Свет распространяется только в одном направлении: по прямой. Но путь, который он проходит из точки А в точку Б, всегда имеет форму волны, где свет с более высокой энергией распространяется с более короткими длинами волн. Фотоны, представляющие собой крошечные сгустки энергии, путешествовали по Вселенной с тех пор, как они впервые появились после Большого Взрыва. Они всегда путешествуют в космическом вакууме со скоростью 299 792 458 метров/с — скоростью света — что быстрее, чем что-либо еще.
Жаль, что мы можем увидеть только около 0,0035% света во Вселенной невооруженным глазом. Люди могут воспринимать только крошечную полоску электромагнитного спектра: длины волн примерно от 380 до 750 нанометров. Это то, что мы называем видимой частью электромагнитного спектра. На Вселенную может быть приятно смотреть в этом диапазоне, но наше зрение пропускает обширные спектры длин волн, которые либо короче, либо длиннее этого ограниченного диапазона. По обе стороны от видимой полосы лежат свидетельства межзвездных газовых облаков, самых горячих звезд во Вселенной, газовых облаков между галактиками, газа, устремляющегося в черные дыры, и многого другого.
К счастью, телескопы позволяют нам увидеть то, что иначе осталось бы скрытым. Чтобы обнаружить газовые облака между звездами и галактиками, мы используем детекторы, которые могут улавливать инфракрасные волны. Для сверхгорячих звезд требуются инструменты, способные видеть короткие ультрафиолетовые волны. Чтобы увидеть газовые облака между галактиками, нужны детекторы рентгеновского излучения.
Мы используем телескопы, предназначенные для обнаружения невидимых частей космоса, уже более 60 лет. Поскольку атмосфера Земли поглощает большинство длин волн света, многие из наших телескопов должны наблюдать за космосом с орбиты или из космоса. Сейчас мы подробно расскажем обо всех этих инструментах, и что именно они нам показали.
Инфракрасные волны
Мы не можем видеть инфракрасные волны, но можем ощущать их как тепло. Чувствительный детектор, такой как космический телескоп James Webb, может различать эту тепловую энергию в глубинах Вселенной. Но мы используем инфракрасное излучение и в более приземленных целях. Например, устройства дистанционного управления работают, отправляя инфракрасные сигналы с длиной волны около 940 нанометров на ваш телевизор или стереосистему. Эти тепловые волны также исходят от инкубаторов, чтобы помочь вылупиться цыпленку или согреть домашнюю рептилию. Будучи теплым существом, вы также излучаете инфракрасные волны. Человек, использующий очки ночного видения, может видеть вас, потому что очки превращают инфракрасную энергию в оптическую энергию ложного цвета, которую могут воспринимать ваши глаза. Инфракрасные телескопы позволяют нам видеть космическое пространство подобным образом.
Астрономы начали первые обзоры неба с помощью инфракрасных телескопов в 1960-х и 1970-х годах. Webb, запущенный в 2021 году, использует инфракрасный спектр для исследования самых глубоких областей Вселенной. Находясь на орбите вокруг Солнца в действительно холодном пространстве Webb имеет три инфракрасных детектора, способных заглянуть в прошлое дальше, чем любой другой телескоп до сих пор.
Его основное устройство обработки изображений, камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), наблюдает за Вселенной с помощью детекторов, настроенных на входящие длины волн в диапазоне от 0,6 до 5 микрон, что идеально подходит для наблюдения света от самых ранних звезд и галактик во Вселенной. Инфракрасный прибор Webb (MIRI) охватывает диапазон длин волн от 5 до 28 микрон, его чувствительные детекторы улавливают смещенный в красную сторону свет далеких галактик. И это очень полезно, ведь инфракрасное излучение более четко проходит сквозь газовые и пылевые облака дальнего космоса, открывая объекты за ними. По этой и многим другим причинам инфракрасный спектр занял важное место в наших космических исследованиях. Спутники на околоземной орбите, такие как широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп NASA (WFIRST), также наблюдают за дальним космосом с помощью более длинных инфракрасных волн.
Тем не менее, когда звезды только формируются, они в основном испускают ультрафиолетовый свет. Так почему бы нам не использовать ультрафиолетовые детекторы для поиска далеких галактик? Это потому, что Вселенная с самого начала растягивалась, и свет, проходящий через нее, тоже растягивался. Каждая планета, звезда и галактика постоянно удаляются от всего остального. К тому времени, как свет от GLASS-z13, образовавшегося через 300 миллионов лет после Большого взрыва, достигает наших телескопов, он путешествовал уже более 13 миллиардов лет, то есть на огромном расстоянии от более молодой Вселенной. Свет мог начаться как ультрафиолетовые волны, но в огромных масштабах времени и пространства он стал инфракрасным. Таким образом, эта молодая галактика выглядит как красная точка для NIRCam. Мы смотрим назад во времени на галактику, которая уносится прочь от нас.
Радиоволны
Если бы мы могли видеть ночное небо только через радиоволны, мы бы заметили ряды сверхновых, пульсаров, квазаров и газообразных областей звездообразования вместо обычных ярких огней звезд и планет.
