Історія інфрачервоної астрономії: від Гершеля до космічних місій NASA Roman.

Космічний телескоп, названий на честь Ненсі Грейс Роман, є одним із проєктів NASA, які можуть бути під загрозою через бюджетні урізання агенції. Проте цей апарат має потенціал стати важливим етапом у розвитку інфрачервоної астрономії. Ця дисципліна в даний час є однією з найактуальніших у дослідженні зір, і на це існують переконливі підстави.

В середині квітня 2025 року стало відомо, що у своїй бюджетній пропозиції на 2026 рік адміністрація Дональда Трампа пропонує сильно скоротити витрати NASA. Зокрема, найбільше має постраждати науковий підрозділ цієї організації, який зараз має бюджет близько 25 млрд доларів.

Фінансування геліофізичних місій можуть скоротити вдвічі; 2/3 астрофізиків, що займаються дослідженнями об'єктів глибокого космосу, також можуть скоротити. З усіх космічних телескопів згодні фінансувати тільки JWST та Hubble.

У науковій спільноті нещодавно виникла велика тривога через інформацію про можливе скасування запуску Космічного телескопа Ненсі Грейс Роман. Проект триває вже кілька років і наближається до завершення, але тепер існує ризик, що телескоп так і не відправиться у космічний простір.

Космічний телескоп Ненсі Грейс Роман, відомий також як Roman Space Telescope, являє собою значний етап у прогресі інфрачервоної астрономії. Важко зрозуміти, чому нова адміністрація США прийняла рішення про його непотрібність.

Можливо, вони звернули увагу на те, що на орбіті вже функціонує кілька інфрачервоних телескопів, і вчені можуть використовувати їх. Однак існує важлива причина, чому кількість астрономічних приладів, що працюють у цьому спектрі, така велика, і науковцям потрібно ще більше. Щоб зрозуміти цю ситуацію, важливо розглянути, в чому полягає унікальність інфрачервоних хвиль.

До XIX століття наукове співтовариство не мало жодних уявлень про інфрачервоне випромінювання. Проте в 1800 році англійський астроном Вільям Гершель розпочав детальне вивчення Сонця і помітив, що його обладнання значно нагрівається. У пошуках способів зменшити цю проблему він вирішив дослідити, які саме довжини хвиль видимого світла (які ми сприймаємо як кольори) мають найбільший вплив на телескоп.

Гершель був вражений, коли виявив, що максимальна кількість енергії, що надходить від Сонця, знаходиться в діапазоні хвиль, які лежать за межами видимого спектра, в інфрачервоній області. Проте вчені швидко зрозуміли природу цього явища, усвідомивши, що інфрачервоні промені випромінює будь-яке тіло, яке нагріте. Цей ефект добре відомий нам завдяки використанню тепловізорів, які здатні формувати зображення в темряві саме завдяки цьому принципу.

Про те, що за допомогою інфрачервоних променів можна отримати зображення, міг здогадуватися ще сам Гершель. Але практичного значення це не мало. Засобів зробити його видимим для людського ока не було. Точніше, за пару десятиліть потенційно придатний до цього спосіб з'явився -- фотографія.

Проте в ті часи зображення фіксували не на матрицях із фотоелементами, а на скляних пластинах або плівках, оброблених спеціальними речовинами. В результаті виходили чорно-білі зображення, які однак мали найвищу чутливість до синіх і зелених відтінків. Навіть отримати чітке зображення червоного кольору було досить складно.

Детектори інфрачервоного випромінювання почали з'являтися лише на початку XX століття, в той час, коли інфрачервона фотографія вже почала використовуватися на нашій планеті. Проте астрономи не поспішали впроваджувати цю технологію у своїх дослідженнях. Справа в тому, що хоча близьке інфрачервоне світло затримувалося атмосферою Землі меншою мірою, ніж видиме світло, на довших хвилях існували певні піки поглинання. Це обмежувало можливості спостереження за зірками, які могли бути видимими лише через окремі "вікна" в атмосфері. Тому науковці не знали, навіщо створювати телескопи, здатні працювати в цих частотах.

