Современные космические обсерватории

Муниципальное Казенное Общеобразовательное Учреждение

"Средняя общеобразовательная школа №1

города Олонца”

Проект

по астрономии на тему:

"Современные космические обсерватории"

Выполнила ученица 10А класса

Леонтьева Ирина

Олонец

2019

Содержание

1. Вступление……………………………………………………………...3

2. Глава 1. Изучение космоса…………………………………………….3-5

3. Глава 2. Современные космические обсерватории…………………..6-13

А) Космические гамма - телескопы

Б) Космические рентгеновские телескопы

В) Космические ультрафиолетовые телескопы

Г) Космические оптические телескопы

Д) Космические инфракрасные телескопы

4. Заключение………………………………………………………………..14

Цель работы: знакомство с современными космическими обсерваториями и изучение принципа их действия.

Задачи:

1. Узнать о методах изучения космоса

2. Познакомится с крупнейшими космическими обсерваториями, их «стратификацией» и принципом действия

3. Проанализировать понятие гравитационных волн и использование принципа их действия для создания нового тира телескопов.

Вступление

Развитие науки и техники в XX-XXI веке в значительной мере направили ученых на создание более современных и мощных средств изучения космоса. Огромный объём информации о космосе целиком остаётся за пределами земной атмосферы. Большая часть инфракрасного и ультрафиолетового диапазона, а также рентгеновские и гамма-лучикосмического происхождения недоступны для наблюдений с поверхности Земли. Для того чтобы изучать Вселенную в этих лучах, необходимо вынести наблюдательные приборы в космос. Таковыми приборами стали космические обсерватории.

Глава 1. Изучение космоса

Вселенная - извечная загадка бытия, манящая тайна навсегда. Ибо нет конца у познания. Есть лишь непрерывное преодоление границ неведомого. Но как только сделан этот шаг – открываются новые горизонты. А за ними – новые тайны. Так было, и так будет всегда. Особенно в познании Космоса. Слово «космос» происходит от греческого “kosmos”, синонима астрономического определения Вселенной. Под Вселенной подразумевается весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Вселенная, изучаемая астрономией, - часть материального мира, которая доступна исследованию астрономическими средствами, соответствующими достигнутому уровню развития науки.

Вся история изучения Вселенной есть, в сущности, поиски и находки средств, улучшающих человеческое зрение. До начала XVII в. невооруженный глаз был единственным оптическим инструментом астрономов. Вся астрономическая техника древних сводилась к созданию различных угломерных инструментов, как можно более точных и прочных. Уже первые телескопы сразу резко повысили разрешающую и проницающую способность человеческого глаза. Постепенно были созданы приемники невидимых излучений и в настоящее время Вселенную мы воспринимаем во всех диапазонах электромагнитного спектра – от гамма-излучения до сверхдлинных радиоволн.

Более того, созданы приемники корпускулярных излучений, улавливающие мельчайшие частицы – корпускулы (в основном ядра атомов и электроны), приходящие к нам от небесных тел. Совокупность всех приемников космических излучений способны фиксировать объекты, от которых до нас лучи света доходят за многие миллиарды лет. По существу, вся история мировой астрономии и космологии делится на две не равные по времени части – до и после изобретения телескопа. ХХ век вообще необычайно раздвинул границы наблюдательной астрономии. К чрезвычайно усовершенствованным оптическим телескопам добавились новые, ранее совершенно невиданные -– радиотелескопы, а затем и рентгеновские (которые применимы только в безвоздушном пространстве и в открытом космосе). Также с помощью спутников используются гамма-телескопы, позволяющие зафиксировать уникальную информацию о далеких объектах и экстремальных состояниях материи во Вселенной.

Для регистрации ультрафиолетового и инфракрасного излучения используются телескопы с объективами из мышьяковистоготрехсернистого стекла. С помощью этой аппаратуры удалось открыть много ранее не известных объектов, постичь важные и удивительные закономерности Вселенной. Так, вблизи центра нашей галактики удалось обнаружить загадочный инфракрасный объект, светимость которого в 300 000 раз превышает светимость Солнца. Природа его пока неясна. Зарегистрированы и другие мощные источники инфракрасного излучения, находящиеся в других галактиках и внегалактическом пространстве.

