История о пустоте, изменившей понимание Вселенной.

22 August 2017

В "интернетах" ходит байка о том, что по завершении технического обслуживания телескопа Hubble "астронавты решили сделать пробный кадр, чтобы посмотреть, всё ли пришло в норму. Полученная фотография просто заставила их остолбенеть — настолько красивой выглядела наша Вселенная. Снимок демонстрировал её пустоту, но вместе с тем и древние галактики, которые зародились сразу после Большого взрыва. Фотографию назвали Hubble Deep Field, а сами учёные утверждают, что она навсегда поменяла их представление о Вселенной".

Возможно такая версия выглядит красивой и даже романтичной (особенно для тех, кто очень опосредовано знаком с астрономией), но она полностью исключает сложнейшую работу огромного количества людей, а также сложность и величие как самого телескопа, так и астрономических наблюдений в целом.

Давайте по порядку.


Космический телескоп «Хаббл» (Hubble Space Telescope, HST; код обсерватории "250") — всем известная автоматическая обсерватория на орбите Земли. Размещение телескопа в космосе имеет ряд преимуществ, включая возможность регистрировать электромагнитное излучение в диапазонах, в которых земная атмосфера непрозрачна; в первую очередь — в инфракрасном. Благодаря отсутствию влияния атмосферы разрешающая способность телескопа в 7—10 раз больше, чем у аналогичного телескопа, расположенного на Земле.,

Обслуживание «Хаббла» производилось четырьмя экспедициями, одна из которых была разбита на два вылета, непосредственно во время выходов астронавтов в открытый космос с космических кораблей многоразового использования типа "Спейс Шаттл".

Поговорим о первой экспедиции.

В первые же недели после начала работы телескопа полученные изображения продемонстрировали серьёзную проблему в оптической системе. Несмотря на то, что качество изображений было лучше, чем у наземных телескопов, Hubble не мог достичь заданной резкости, и разрешение снимков было значительно хуже заявленного.

Анализ изображений показал, что источником проблемы является неверная форма главного зеркала. Несмотря на то, что это было наиболее точно рассчитанное зеркало из когда-либо созданных на тот момент, а допуск составлял не более 1/20 длины волны видимого света, оно было изготовлено слишком плоским по краям. Отклонение от заданной формы поверхности составило всего лишь 2 мкм, но результат оказался катастрофическим — зеркало имело сильную сферическую аберрацию (оптический дефект, при котором свет, отражённый от краёв зеркала, фокусируется в точке, отличной от той, в которой фокусируется свет, отражённый от центра зеркала).

Полировка зеркала телескопа Hubble
Полировка зеркала телескопа Hubble

Потеря значительной части светового потока из-за расфокусировки значительно уменьшила пригодность телескопа для наблюдений тусклых объектов и получения изображений с высокой контрастностью, для чего его и создавали. Это означало, что практически все космологические программы стали просто невыполнимыми, поскольку требовали наблюдений именно особо тусклых объектов.

В связи с выявившимся дефектом зеркала во время первой экспедиции астронавты должны были установить на телескопе корректирующую оптику. Полёт "Индевор" STS-61 состоялся 2—13 декабря 1993 года, работы на телескопе продолжались в течение десяти дней.

История о пустоте, изменившей понимание Вселенной.
История о пустоте, изменившей понимание Вселенной.
Изображения с сайта NASA
Изображения с сайта NASA

Экспедиция была одной из сложнейших за всю историю. В её рамках были осуществлены пять длительных выходов в открытый космос. Высокоскоростной фотометр был заменён на систему оптической коррекции, широкоугольная и планетарная камера — на новую модель WFPC2 (Wide Field and Planetary Camera 2) с системой внутренней оптической коррекции. Кроме этого, были заменены солнечные батареи и системы управления приводами батарей, четыре гироскопа системы наведения, два магнитометра, и был обновлён бортовой вычислительный комплекс. Также была произведена коррекция орбиты, необходимая из-за потери высоты вследствие трения о воздух при движении в верхних слоях атмосферы. 31 января 1994 года NASA объявило об успехе миссии и продемонстрировало первые снимки значительно лучшего качества. Но среди них всё ещё не было того легендарного снимка.

Hubble Deep Field (HDF)

Изображение, о котором идёт речь, получено из небольшой области в созвездии Большой Медведицы, равной 5,3 квадратным угловым минутам, что составляет примерно 1⁄28000000 площади небесной сферы. И вот тут самое интересное — нельзя просто направить телескоп в какую-либо область неба и тут же обомлеть от увиденного. Получение и обработка изображений занимает очень много времени.

