Астрофизика и ее понятия. Роль космических УФ-телескопов в исследовании Вселенной

Все телескопы спроектированы так, что могут зафиксировать только некоторый узкий участок электромагнитного спектра. Наземные телескопы, как правило, оптические, т.е. работают в видимом свете (длина волны от 390 до 760 нм). В других диапазонах электромагнитных волн земная атмосфера непрозрачна (за исключением малых участков в ультрафиолетовом, радио и инфракрасном диапазонах). Но видимый свет занимает лишь незначительный участок электромагнитного спектра. Весь электромагнитный спектр простирается от длин волн менее 0,01 нм (гамма-излучение) до длин волн в сто километров (радиоволны). Для изучения объектов и процессов во Вселенной за границами видимого света используются космические телескопы. Телескопы разделяются на классы согласно основным диапазонам частот _ частоты гамма-излучения, рентгеновские, ультрафиолетовые (УФ), инфракрасные, оптические, микроволновые, радиочастоты.

Для всестороннего изучения астрономического объекта его нужно исследовать в различных частотах. Основные спектральные линии всех ключевых атомов и ионов находятся в ультрафиолетовой области (от 10 до 400 нм). Вот список астрофизических объектов и процессов, исследование которых требует использования УФ телескопов:

• – области звездообразования,
• – протопланетные диски,
• – массобмен и аккреция в двойных системах,
• – химический состав звезд и химическая эволюция галактик,
• – образование массивных звезд,
• – поздние стадии звездной эволюции (звезды горизонтальной ветви, белые,
• – карлики, – межзвездное пылевое вещество,
• – возрасты и химические особенности звездных населений,
• – тепло-горячий компонент межзвездной среды,
• – протогалактики,
• – история звездообразования в галактиках,
• – галактические фонтаны, галактический ветер,
• – активные галактические ядра,
• – эволюция межгалактической среды (реионизация, обогащение металлами),
• – первичное содержание дейтерия.

Данный список взят из работы «Вселенная в ультрафиолете». Там же дан полный обзор всех УФ телескопов и особо отмечена спектроскопическая обсерватория FUSE, богатая на важные результаты. К вопросу о результатах измерений FUSE мы ещё вернёмся.

Несмотря на значительные усилия, Вселенная в ультрафиолетовом диапазоне изучена пока еще очень слабо. Наблюдения в ультрафиолете сталкиваются со значительными трудностями. Связано это с тем, что УФ поглощается межзвёздной и межгалактической средой. Поэтому самые далёкие объекты в ультрафиолете невидимы. А наблюдение объектов, находящихся вне Солнечной системы, и тем более внегалактических объектов сильно затруднено. Особенно для высоких УФ частот. Перспективы УФ астрономии во втором десятилетии 21-го века связаны с запуском в 2016 г российской космической обсерватории «Спектр-УФ» («Русский Hubble.

«Спектр-УФ», будет работать не во всём ультрафиолетовом диапазоне от 10 до 400 нм, а только в пределах длин волн 115–310 нм. Для более коротких УФ волн наблюдение затруднено, а для волн 320-400 нм земная атмосфера прозрачна и, значит, можно использовать наземные телескопы.

Перед телескопом поставлены четыре группы научных задач, первая и основная из которых – поиск «потерянного» барионного вещества Вселенной. Остальные три задачи следующие: изучение процессов аккреции, исследование планетных атмосфер, эволюция галактики и протопланетные диски. Что же касается «потерянного» барионного вещества, то, как показали исследования УФ телескопа FUSE в 1999-2007 годах, практически вся материя нашей галактики Млечный Путь является барионной. Но только в значительной мере она сосредоточена в сильно ионизованных газовых облаках, излучающих в ультрафиолете. Этот результат, полученный FUSE, традиционная астрофизика удивительным образом «не заметила» и продолжает икать гипотетическую «тёмную материю». Поэтому и запланирован повторный поиск барионного вещества телескопом «Спектр-УФ».

В заключение статьи отметим ещё одну заслугу УФ телескопа FUSE в исследовании нашей Галактики. В середине 1950-х годов были обнаружены высокоскоростные водородные облака с массами до 10 млн. масс Солнца и поперечниками порядка 10 тыс. световых лет. Скорость их движения на 400 км превышала скорость орбитального движения компонентов галактического диска вокруг центра Галактики. Для сравнения: орбитальная скорость Солнца равна 200 км/с. Поскольку наблюдения велись наземными телескопами, понять расположение высокоскоростных облаков было трудно. Находясь внутри Галактики, невозможно было точно определить их местоположение. Измерялись две их координаты на небесной сфере, но третья координата (глубина) была неизвестна. Проблема еще сильнее запуталась, когда в начале 70-х годов был открыт Магелланов Поток - струя газа, охватывающая Галактику.

С появлением космических телескопов удалось определить местоположение высокоскоростных облаков и выяснить природу Магелланова Потока. Оказалось, что высокоскоростные облака находятся по обе стороны галактического диска в области галактической короны (рис.1).

Магелланов Поток порождён гравитационным взаимодействием галактики Млечный Путь и двух её спутников _ карликовых галактик Большого и Малого Магеллановых облаков. Около двух миллиардов лет тому назад при максимальном сближении галактик приливными силами сорвало часть газа от внешней области Малого Магелланова Облака. Часть этого газа, замедлившись, растянулась по орбите Магеллановых Облаков, отставая от них, а другая часть ускорилась и оказалась впереди этих галактик. Как выглядят Магеллановы Облака на небе южного полушария Земли показано на рис.2.

Очередное затруднение возникло при определении происхождения высокоскоростных облаков. К моменту запуска УФ телескопа FUSE было четыре гипотезы о природе их происхождения:

• 1. Газ, оставшийся после формирования Галактики;
• 2. Круговорот газа в "галактическом фонтане";
• 3. Обрывки Магеллановых Облаков;
• 4. Сгустки темного вещества, в которые включено небольшое количество газа.

Для того чтобы сделать выбор между ними, требовались новые данные. После детального анализа были исключены три из четырёх гипотез. Вторая и третья гипотезы были исключены из-за несоответствия их химического состава этим гипотезам. А четвёртая гипотеза была исключена на основании результатов измерений FUSE. Данные FUSE говорили о наличии у высокоскоростных облаков очень горячего компонента. Были обнаружены сильно ионизованные атомы кислорода (потерявшие до 5 из 8 внешних электронов). Такая степень ионизации соответствует температуре около 300 тыс. К. По линиям ионизованного кислорода спутник FUSE нашел высокоскоростное облако, даже вовсе не содержащее нейтрального газа. Высокоионизованный газ излучает в ультрафиолете и потому может быть обнаружен только УФ телескопом.

Итак, было получено следующее заключение: высокоскоростные облака галактики Млечный Путь образуются в галактической короне (гало?) из газа, оставшегося после формирования галактики.

Подробнее об этом вопросе можно прочесть в статье «Космические объекты - Млечный Путь».

1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Публикация проекта, 9 декабря 2014 года
3. Автор статьи Л.М. Топтунова
для проекта 'Астрогалактика'

Главная страница раздела