Заметки астрометриста

Истоки астрометрии теряются в глубине веков, когда человек впервые осмысленно посмотрел на звездное небо, то есть осознал, что там есть много движущихся объектов. Ее определения как науки варьируют в широком диапазоне: от амбициозно-философского — «наука о пространстве и времени» до практически-приземленного — «наука о взаимном расположении небесных тел, об их движениях в пространстве и установлении систем координат». Именно астрометрия дает астрономии основание называться точной наукой: только зная координаты изучаемых объектов, можно вычислять их путь на небесной сфере и в результате искать планеты у далеких звезд или следить за астероидами, которые сближаются с Землей. Астрометрия неразрывно связана с небесной механикой — той частью астрономии, которая на основе астрометрических наблюдений создает теории движения небесных тел и позволяет проводить точные вычисления положений планет, их спутников, комет и астероидов.

Есть у астрометристов и важная прикладная задача: наблюдение и расчет орбит малых тел Солнечной системы. В их число помимо традиционных астрономических объектов входят космический мусор и искусственные спутники Земли (ИСЗ), в частности и оборонного предназначения. Именно с наблюдений за первыми советскими ИСЗ и началось в середине прошлого века создание мировой сети оптических наблюдений. О нынешнем состоянии российского сегмента этой сети и пойдет наш рассказ.

Яркий метеор пролетел в поле зрения одного из приборов, которые стоят в Южной европейской обсерватории, и оставил на изображении след в виде полоски в верхнем левом углу на фоне Млечного Пути

ПЗС-революция

Астрономы, наблюдая звезды и другие небесные тела, всегда думали, как повысить точность инструментов и улучшить системы координат настолько, чтобы учесть все движения наблюдателя: ведь астроном обычно находится на поверхности Земли, которая вращается вокруг своей оси, обращается вокруг Солнца и вместе со всей Солнечной системой участвует в галактическом вращении. Построение инерциальной системы координат (то есть такой, которая если и движется, то равномерно и прямолинейно), ее воспроизведение для выполнения различных вычислений всегда было основной задачей астрометрии, а наблюдения небесных тел служили исходным материалом для ее решения. При этом всегда высоко ценились плотные ряды координат звезд и подвижных небесных объектов.

В античную эпоху и в средние века эти координаты определяли визуально, с помощью оригинальных, но примитивных астрономических приборов, таких, например, как стенной квадрант. После изобретения зрительных труб точность наблюдений существенно выросла, а когда в XIX веке появилась фотография, то фотографическая пластинка, установленная в фокальной плоскости телескопа, стала на протяжении всего ХХ столетия основным приемником излучения. И тогда точность определения координат небесных тел подошла к своему теоретическому пределу, задаваемому турбулентностью атмосферы, — десятая доля угловой секунды.

Три кита фотографической астрометрии — моментальность, интегральность и документальность, то есть мгновенная фиксация области небесной сферы, возможность накапливать приходящее излучение за счет разумного увеличения экспозиции и длительное хранение зафиксированных изображений на фотографических пластинках, — казалось, навсегда обеспечили решение всех задач в астрометрии, особенно если к этому добавить еще возможности астрометрических телескопов, выведенных к концу века на околоземные орбиты.

Так, на протяжении веков астрометристы накопили большие ряды координат объектов небесной сферы — звезд, планет, комет, астероидов. Это бесценное всемирное достояние, включающее в себя и наблюдения дотелескопической эпохи. Они не потеряли своей значимости и по сей день. Например, для вычисления собственных движений звезд используют разности координат, взятых в двух разнесенных по времени эпохах, деленные на разность времени. Тогда достаточно большие ошибки координат звезд более ранней эпохи «подавляются» большим значением разности эпох.

Так получилось, что в современной астрономии господствующее положение заняла астрофизика. Новые мощные наземные телескопы последних десятилетий с зеркалами диаметром 8–10 метров, космические телескопы имени Хаббла (США) и HIPPARCOS (Европейское космическое агентство) предоставили огромное количество информации о Вселенной астрофизического и космологического характера. Поэтому, несмотря на большие успехи, астрометрия выглядит не столь привлекательно: на Западе кое-где ее уже «не видят» как самостоятельную науку, а считают неким вычислительным приложением к астрофизике. Небесную же механику зачастую трактуют как баллистику: подумаешь, эка невидаль рассчитать траекторию ракеты или космического аппарата. Но эта точка зрения несправедлива: и та, и другая науки сохранили свое самостоятельное значение.