Началось всё с выбора области наблюдения, которая должна была соответствовать нескольким критериям:

1. Она должна находиться на высокой галактической широте.

2. В области наблюдения не должно быть известных ярких источников видимого света (таких, как звёзды переднего плана), а также источников инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений, чтобы облегчить более поздние исследования в этих длинах волн.

Первоначально были найдены двадцать областей, удовлетворяющих всем этим критериям, из которых были выбраны три оптимальных области. Все области находились в созвездии Большой Медведицы.

Область, выбранная для наблюдений
Область, выбранная для наблюдений

Далее начались наблюдения.
Точнее для начала учёные приступили к разработке методики. Ведь Hubble, напомню, является обсерваторией и несёт на себе много инструментов для совершенно разных исследований. Так, в данном случае, необходимо было определить, какие из 48 фильтров, которыми оборудована WFPC2, использовать для наблюдений. Выбор зависел от пропускной способности каждого фильтра.

В итоге были выбраны четыре широкополосных фильтра: 300 нм, 450 нм (синий свет), 606 нм (красный свет) и 814 нм.

Изображения целевой области с использованием выбранных фильтров были получены в ходе непрерывных десятидневных наблюдений, в течение которых Hubble облетел вокруг Земли по своей орбите почти 150 раз. Полное время наблюдений в каждой длине волны составили: 48,93 часа (300 нм), 36,52 часа (450 нм), 34,94 часа (606 нм) и 34,86 часа (814 нм). Наблюдения были разделены на 342 отдельных «этапа», чтобы предотвратить существенное повреждение отдельных участков изображения, яркими полосами, которые образуются в результате воздействия космических лучей на датчики CCD-матрицы.

Изображения, полученные в разных длинах волн:
300 нм (сверху слева), 450 нм (сверху справа), 606 нм(снизу слева) и 814 нм (снизу справа)
Изображения, полученные в разных длинах волн:
300 нм (сверху слева), 450 нм (сверху справа), 606 нм(снизу слева) и 814 нм (снизу справа)

Затем учёные приступили к обработке полученных данных

В процессе объединения изображений, полученных в разных длинах волн, были удалены пиксели, засвеченные воздействием космических лучей. Также были тщательно удалены следы космического мусора и искусственных спутников.

Приблизительно на четверти фрагментов отчётливо различался рассеянный свет от Земли. Для избавления от дефекта яркости этих фрагментов были выровнены по уровню незатронутых рассеянным светом изображений. Получившееся изображение было сглажено. Благодаря этой процедуре, почти весь рассеянный свет был удалён с изображений.

После того, как с 342 отдельных изображений были убраны дефекты, их объединили в одно. Каждому пикселю CCD-матрицы на WFPC2 соответствовала область в 0,09 угловых секунд. Каждое последующее изображение частично перекрывало предыдущее. С использованием сложных методов обработки (специальный алгоритм «Drizzle») изображения были объединены, и в итоговом изображении в каждой длине волны размеры пиксела составили 0,04 угловых секунды.

Hubble Deep Field
Hubble Deep Field

Таким образом, изображение Hubble Deep Field было собрано из 342 отдельных снимков, взятых с WFPC2. Построение изображения проводилось в период с 18 декабря по 28 декабря 1995 года — спустя два года после установки WFPC2 во время той самой миссии.

Область является настолько маленькой, что только несколько звёзд (те объекты, у которых отчётливо видны лучи) с переднего плана Млечного Пути лежат в её пределах; таким образом, почти все 3000 объектов на изображении — галактики.

В период с 24 сентября 2003 года по 16 января 2004 года телескопом были получены ещё более качественные изображения, которые объединили в Hubble Ultra-Deep Field (HUDF), но "понимание о пустоте изменил" именно Hubble Deep Field (HDF).

Данное изображение HUDF в высоком разрешении содержит галактики самых разных размеров, форм, цветов и возрастов. Самые маленькие и самые красные галактики, которых на снимке около 10000, это одни из самых удалённых галактик, когда-либо запечатленных оптическим телескопом.
Вероятно, они возникли вскоре после Большого взрыва.
Данное изображение HUDF в высоком разрешении содержит галактики самых разных размеров, форм, цветов и возрастов. Самые маленькие и самые красные галактики, которых на снимке около 10000, это одни из самых удалённых галактик, когда-либо запечатленных оптическим телескопом.
Вероятно, они возникли вскоре после Большого взрыва.

Д.