обусловила невероятную продуктивность телескопа. Но при том, что каждый астроном мечтает использовать «Хаббл», на целый год есть всего лишь 3000 наблюдательных часов. Поэтому предложения астрономов проходят тщательный отбор. Члены экспертного совета ранжируют предложения по степени того, насколько, по их мнению, многообещающие и качественные научные результаты каждое из них может дать.

«Таинственная гора»: так в большом увеличении выглядит «гора» из космического газа и пыли, которая представляет собой часть туманности Эты Киля. Верхушка столба длиной три световых года из холодного водорода рассеивается под давлением излучения близлежащих звезд, тогда как прячущиеся внутри этого столба звезды испускают потоки газа, которые струятся, образуя «вершины горы». Источник: NASA, Европейское космическое агентство и М. Ливио, а также команда 20-й годовщины проекта «Хаббл» (STScI)

– У нас нет недостатка в хороших предложениях, – говорит Йенкнер, – и запросов на наблюдательное время у нас в пять раз больше, чем мы можем удовлетворить.

В качестве директора института Сембах рассматривает рекомендации экспертного совета и принимает окончательное решение по дележке наблюдательного времени «Хаббла», причем иногда – на сеансы длительностью всего лишь в несколько минут.

– Те, кто у нас занимается составлением графиков наблюдений, на самом деле, наши невоспетые герои и героини, – говорит Сембах. – Они собирают эту громадную головоломку воедино каждую неделю, чтобы отправить готовый набор команд на орбитальную обсерваторию.

Астрономы, сумевшие заполучить наблюдательное время на «Хаббле», используют специальные компьютерные программы, чтобы формировать задания с деталями о том, что именно, когда и в течение какого времени им нужно пронаблюдать и какие фильтры они при этом хотят применить.

– Наши составители графиков наблюдений собирают эти начальные задания и вводят их в общую систему, решая, как наиболее оптимально совместить все, что требуется сделать, согласно всему набору программ, которых может быть больше двухсот, – описывает их деятельность Сембах. – Результатом их работы является долговременный годичный план, а затем они каждую неделю выстраивают детальный календарь событий на неделю предстоящую, и его точность доходит до десятых долей секунды.

Далее специалисты совмещают все наблюдательные планы с периодами времени, необходимыми для служебных задач, таких как поддержание высоты орбиты или выполнение сеансов связи для отправки на Землю результатов наблюдений и получения новых команд.

– Это все крутится, как заводной механизм: каждую неделю, весь год напролет, – говорит Сембах. – Это, на самом деле, очень интересный процесс.

Данные, которые «Хаббл» еженедельно присылает на Землю, могут занимать пространство до восемнадцати DVD-дисков. Результаты наблюдений, заказанные каждым астрономом, остаются его интеллектуальной собственностью в течение года – это означает, что у того, кому пришла в голову идея провести конкретные наблюдения, есть год на то, чтобы обработать и проанализировать полученную информацию. Но после этого любой желающий астроном имеет право скачать архивные данные из базы в Интернете и заниматься их анализом где бы то ни было в мире. На сегодняшний день половина научных работ, где были опубликованы новые находки и результаты, основаны на архивных данных «Хаббла».

Наследие Хаббла

Космический телескоп «Хаббл» (The Hubble Space Telescope) назван в честь астронома Эдвина Хаббла. В 1920 году он установил, что размытые пятнышки света в ночном небе, которые до него называли «спиральными туманностями», в действительности являются такими же галактиками, как наша, но очень удаленными от нас. Эта идея коренным образом изменила наш взгляд на то, какое место мы занимаем во Вселенной.

Но позже, в 1929 году, Эдвин Хаббл сделал еще одно изумительное открытие: оказалось, что почти все галактики движутся в противоположную от нас сторону, и чем дальше галактика от Земли, тем быстрее она убегает прочь. Идея расширяющейся Вселенной легла в основу теории Большого взрыва, согласно которой у Вселенной был момент начала развития, когда произошел колоссальный одномоментный выброс энергии, и с тех пор она не прекращает расширяться.

Определение скорости этого расширения – постоянной Хаббла – стало следующей задачей, но ее нельзя решить без ответа на вопрос о возрасте нашей Вселенной. До ввода в строй космического телескопа «Хаббл» астрономы могли сказать, что она образовалась от 10 до 20 млрд лет назад – это была не особенно точная величина. Но с этим мощным инструментом у ученых появилась возможность определить, что возраст нашего мира приблизительно 13,7 млрд лет, и они надеются отыскать еще более точное значение.