Вселенная настолько огромна, что астрономы до сих пор не смогли установить, насколько она велика! Однако благодаря последним достижениям науки и техники мы узнали много нового о космосе и нашем месте в нем. В последние 50 лет люди получили возможность покидать Землю и изучать звезды и планеты не только наблюдая их в телескопы, но и получая информацию прямо из космоса. Запускаемые спутники оснащены сложнейшим оборудованием, с помощью которого были сделаны удивительные открытия, в существование которых астрономы не верили, например, черные дыры и новые планеты.

Со времени запуска в открытый космос первого искусственного спутника в октябре 1957 года за пределы нашей планеты было отправлено множество спутников и роботов-зондов. Благодаря им ученые “посетили” почти все основные планеты Солнечной системы, а также их спутники, астероиды, кометы. Подобные запуски осуществляются постоянно, и в наши дни зонды нового поколения продолжают свой полет к другим планетам, добывая и передавая на Землю всю информацию.

Также были запущены и космические обсерватории. Более подробно о них изложено в следующей главе.

Глава 2. Современные космические обсерватории

Для того чтобы более досконально изучать Вселенную , необходимо вынести наблюдательные приборы в космос. Ещё недавно внеатмосферная астрономия была уделом мечтателей. Теперь она превратилась в быстро развивающуюся отрасль науки. Результаты, полученные на космических телескопах, без малейшего преувеличения перевернули многие наши представления о Вселенной.

Первые космические обсерватории существовали на орбите недолго, и программы наблюдений на них ограничивались несколькими пунктами. Современный космический телескоп - уникальный комплекс приборов, разрабатываемый и эксплуатируемый несколькими странами для гарантированной работы в течение многих лет. В наблюдениях на современных орбитальных обсерваториях принимают участие тысячи астрономов со всего мира.

Для успешной работы космической обсерватории требуются совместные усилия самых разных специалистов. Космические инженеры готовят телескоп к запуску, выводят его на орбиту, следят за обеспечением энергией всех приборов и их нормальным функционированием. Каждый объект может наблюдаться в течение нескольких часов, поэтому особенно важно удерживать ориентацию спутника, вращающегося вокруг Земли, в одном и том же направлении, чтобы ось телескопа оставалась нацеленной строго на объект.

Астрономы собирают заявки на проведение наблюдений, отбирают из них наиболее важные, готовят программу наблюдений, следят за получением и обработкой результатов. Данные, полученные на космических телескопах, в течение некоторого времени доступны лишь авторам программы наблюдений. Потом они поступают в компьютерные сети и агентства новостей, и любой астроном может воспользоваться ими. Также в сети содержится информация о видах телескопах – обсерваторий, их роде деятельности и принципе работы.

Список космических телескопов.

Этот список космических телескопов (астрономических обсерваторий в космосе), сгруппированный по основным диапазонам частот : Гамма-излучение, Рентгеновское излучение, Ультрафиолетовое излучение, Видимое излучение, Инфракрасное излучение, Микроволновое излучение и Радиоизлучение. Телескопы, работающие в различных частотных диапазонах включены во всех соответствующих разделах.

Космические гамма – телескопы

Гамма-телескопы собирают и измеряют высокоэнергическое гамма-излучение от астрофизических источников. Оно поглощается атмосферой, поэтому, чтобы вести наблюдения требуются высотные аэростаты или космические полёты. Гамма-лучи излучаются сверхновыми, нейтронными звёздами, пульсарами и чёрными дырами. Гамма-всплески, с очень высокими энергиями, были также обнаружены, но до сих пор не изучены.

Крупнейшей в своей области обсерваторией, запущенной в космос и работающей по сей день, является обсерватория GLAST.

GLAST (англ. Gamma-ray Large Area Space Telescope), впоследствии названный англ. Fermi Gamma-ray Space Telescope (рус. Космический гамма-телескоп Ферми) в честь физика Энрико Ферми (с 26 августа 2008 года), — космическая обсерватория на низкой земной орбите предназначенная для наблюдения больших областей космоса в диапазоне гамма-излучения. С его помощью астрономы исследуют астрофизические и космологические процессы, происходящие в активных ядрах галактик, пульсарах и других высокоэнергетических источниках; изучают гамма-всплески, ведут поиски тёмной материи.