Обстановка змінилася в 1950-60-х роках. У цей період радіоастрономія досягла значних успіхів. Радіохвилі, які розташовані ще далі від інфрачервоного світла, відкрили нові горизонти у дослідженні космосу. Завдяки їм вдалося виявити безліч об'єктів, які залишалися непомітними для видимого спектра. Отже, існує ймовірність, що й у ближчому діапазоні варто провести додаткові пошуки.

Слід зазначити, що інфрачервоне світло охоплює досить широкий спектр. Його можна класифікувати на три основні піддіапазони: ближній (від 700 до 1400 нм), середній (1400-30 000 нм) і дальній (30 000-1 000 000 нм). Найчастіше використовують саме ближній інфрачервоний діапазон, адже його можуть виявляти ті ж фотодетектори, що реагують на видиме світло. Цей діапазон є популярним як у повсякденних застосунках, так і в астрономії. Для роботи в середньому та дальньому діапазонах датчики потребують охолодження, щоб знизити температуру до мінімуму.

Перші дослідження з використанням інфрачервоних телескопів почалися ще в 1960-х роках, і дуже швидко стало зрозуміло, що для їхньої ефективності необхідно піднімати ці пристрої на велику висоту, а найкраще — за межі атмосфери. Одним із піонерських проєктів стала літаюча обсерваторія NASA Galileo, яка функціонувала з 1965 по 1973 рік на борту спеціально модифікованого літака Convair 990. Цей проєкт мав переважно експериментальний характер і призначався для спостережень за об'єктами нашої Сонячної системи, зокрема за кометою Ікея–Секі та супутниками планети Юпітер. Незважаючи на обмеження платформи, ці польоти яскраво продемонстрували, що інфрачервоні телескопи мають величезний потенціал — потрібно лише вивести їх за межі атмосферних шарів.

Головною перевагою інфрачервоного телескопа є саме те, що це тепловізор. Будь-який нагрітий об'єкт випромінює енергію навіть тоді, коли у видимому діапазоні не світиться. А значить, потенційно можна у ньому шукати навіть дуже холодні об'єкти, такі як коричневі карлики й міжзоряні хмари газу.

У другій половині XX століття одним із ключових напрямків астрономії стало вивчення галактик, квазарів та інших об'єктів, що знаходяться за межами нашої Галактики. Світло, яке вони випромінюють, підлягає значному червоному зсуву, тому їх можна детально спостерігати лише в інфрачервоному спектрі.

Ще одна ключова перевага інфрачервоного випромінювання полягає в його здатності проникати через щільні матеріали набагато ефективніше, ніж видиме світло. Завдяки цьому в інфрачервоному спектрі можна виявляти об'єкти, які приховані під товстими шарами пилу та газу, що в іншому випадку залишалися б непомітними. Цей ефект став особливо помітним у XXI столітті, коли астрономи почали досліджувати далекі галактики.

Майже непомітна речовина, розсіяна у міжгалактичному просторі, здатна зменшувати яскравість їхнього видимого світла майже вдвічі. Натомість в інфрачервоному діапазоні ці об'єкти стають значно контрастнішими. Саме тому сучасна наука не може обійтися без інфрачервоних телескопів у вивченні найдавніших етапів розвитку Всесвіту.

Те, що для виявлення інфрачервоного випромінювання можна використовувати майже ті ж ПЗС-матриці, що й для сприйняття видимого світла, стало причиною для вдосконалення багатьох великих наземних телескопів. Тепер ці прилади здатні функціонувати в обох спектрах.

Проте найзначніші досягнення були зафіксовані завдяки інструментам, які змогли піднятися вище, ніж вершини найбільших гір. Після Галилея свою місію продовжила повітряна обсерваторія Kuiper, що діяла в період з 1974 по 1995 рік. Саме вона зробила ряд важливих відкриттів, зокрема, у 1977 році виявила кільця Урана, а в 1988 році — атмосферу Плутона.

У період з 2010 по 2022 рік NASA, спільно з Німецьким аерокосмічним центром, реалізувала амбітний проєкт під назвою SOFIA – повітряну обсерваторію. Цей проект передбачав використання літака, оснащеного інфрачервоним телескопом із дзеркалом діаметром 2,5 метра, що піднімався на висоту понад 12 км. Завдяки такому унікальному підходу вдалося здійснити ряд важливих відкриттів, зокрема, виявлено воду на деяких астероїдах і сліди цієї речовини в помірних широтах Місяця.