Сделанный космическим телескопом «Хаббл» снимок спиральной галактики NGC 3021, одной из тех, где наблюдались вспышки сверхновых типа Ia – их астрономы используют для более точного измерения величины, связанной со скоростью расширения Вселенной, которая называется постоянной Хаббла. Орбитальная обсерватория «Хаббл» также выполнила точные измерения свечения переменных звезд-цефеид в этой галактике: такие звезды пульсируют с частотой, которая находится в тесной корреляции с их истинной светимостью[30]30
  Показатель общей яркости звезды при наблюдении ее с некоторого заданного расстояния, в отличие от наблюдаемой светимости, регистрируемой земным наблюдателем на фактическом расстоянии от светила. – Прим. пер.


[Закрыть]. Это делает их идеальным ориентиром для измерения межгалактических расстояний. Источник: NASA, Европейское космическое агентство и А. Риз (Научный институт космического телескопа – STScI / Университет Джонса Хопкинса – JHU)

– Измерение срока жизни Вселенной – одна из тех задач, для каких «Хаббл» был задуман и спроектирован, – говорит Кен Сембах. – Сначала мы надеялись определить ее возраст с точностью до 10 %, а впоследствии смогли довести точность до 3 %. Теперь мы нацеливаемся на измерения с погрешностью в 1 %. С точки зрения космологии и астрономии это очень значительное достижение.

Другое открытие, совершенное в 1998 году при помощи космического телескопа «Хаббл», состоит в том, что, как бы это ни было невероятно, Вселенная расширяется с ускорением.

– Я думаю, что это практически для всех стало неожиданностью, – вспоминает Сембах. – Одно из сделанных «Хабблом» открытий, которые по-настоящему меняют картину и наше понимание всей Вселенной.

Гравитационное линзирование: Абель 370 – одно из первых галактических скоплений, в котором астрономы смогли заметить проявление феномена гравитационной линзы, выражающееся в том, что галактика переднего плана искривляет лучи света, идущие от более далеких галактик, и зрительно увеличивает их, попутно искажая форму. Из-за этого на снимке возникают дуги и полоски, которые являются изображениями галактик фона. Гравитационное линзирование представляет собой важнейшее для астрономов средство изучения распределения темной материи в массивных скоплениях галактик, поскольку распределение массы вещества можно воссоздать по тем гравитационным эффектам, которые оно оказывает. Источник: NASA, Европейское космическое агентство, команда публикации ранних наблюдательных результатов экспедиции обслуживания № 4 (the Hubble SM4 ERO Team) и Европейская координационная организация космического телескопа (ST-ECF)

Для объяснения эффекта расширяющейся Вселенной астрономы используют термин темная энергия. Несмотря на то что природа темной энергии остается загадкой, астрономы могут ясно наблюдать результат ее действия.

Так может выглядеть сверхмассивная черная дыра с массой, в 21 млн раз превышающей солнечную, расположенная в центре сверхплотной галактики под обозначением М60-UCD1. Эта карликовая галактика настолько плотна, что в ней миллионы звезд заполоняют все небо, как на этой картине, которую мог бы видеть воображаемый наблюдатель в этой области Вселенной. Поскольку свет не может покинуть черную дыру, она изображена просто пятном на фоне звездного пейзажа. Мощное поле тяготения черной дыры искажает свет более далеких звезд, формируя кольцевидные детали, близко прилегающие снаружи к черному контуру ее горизонта событий. Комбинированные наблюдения, проведенные астрономами на космическом телескопе «Хаббл» и телескопе Джемини Север (Гавайи), позволили установить, что внутри такой маленькой галактики с тесным расположением звезд есть черная дыра. Источник иллюстрации: NASA, Европейское космическое агентство, а также Д. Коу и Дж. Бэкон (Научный институт космического телескопа, STScI)

– Мы знаем, что темная энергия присутствует повсюду во Вселенной, потому что мы смогли измерить степень ее расширения в разных местах, наблюдая удаленные вспышки сверхновых, – объясняет Кен, – которые оказываются тусклее и дальше, чем мы могли ожидать. Темная энергия действует как сила отталкивания, в отличие от силы всемирного притяжения. Наблюдать ее – это как подбросить мячик в воздух и увидеть, что он вместо того, чтобы упасть обратно, набирает скорость и улетает вверх.

Астрономы, которые определили скорость расширения Вселенной, удостоились Нобелевской премии в области физики в 2011 году. Теперь стоит задача понять, чем же именно является темная энергия и как она действует – решение этой загадки важно, поскольку астрономы считают, что Вселенная на 68 % состоит именно из темной энергии.