Научные результаты.

1. Гамма-пульсар

Первым значительным открытием обсерватории была регистрация гамма-пульсара, расположенного в остатке сверхновой CTA 1[4]. Он находится в созвездии Цефей на расстоянии около 4600 световых лет от Земли и совершает полный оборот вокруг своей оси за 316,86 миллисекунд.

2. GRB 080916C

15 сентября 2008 года телескоп Ферми зарегистрировал рекордную вспышку гамма-излучения, получившую наименование GRB 080916C[5]. Последующие наблюдения астрономов позволили вычислить расстояние до объекта, которое равняется 12 миллиардам световых лет, и мощность вспышки. Считается, что подобные вспышки возникают при гравитационном коллапсе чрезвычайно массивной звезды. Вычисления показали, что скорость выброса звёздного вещества составляло 99,9999 процента от скорости света.

3. Пузыри Ферми

Гамма-рентгеновские пузыри Ферми

Одним из самых удивительных открытий, сделанных космическим телескопом, стало обнаружение гигантских образований размером до 50 тысяч световых лет, расположенных над и под центром нашей Галактики — Млечного Пути. Точная природа этих структур пока не известна, однако учёные полагают, что они возникли благодаря активности сверхмассивной чёрной дыры, находящейся в центре нашей Галактики. Предположительно, возраст пузырей составляет миллионы лет.

4. Гамма-вспышки новых звёзд

Начиная с 2010 года, телескоп зарегистрировал несколько мощных гамма-вспышек, источником которых являются новые звезды. Первым подобным объектом стала V407 Лебедя (V407 Cygni). Учёные считают, что такие гамма-вспышки возникают в тесно связанных двойных системах, когда вещество аккрецируется с одной звезды на другую.

Космические рентгеновские телескопы

Рентгеновские телескопы воспринимают поток фотонов высоких энергий, именуемый рентгеновским излучением. Оно сильно поглощается атмосферой, а это означает, может наблюдаться только высоко в атмосфере или в космосе. Несколько типов астрофизических объектов испускают рентгеновские лучи: Скопление галактик, чёрные дыры, Активные ядра галактик, остатки сверхновых, звёзды, звёзды в паре с белым карликом (катастрофические переменные звёзды), нейтронной звездой или чёрной дырой (рентгеновские двойные). Некоторые объекты Солнечной системы испускают рентгеновские лучи, в том числе и Луна, хотя большая часть рентгеновского излучения Луны возникает от отражённого солнечного рентгеновского излучения.

В пример можно поставить японскую орбитальную рентгеновскую обсерваторию ASCA.

ASCA — Усовершенствованный спутник для космологии и астрофизики; название до запуска ASTRO-D, четвёртая орбитальная рентгеновская обсерватория Японии, и вторая, в которую значительный вклад внесли США. Обсерватория создана проектной группой под руководством Минору Ода в Институте космических наук и астронавтики совместно с НАСА. Обсерватория была запущена 20 февраля 1993 года японской ракетой-носителем M-3S-II. Через 8 лет работы после геомагнитного шторма контроль над спутником был утерян 14 июля 2000 года, после чего научные наблюдения более не проводились. Спутник вошёл в плотные слои атмосферы и разрушился 2 марта 2001 года.

Основные результаты.

1. Обнаружение широких эмиссионных линий в спектрах аккрецирующих чёрных дыр — указание на влияние на их профиль эффектов общей теории относительности

2. Измерение профилей температур в скоплениях галактик

3. Измерение обилия тяжёлых элементов в спектрах звёзд с активными коронами

4. Обнаружение нетеплового излучения остатка вспышки сверхновой SN 1006

5. Открытие флуоресцентных линий излучения нейтрального железа в области Галактического центра — дополнительного свидетельства прошлой активности сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей Галактики

6. Измерение обилия тяжёлых элементов в галактиках и скоплениях галактик

Космические ультрафиолетовые телескопы

Ультрафиолетовые телескопы изучают небо в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, то есть примерно между 10 и 320 нм. Свет на этих длинах волн поглощается атмосферой Земли, поэтому наблюдения на этих длинах волн могут быть выполнены из верхних слоев атмосферы или из космоса.