Першим в історії інфрачервоним космічним телескопом був IRAS, який належав NASA. Цей апарат працював на орбіті Землі протягом 10 місяців у 1983 році. Основною метою його місії було спостереження за кометами та перевірка концепції інфрачервоного спостереження. Хоча результати його роботи виявилися вражаючими, стало зрозуміло, що для комплексного дослідження Всесвіту необхідно розробити набагато потужніший телескоп, на що знадобиться значний час.

У 1995 році на орбіту вивели Infrared Space Observatory (ISO). Побудувала її Європейська космічна агенція за допомоги японців та американців. Вона мала у 1000 разів більшу чутливість, ніж IRAS, і у 100 разів кращу кутову роздільну здатність. ISO працювала три роки й за цей час змогла спостерігати кілька десятків тисяч об'єктів.

ISO здійснила безліч важливих відкриттів. Вона досліджувала протопланетні диски, виявляючи формування нових планет, а також з'ясувала, що планети можуть з’являтися навколо старих зірок. Крім того, апарат знайшов воду в молекулярних хмарах, розташованих поблизу центру Галактики. Проте найзначнішим досягненням стало виявлення великої кількості газу та пилу в міжгалактичному просторі, що підкреслює необхідність для майбутніх місій, які будуть займатися дослідженням позагалактичних об'єктів, виходити за межі видимого спектра.

Почалася ера інфрачервоних космічних обсерваторій. У 1996 році американські військові вивели на орбіту проект Midcourse Space Experiment, що займався картографуванням галактичної площини. З 2006 по 2011 рік японський телескоп AKARI досліджував космос, виявивши залишки наднових зірок у Великій та Малій Магелланових Хмарах.

Однак справжнім досягненням став космічний телескоп Spitzer, який був запущений в 2003 році і функціонував до 2020-го. Це стало втіленням мрії фахівців NASA, які прагнули створити повноцінний інфрачервоний телескоп в космічному просторі ще з часу запуску IRAS.

Як і багато інших високоточних інфрачервоних пристроїв, телескоп Spitzer вимагав інтенсивного охолодження для досягнення максимальної ефективності. Коли запаси охолоджувального матеріалу вичерпувалися, чутливість телескопа значно знижувалася. Щоб продовжити активну фазу місії, інженери впровадили ряд інноваційних рішень, які згодом стали еталоном для інших інфрачервоних космічних обсерваторій.

По-перше, для запобігання перегріванню від сонячних променів, пристрій оснастили спеціальним захисним щитом. По-друге, оскільки Земля також впливає на температурний режим космічного апарата, його помістили на дуже хитромудру орбіту. Хоча вона є геліоцентричною, швидкість апарата практично не відрізняється від швидкості, з якою Земля обертається навколо Сонця, завдяки чому він постійно залишається поруч із нашою планетою.

Spitzer робив знімки у псевдокольорах, проте вони все одно вражали. Залишки наднових, протозоряні об'єкти, що тільки зароджувалися у своїх зоряних колисках, віддалені галактики -- подробиці структури цих об'єктів ховалися у темряві, але інфрачервоні промені дозволили побачити їх у всій красі. Також саме Spitzer став першим телескопом, що безпосередньо побачив екзопланету.

Не менш успішним за Spitzer став і космічний телескоп Herschel, що працював у космосі з 2009-го по 2013 рік. Він і досі є рекордсменом серед космічних телескопів за розмірами головного дзеркала, за умови, що воно є цільним. У цієї космічної обсерваторії його діаметр становив 3,5 м. У космічного телескопа James Webb воно більше -- 6,5 м, проте складається з окремих сегментів.

Інфрачервоний космічний телескоп -- це буквально тепловізор на орбіті. Він добре справляється із завданням вдивитися максимально уважно у щось одне, і непогано -- із задачею точно визначити параметри руху багатьох об'єктів. Але коли йдеться про необхідність просто відшукати щось, що добре ховається від нас, -- тут йому просто немає рівних.