Такие инструменты, как обсерватория Аресибо в Пуэрто-Рико, могут делать то, что не под силу нашим глазам: обнаруживать одни из самых длинных электромагнитных волн во Вселенной. Радиоволны обычно имеют длину футбольного поля, но они могут быть даже больше, чем диаметр нашей планеты. Хотя самая большая тарелка в Аресибо рухнула в 2020 году из-за структурных проблем, другие крупные телескопы продолжают работу по наблюдению за радиоволнами из космоса. Большие радиотелескопы уникальны тем, что на самом деле они используют множество тарелок меньшего размера, объединяя свои данные для получения действительно четкого изображения.
В отличие от оптической астрономии, наземным радиотелескопам не нужно бороться с облаками и дождем. Они могут различать состав, структуру и движение планет и звезд независимо от погоды. Однако тарелки радиотелескопов должны быть намного больше, чем оптические, чтобы получить сопоставимое изображение, поскольку радиоволны очень длинные. По данным NASA, тарелка обсерватории Паркса имеет ширину 64 метра, но ее изображение сравнимо по качеству с небольшим оптическим телескопом, который вы сможете купить в ближайшем магазине.
В 2019 году восемь различных радиотелескопов по всему миру координировали свои наблюдения для телескопа Event Horizon, чтобы собрать воедино поразительное изображение черной дыры в сердце галактики M87.
Ультрафиолетовые волны
Скорее всего вым не нужно объяснять, что есть ультрафиолетовые (или УФ). Солнце является нашим самым большим локальным излучателем этих более высоких частот и более коротких длин волн, находящихся за пределами видимого человеческого спектра, в диапазоне от 100 до 400 нанометров. Космический телескоп Hubble был нашим основным инструментом для наблюдения ультрафиолетового излучения из космоса, в том числе молодых звезд, формирующихся в спиральной галактике NGC 3627, полярных сияний Юпитера и гигантского облака водорода, испаряющегося с экзопланеты, которая реагирует на экстремальное излучение своей звезды.
Наше Солнце и другие звезды излучают полный спектр УФ-света, сообщая астрономам, насколько они относительно горячие или холодные в соответствии с подразделениями ультрафиолетового излучения: ближний ультрафиолет, средний, дальний и крайний. Применение совмещения видимого света в искусственных цветах позволяет нам своими глазами увидеть разницу в температуре газа звезды.
Широкоугольная камера Hubble 3 (WFC3) разлагает ультрафиолетовый свет на определенные существующие цвета с помощью фильтров. Разработчики научных визуальных эффектов назначают основные цвета и реконструируют данные в изображение, которое наши глаза могут четко идентифицировать. Используя программное обеспечение для обработки изображений, астрономы и даже энтузиасты-любители могут превратить данные УФ-излучения в изображения, которые будут не только красивыми, но и информативными.
Рентгеновское излучение
С 1999 года орбитальная рентгеновская обсерватория Chandra является самым чувствительным радиотелескопом из когда-либо построенных. Во время одного наблюдения, которое длилось несколько часов, его рентгеновское зрение увидело только четыре фотона из галактики на расстоянии 240 миллионов световых лет, но этого было достаточно, чтобы установить новый тип взрывающейся звезды. Обсерватория, расположенная на высоте 140 000 км над Землей, может создавать подробные полноцветные изображения горячих объектов, излучающих рентгеновское излучение, таких как сверхновые звезды, скопления галактик и газов, а также струи энергии, окружающие черные дыры, температура которых составляет миллионы градусов по Цельсию. Она также может измерять интенсивность отдельной длины волны рентгеновского излучения, которая колеблется всего от 0,01 до 10 нанометров. Его четыре чувствительных зеркала улавливают энергичные фотоны, а затем электронные детекторы на конце 9-метрового оптического аппарата фокусируют рентгеновские лучи.
Ближе к нашему дому северное сияние на полюсах тоже испускает рентгеновские лучи. А внизу, на Земле, этот высокочастотный свет с низкой длиной волны легко проходит через мягкие ткани нашего тела, но не через кости, создавая аналогичные звездным рентгеновские изображения наших скелетов и зубов.
Видимый свет
Видимый цвет дает астрономам важные сведения о звезде, включая температуру, расстояние, массу и химический состав. Телескоп Hubble, расположенный на высоте почти 569 км над нашей планетой, был основным источником изображений космоса в видимом свете с 1990 года.
Более горячие объекты, такие как молодые звезды, излучают энергию на более коротких световых волнах. Вот почему молодые звезды с температурой до 12 000 градусов по Цельсию, такие как звезда Ригель, кажутся нам голубыми. Астрономы также могут определить массу звезды по ее цвету. Поскольку масса соответствует температуре, наблюдатели знают, что горячие голубые звезды по крайней мере в три раза больше массы Солнца. Например, чрезвычайно горячая, ярко светящаяся голубая переменная звезда Эта Киля по массе в 150 раз превышает массу нашего Солнца и излучает в 1 000 000 раз больше энергии нашего Солнца.
Более тусклое солнце имеет температуру около 5500 градусов по Цельсию, поэтому оно кажется желтым. На другом конце шкалы находится старая звезда Бетельгейзе, которая последние несколько лет сбрасывает свой внешний слой и выглядит красной, потому что ее температура всего около 3000 градусов по Цельсию.