Объекты излучающие ультрафиолетовое излучения включают Солнце, другие звёзды и галактики.

Хорошим представителем в этой области является телескоп GALEX.

GALEX — орбитальный космический телескоп, работающий в ультрафиолетовом диапазоне. Название «GALEX» является сокращением от англ. Galaxy Evolution Explorer (букв. «исследователь эволюции галактик»). Аппарат был запущен 28 апреля 2003 года с помощью ракеты-носителя Pegasus-XL и выведен на почти круговую орбиту высотой 697 км с наклонением около 29°.

Первое наблюдение 21 мая 2003 года было посвящено экипажу шаттла «Колумбия». В этом сеансе работы были получены изображения неба в созвездии Геркулеса — именно в направлении этого созвездия находился шаттл во время последнего контакта с центром управления полётом перед катастрофой.

Открытия

1. Космическая обсерватория изучила сотни тысяч галактик. По результатам этих наблюдений было составлено несколько обзоров неба.

2. В 2007 году членом исследовательской команды телескопа Майком Сайбертом вокруг звезды Мира был обнаружен хвост из пыли и газа длиной около 2 градусов (13 световых лет). Это стало возможным благодаря способности детекторов телескопа GALEX фокусироваться на одном типе излучения

Космические оптические телескопы

Самая старая форма астрономии, оптическая или видимого света астрономия простирается примерно от 400 до 700 нм. Позиционирование оптического телескопа в космосе означает, что телескоп не видит атмосферных помех, обеспечивая получение более высокого разрешения. Оптические телескопы используются для наблюдения звезд, галактик, планетарных туманностей и протопланетных дисков, среди многих других вещей.

Конечно же, несомненным лидером среди оптических телескопов является космический телескоп Хаббл.

Космический телескоп «Хаббл» (КТХ; англ. Hubble Space Telescope, HST; код обсерватории «250») — автоматическая обсерватория на орбите вокруг Земли, названная в честь Эдвина Хаббла. Телескоп «Хаббл» — совместный проект НАСА и Европейского космического агентства[2][4][8]; он входит в число Больших обсерваторий НАСА[9].

Размещение телескопа в космосе даёт возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна; в первую очередь — в инфракрасном диапазоне. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа в 7—10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле

Достижения

За 15 лет работы на околоземной орбите «Хаббл» получил 1 млн 22 тыс. изображений небесных объектов — звёзд, туманностей, галактик, планет. Поток данных, которые он ежемесячно генерирует в процессе наблюдений, составляет около 480 ГБ. Общий их объём, накопленный за всё время работы телескопа, составляет примерно 50 терабайт. Более 3900 астрономов получили возможность использовать его для наблюдений, опубликовано около 4000 статей в научных журналах. Установлено, что, в среднем, индекс цитирования астрономических статей, основанных на данных этого телескопа, в два раза выше, чем статей, основанных на других данных. Ежегодно в списке 200 наиболее цитируемых статей не менее 10 % занимают работы, выполненные на основе материалов «Хаббла». Нулевой индекс цитирования имеют около 30 % работ по астрономии в целом и только 2 % работ, выполненных с помощью космического телескопа.

Тем не менее, цена, которую приходится платить за достижения «Хаббла», весьма высока: специальное исследование, посвящённое изучению влияния на развитие астрономии телескопов различных типов, установило, что, хотя работы, выполненные при помощи орбитального телескопа, имеют суммарный индекс цитирования в 15 раз больше, чем у наземного рефлектора с 4-метровым зеркалом, стоимость содержания космического телескопа выше в 100 и более раз.

Наиболее значимые наблюдения

1. При помощи измерения расстояний до цефеид в Скоплении Девы было уточнено значение постоянной Хаббла. До наблюдений орбитального телескопа погрешность определения постоянной оценивалась в 50 %, наблюдения позволили снизить погрешность до 10 %.