Проте для виконання цього завдання необхідний специфічний вид телескопа. Значення має не тільки велике збільшення або висока кутова роздільна здатність, але й ширина поля зору. Саме цей параметр дає можливість телескопу оперативно досліджувати великі ділянки небесної сфери, щоб вчасно ловити найслабші сигнали з віддалених куточків Всесвіту.

Яскравим прикладом цього є телескоп Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE), який стартував у 2009 році. Хоча він не вирізняється ані вражаючими габаритами, ані гучними обіцянками щодо розкриття найглибших секретів космосу, результати його роботи говорять самі за себе. Вони наочно демонструють, чому нам необхідний телескоп Roman.

У списку найближчих зоряних систем до Сонця, третє та четверте місця займають об'єкти, виявлені телескопом WISE. Раніше цей список оновлювався лише століття тому. Незважаючи на те, що ці об'єкти виявилися коричневими карликами — субзоряними формами, значення WISE залишається високим. Цей компактний телескоп насправді відкрив десятки таких об'єктів, хоча більшість із них знаходяться далі від нашої планети. Найхолодніший клас цих об'єктів, відомий як Y, був вперше виявлений саме завдяки цьому телескопу.

Вивчення квазара, який випромінює світло з відстані мільярдів світлових років, є безумовно захоплюючим. Однак не менш важливим є розуміння того, які небесні тіла можуть перебувати на порозі нашої Сонячної системи. Чи може ховатися там дев'ята планета, величиною з Юпітер? А може, там є об'єкт, що нагадує Нептун? Чи, можливо, мандрівний коричневий карлик?

Найсучасніша відповідь на ці питання надходить від телескопа WISE. Він не виявив нічого подібного у безпосередній близькості до Сонця, що дозволило визначити межі можливого існування об'єктів різної маси в околицях Сонячної системи.

Окрім цього, він здійснив безліч відкриттів і в межах своєї діяльності. Зокрема, йому вдалося виявити 365 об'єктів, що обертаються навколо Землі, а також 34 комети. Його місія підійшла до завершення в липні 2024 року, а 1 листопада він вийшов з орбіти та згорів у атмосфері нашої планети.

В даний момент у космічному просторі функціонують три інфрачервоні телескопи. Основним астрономічним апаратом сучасної науки є James Webb. Його графік роботи запланований на кілька місяців вперед, а результати досліджень, отримані за його допомогою, з’являються постійно.

Європейська місія Euclid працює з 2023 року. Вона переважно озирає глибини космосу за межами Чумацького Шляху. Нещодавно астрономи, що працюють з цим телескопом, представили перший реліз даних, який містить 26 млн галактик. Основною задачею апарата є картографувати максимально можливу кількість зоряних систем Всесвіту, аби за їхнім розподілом зрозуміти, де у ньому ховаються темна матерія та темна енергія.

Третім інфрачервоним космічним перископом став нещодавно запущений SPHEREx. Його основні завдання полягають у доповненні досліджень місії Euclid, а також у незалежному вимірюванні червоного зсуву у 450 мільйонах галактик. Крім того, SPHEREx має на меті вивчити процеси, що відбуваються у протопланетних дисках.

Концепція створення ширококутного оглядового інструменту, схожого на WISE, але з більшими можливостями, обговорюється з початку 2010 року. В результаті цього процесу виник Космічний телескоп Ненсі Грейс Роман. Його призначення полягає у виконанні різноманітних завдань — від пошуків темної матерії до виявлення планет, що не мають зіркових систем. Головна мета телескопа — виявлення об'єктів, що знаходяться від нас на відстані, але залишаються непомітними через різні фактори, незважаючи на те, що вони складаються з звичайної матерії.

Космічний телескоп Ненсі Грейс Роман пережив багато випробувань за минулі півтора десятиліття, але стверджувати, що це проект, реалізація якого невідома, неможливо. Як сам телескоп, так і його космічна платформа вже створені та протестовані. Починаючи з 2025 року, триває процес їх об'єднання. Після завершення цього етапу залишиться лише провести спільні випробування і підготуватися до фінального запуску.

Експерти відзначають, що це може відбутися вже восени 2026 року — значно раніше, ніж було заплановано. Однак, якщо бюджет NASA справді буде зменшено, є ризик, що він залишиться на планеті.