В конце ушедшего века технологическая революция стремительно ворвалась в мир астрономов: на смену фотопластинкам пришли ПЗС-матрицы. По сути, ПЗС-матрица — это набор полупроводниковых ячеек, каждая из которых способна превращать в цифровой сигнал яркость попавшего на нее светового потока. Все, что «видит» телескоп, на котором установлена такая матрица, астроном сразу получает в свой компьютер и может легко и быстро измерять и анализировать изображения небесных тел на дисплее. Именно эти матрицы произвели революцию в фото- и видеообластях, заменив традиционную пленку или магнитную ленту на электронную карту памяти, фотобумагу — на бумагу для принтера, а огромные массивы наблюдений — на диски с гигабайтами зафиксированной информации.

По-хорошему в поле зрения телескопа должна находиться профессиональная ПЗС-матрица, то есть такая, размер которой позволяет взять весь видимый в этом поле зрения участок звездного неба, а размер каждого ее элемента — маленький, в несколько микрон, чтобы точнее можно было определять координаты источников света. Такая специальная астрономическая ПЗС-матрица стоит не один десяток тысяч долларов и доступна не каждой обсерватории, тем более российской.

Если же поле зрения мало, то возникают проблемы. Например, не удается наблюдать на одном ПЗС-кадре спутники планет при большой удаленности их друг от друга и от самой планеты. Аналогичная проблема появляется и при ПЗС-наблюдениях двойных звезд, угловое расстояние между которыми велико. При исследовании звезд с предполагаемыми спутниками (сейчас это — одно из самых популярных направлений в мировой астрономии) или при определении тригонометрических параллаксов звезд (то есть изменений координат, вызванных их наблюдениями с противоположных участков земной орбиты), которые позволяют вычислить расстояние до них, в малых ПЗСполях не хватает опорных звезд — таких, которые очень далеки от нас и от исследуемой звезды и вследствие такого удаления считаются неподвижными. На самом деле неподвижных звезд не бывает, просто точность наших наблюдений на сегодня не может обнаружить их движение вследствие его малости.

Ловля астероида на верши

За рубежом ПЗС-техника сейчас доступна не только профессиональным астрономам, но и астрономам–любителям, число которых с каждым годом постоянно увеличивается. Эта армия добровольных исследователей оказывает ощутимую помощь профессионалам.

В 1997 году мне выпала редкая удача присутствовать на конференции любителей астрономии Японии по приглашению оргкомитета этой конференции. Так вот, на тот период в Стране восходящего солнца насчитывалось 183 любительские обсерватории с зеркальными ПЗС-телескопами вплоть до 1 м, которые весьма профессионально вели наблюдения астероидов, комет, переменных и сверхновых звезд. Причем эти наблюдения после их контроля, который осуществляют наиболее грамотные любители, всегда передаются в мировые центры сбора данных и благодаря своей высокой точности и массовости имеют большое научное значение. И поныне японские любители астрономии существенно дополняют профессионалов в такой области, как оперативные наблюдения астероидов и комет, опасно сближающихся с Землей.

Дело в том, что самая привлекательная задача для астронома-любителя — открыть новый астероид или новую комету, то есть первым в мире увидеть ее и зафиксировать координаты в течение по крайней мере двух близких ночей наблюдений. Тогда Международный астрономический союз, убедившись, что данный любитель действительно был первым, со временем предоставит ему право назвать этот объект, хотя и не без некоторых ограничений, связанных с именами политических деятелей.

В результате вместе с известными астрономическими центрами и национальными обсерваториями реализуется вполне разумная идея всемирной сети оптических наблюдений. И ее создание действительно идет полным ходом! Только за астероидами и кометами, сближающимися с Землей, в США, Японии, Европе и Австралии следят несколько систем средних телескопов с большими полями зрения — на них стоят широкоформатные ПЗС-матрицы. Прежде всего это американские Lincoln Near-Earth Asteroid Research (LINEAR), Near-Earth Asteroid Tracking (NEAT), Spacewatch, Lowell Observatory Near-Earth Object Search (LONEOS), Catalina Sky Surway (CSS), а также японская Japanese Spaceguard Assosiation (JSGA) и итальянская CINEOS. Обсерватории бывшей Чехословакии (Klet’ Observatory) давно и успешно наблюдают астероиды, сближающиеся с Землей. Поскольку у них сравнительно небольшие ПЗС-матрицы, им довольно трудно открывать новые объекты. Однако для надежного определения орбиты и вычисления вероятности опасного сближения в будущем этого объекта с Землей за каждым из них нужно наблюдать как можно дольше. Вот чешские коллеги многолетней методичной и целенаправленной работой и сумели найти свое место в мировом сообществе наблюдателей малых тел Солнечной системы; они пользуются авторитетом и активной грантовой поддержкой.