2. «Хаббл» предоставил высококачественные изображения столкновения кометы Шумейкеров — Леви 9 с Юпитером в 1994 году.

3. Впервые получены карты поверхности Плутона и Эриды.

4. Впервые наблюдались ультрафиолетовые полярные сияния на Сатурне, Юпитере и Ганимеде.

5. Получены дополнительные данные о планетах вне солнечной системы, в том числе спектрометрические.

6. Найдено большое количество протопланетных дисков вокруг звёзд в Туманности Ориона. Доказано, что процесс формирования планет происходит у большинства звёзд нашей Галактики.

7. Частично подтверждена теория о сверхмассивных чёрных дырах в центрах галактик; на основе наблюдений выдвинута гипотеза, связывающая массу чёрных дыр и свойства галактики.

8. По результатам наблюдений квазаров получена современная космологическая модель, представляющая собой Вселенную, расширяющуюся с ускорением, заполненную тёмной энергией, и уточнён возраст Вселенной — 13,7 млрд лет.

9. Обнаружено наличие эквивалентов гамма-всплесков в оптическом диапазоне.

10. В 1995 году «Хаббл» провёл исследования участка неба (Hubble Deep Field) размером в одну тридцатимиллионную площади неба, содержащего несколько тысяч тусклых галактик. Сравнение этого участка с другим, расположенным в другой части неба (Hubble Deep Field South), подтвердило гипотезу об изотропности Вселенной.

11. В 2004 году был сфотографирован участок неба (Hubble Ultra Deep Field) с эффективной выдержкой около 106 секунд (11,3 суток), что позволило продолжить изучение отдалённых галактик вплоть до эпохи образования первых звёзд. Впервые были получены изображения протогалактик, первых сгустков материи, которые сформировались менее чем через миллиард лет после Большого взрыва.

12. В 2012 года НАСА опубликовало изображение Hubble Extreme Deep Field (XDF), представляющее собой комбинацию центральной области HUDF и новых данных с выдержкой 2 миллиона секунд.

13. В 2013 году, после изучения сделанных телескопом в 2004—2009 годах снимков, был открыт спутник Нептуна S/2004 N 1.

14. В марте 2016 года астрономы с помощью телескопа «Хаббл» обнаружили на снимках яркую галактику GN-z11.

Космические инфракрасные телескопы

Инфракрасный свет имеет меньшую энергию, чем видимый свет, следовательно, испускают его более холодные объекты. Таким образом, можно рассматривать в инфракрасном свете: холодные звезды (в том числе коричневые карлики), туманности, и очень далекие галактики.

В пример можно рассказать о телескопе Гершель. Космический телескоп «Гершель» (англ. Herschel Space Observatory), ранее FIRST (англ. Far Infrared and Submillimetre Telescope) — астрономический спутник, созданный ЕКА. Первоначально предложен консорциумом европейских учёных в 1982 году. Запуск состоялся 14 мая 2009 года, в 13:12 по UTC с космодрома Куру с помощью ракеты-носителя «Ариан-5». Миссия названа в честь сэра Уильяма Гершеля, первого исследователя инфракрасного спектра.

Спутник размещён на гелиоцентрической орбите вблизи второй точки Лагранжа (L2) системы Земля — Солнце. Вместе с телескопом «Гершель» этой же ракетой-носителем был выведен на орбиту астрономический спутник «Планк». Стоимость проекта (со стоимостью объединённого запуска) составляет примерно 1,1 миллиарда евро.

Телескоп предназначен для изучения инфракрасной части излучения от объектов в Солнечной системе, в Млечном пути, а также от внегалактических объектов, находящихся в миллиардах световых лет от Земли (например, новорождённых галактик). Также предполагались исследования по следующим темам:

формирование и развитие галактик в ранней вселенной;

образование звёзд и их взаимодействие с межзвёздной средой;

химический состав атмосфер и поверхности тел Солнечной системы, включая планеты, кометы и спутники планет.

Заключение

В данной работе была представлена информация о способах изучения космоса, включая новые методы его исследования – современные космические обсерватории.