«Хаббл» также послужил средством исследования другого таинственного звена в картине строения Вселенной, а именно темной материи. Наблюдения показывают, что во всем пространстве слишком мало видимого вещества, чтобы наполнить 27 % массы, остающиеся после вычета массового эквивалента темной энергии, поскольку звезды, планеты, пыль и газ, то есть нормальная материя, в сумме дают лишь 5 % массы Вселенной. Что же такое темная материя? Темной она называется потому, что она не является ничем из того вещества, которое мы можем наблюдать, но уже многие десятилетия ее существование выводится из расчетов, потому что, по всей видимости, она взаимодействует со скоплениями галактик. Темная материя – еще одна загадка, которую предстоит решить.

Черные дыры являются другим примером объектов, которые нельзя увидеть, но их действие очевидно. Еще до начала проекта космического телескопа «Хаббл» ученые считали, что черные дыры существуют, но именно он позволил астрономам проверить большое количество галактик и убедиться, что каждая галактика с ярким центральным балджем[31]31
  Выпуклостью, утолщением. – Прим. пер.


[Закрыть] действительно содержит в самой его середине сверхмассивную черную дыру.

– Почти в самом начале своей истории «Хаббл» помог найти убедительные доводы в пользу того, что черные дыры существуют практически везде, – говорит Гельмут Йенкнер.

Область глубокого обзора «Хаббла»[32]32
  Англ. Hubble Deep Field. – Прим. пер.


[Закрыть]: в декабре 1995 года десять суток подряд «Хаббл» «вглядывался» при помощи широкоугольной и планетарной камеры WFPC 2 в клочок неба видимым размером не больше песчинки, которую держат на вытянутой руке. На фото этого крошечного участка проявились изображения более тысячи галактик, удаленных от нас на миллиарды световых лет, и каждая из них состояла из миллиардов звезд. Наш земной мир и вся наша Галактика внезапно стали очень маленькими во вселенском масштабе. Источник: NASA, Европейское космическое агентство, Р. Уильямс (Научный институт космического телескопа – STScI), а также группа глубокого обзора «Хаббла»

В день, когда я посетила Йенкнера в институте космического телескопа, астрономы, работающие на проекте лазерно– интерферометрической гравитационно-волновой обсерватории (англ. Laser Interferometer Gravitational-Wave Оbservatory, LIGO), провозгласили историческое открытие гравитационных волн – колебаний пространства-времени, вызываемых событиями слияния черных дыр, поиск чего велся очень давно.

– А теперь, – прокомментировал Йенкнер, – мы находимся на пике исполнения замысла, вложенного в «Хаббл», в день открытия гравитационных волн, порожденных двумя черными дырами, которые в своем взаимном вращении слились воедино.

В то время, когда телескоп «Хаббл» отправился на орбиту, науке было известно лишь несколько экзопланет, то есть планет, которые обращаются не вокруг Солнца, а вокруг других звезд. И «Хаббл» начал изучать эти далекие миры.

– «Хаббл» стал первой обсерваторией, которой удалось измерить состав планетарной атмосферы за пределами Солнечной системы, атмосферы экзопланеты, – говорит Сембах, – и тем самым открыть целое научное направление. До этого момента никто и не мечтал о том, чтобы выполнить подобные наблюдения, но космический телескоп «Хаббл» показал, что это на самом деле возможно. Теперь с его помощью проведены наблюдения множества таких звездных систем, и другие телескопы, такие как космический телескоп «Спитцер», тоже занимались изучением экзопланет.

В дальнейшем мы с вами познакомимся со специальным телескопом, предназначенным для «охоты» на экзопланеты, под названием «Кеплер».

Яркой демонстрацией невероятных возможностей «Хаббла» являются сеансы наблюдений «полей глубокого обзора». Камера телескопа много дней подряд «смотрела» в маленькую область неба, относительно свободную от любых звезд, чтобы сделать длительную экспозицию этого участка, который астрономам ранее представлялся просто совершенно пустым пространством. Однако эти снимки самых отдаленных от нас и темных уголков Вселенной оказывались вовсе не пустыми. На них проявлялись точки, пятна и завитки, и каждое из этих туманных пятнышек было галактикой, состоящей из миллиардов звезд. На первом поле глубокого обзора можно насчитать полторы тысячи галактик, а ведь эта область при взгляде с Земли так же мала, как песчинка, если на нее глядеть, держа на вытянутой руке. Уму непостижимо, сколько же на самом деле во всей Вселенной галактик. Такие наблюдения ясно демонстрируют нам невероятный размер и сложность Вселенной, в которой мы живем.

С помощью «Хаббла» мы совершаем такие путешествия сквозь пространство и время, о каких раньше не могли и мечтать.