Большинство этих служб было создано в середине 1990-х годов, и ныне помимо основной задачи — поиска опасных для Земли объектов — они ежегодно, как побочный продукт, получают миллионы положений для сотен тысяч других малых небесных тел, обеспечивая наполнение всемирной базы данных для орбитальных вычислений, в том числе и для безопасного пролета космических зондов через астероидный пояс.

Особо следует отметить японскую службу JSGA, которую в начале нового тысячелетия всего за два года организовало Космическое агентство Японии с другими заинтересованными учреждениями. На станции слежения Bisei Spaceguard Center, расположенной в префектуре Окаяма, имеется три телескопа-рефлектора с зеркалами 0,25, 0,50 и 1,0 ми ПЗС-матрицами, которые обеспечивают единовременный, за один ПЗС–кадр, обзор участка неба площадью 25, 4 и 9 квадратных градусов соответственно. Такие огромные площади обзора прекрасно подходят для наблюдений не только астероидов и комет, сближающихся с Землей, но и космического мусора, фрагменты которого значительно быстрее, чем астероиды, пересекают поле зрения телескопа: самый малый телескоп может отслеживать объекты, которые двигаются по небесной сфере со скоростью до 5 градусов в секунду. (Такие большие угловые скорости свойственны разве что метеорам при их подлете к Земле или спускаемым аппаратам космических кораблей.)

Однако результаты наблюдения искусственных спутников Земли и их фрагментов не доступны никому, кроме самих японских исследователей, и нигде не публикуются. Кстати, известно, что американские системы LINEAR и NEAT активно сотрудничают с ВВС США и наблюдают для них спутники и космический мусор на телескопах системы GEODSS (Ground-based Electro-Optical Deep Space Surveillance), созданной еще в 1980-е годы в рамках программы «Стратегическая оборонная инициатива». И эти, американские, результаты ПЗС-наблюдений ИСЗ и космического мусора найти невозможно. У нас в СССР в ответ на эту «американскую СОИ» в Таджикистане возле обсерватории Санглок была построена военная станция слежения за различными спутниками, но сейчас ее эксплуатация очень затруднена. К тому же, будучи единственной российской наблюдательной станцией, она не может обеспечить полный обзор всей небесной сферы. Данные о ее работе нашим астрономам опять-таки неизвестны.

Заметим, что в задаче обнаружения и сопровождения новых небесных объектов уже давно сложилась своеобразная специализация, определяемая терминами «пастухи» и «охотники». Если ПЗС-телескопы с зеркалами в 1—2 м и большими полями зрения используют в основном для открытия новых астероидов и комет («охотники»), то все остальные ПЗС-телескопы, в том числе и любительские, работают «пастухами», то есть обеспечивают массовое сопровождение открытых объектов высокоточными ПЗС-наблюдениями для определения их орбит. И чем больше выполнено наблюдений нового небесного объекта в год его открытия, тем больше вероятность не потерять его при следующих появлениях. Эту работу координирует Международный центр малых планет и комет в США при поддержке Международного астрономического союза.

Разорванная сеть

После рассказа о сравнительно безоблачной жизни астрометристов за рубежом повествование об отечественном сегменте сети будет звучать печально.

Строго говоря, российская астрономия появилась при Петре I. Тогда навигацию судов осуществляли по звездам, и императору для только что созданного флота понадобилась своя служба составления и улучшения звездных каталогов. Петр много путешествовал по Европе, бывал в обсерваториях и даже закупил несколько очень хороших астрономических телескопов. Но астрономическую обсерваторию он построить не успел, и весь ХVIII век купленное оборудование находилось в Академии наук, в здании Кунсткамеры, а именно в ее высотной доминанте, и тогдашние академические астрономы, если хотели что-то наблюдать, открывали окна и направляли свои небольшие телескопы на интересующие их небесные тела. Вообще за ХVIII век российская астрономия по большому счету может предъявить миру только открытие М.В.Ломоносовым атмосферы Венеры при ее прохождении по диску Солнца, многочисленные определения географических координат городов Российской империи и наблюдения нескольких солнечных затмений. Даже в эпоху просвещенной Екатерины II в России не была создана национальная астрономическая обсерватория по примеру уже более ста лет работавших обсерваторий во Франции (Парижская) и в Англии (Гринвичская). Только наполеоновские войны в Европе, потребовавшие хороших топографических карт, способствовали кардинальному решению проблемы.

В 1839 году была открыта Пулковская астрономическая обсерватория, в Уставе которой было написано: «Цель учреждения Обсерватории состоит в производстве а) постоянных и сколь можно совершеннейших наблюдений, клонящихся к преуспеянию астрономии; b) соответствующих наблюдений, необходимых для географических предприятий в империи и для совершаемых ученых путешествий; с) содействовать всеми мерами к усовершенствованию практической астрономии, в приспособлениях ее к географии и мореходству и доставлять случай к практическим упражнениям в географическом определении мест». В последнем параграфе устава на Пулковскую обсерваторию возлагалась обязанность «иметь попечение о том, чтобы занятия на прочих русских обсерваториях были соответственны современному состоянию астрономии, чтобы действия их, по возможности, состояли в связи между собой и чтобы из производимых на них наблюдений проистекала возможно большая польза для науки». Создание Пулковской обсерватории как главной астрономической обсерватории Академии наук быстро оправдало все надежды и расходы: к пятидесятилетию своего существования она была признана астрономическим сообществом как «астрономическая столица мира».

Купол Пулковского 26-дюймового рефрактора, самого большого астрометрического телескопа России

Следующий прорыв в отечественной астрономии был совершен во второй половине XX века, когда первый советский спутник вышел в космос. У астрометристов и небесных механиков сразу же возникла новая задача — расчет орбит искусственных спутников Земли, как советских, так и американских. Ее успешно решили, создав сеть станций слежения за ИСЗ при педагогических институтах и университетах по всей протяженности страны: расположение СССР вдоль параллели дало астрономам шанс делать уникальные серии наблюдений для определения параметров орбит космических объектов.

Увы, после развала СССР сеть станций оптических наблюдений за небесными объектами существенно сократилась за счет потери украинских, кавказских и среднеазиатских пунктов, а новая ПЗС-технология выполнения этих наблюдений из-за резкого сокращения финансирования науки в 90-х годах не нашла у нас массового применения. Насколько известно автору, до сих пор на оставшихся наблюдательных станциях в России (Монды, Институт солнечно-земной физики СО РАН; Коуровка, Уральский университет; Звенигород, Институт астрономии РАН; Терскол, Международный центр астрономических и медико-экологических исследований РАН) основные виды работ по контролю космического пространства — эпизодические фотографические и телевизионные обзорные наблюдения геостационарных объектов. Что касается астероидов и комет, особенно сближающихся с Землей, то после перехода в 1991 году Крымской астрофизической обсерватории в состав НАН Украины былой советский приоритет в этой области, который обеспечивала крымская группа астрономов под руководством доктора физико-математических наук Н.С.Черных, был потерян, и в обсерваториях России программ наблюдений таких небесных тел практически нет. Это уже привело к тому, что среди наименований новых малых планет, которые открывают астрономы всего мира, сейчас преобладают имена выдающихся деятелей науки, искусства и литературы Америки, Японии, Европы, и совсем немного малых планет за прошедшее десятилетие названы в честь российских ученых, артистов, художников, писателей и поэтов. Причем даже и этой малостью мы обязаны той же группе крымских астрономов, у которых еще есть «запас» ранее открытых ими астероидов и которые имеют право в качестве первооткрывателей присваивать этим астероидам те или иные имена. К сожалению, недавняя кончина Николая Степановича Черных еще больше ослабила российское «представительство» на космических орбитах. Так провалы в, казалось бы, весьма далекой от политики научной области приводят к ущемлению престижа страны. И пока не очевидно, что положение будет меняться в лучшую сторону: сейчас из почти 250 тысяч известных малых планет имеют названия немногим более 11 тысяч, причем российских из них чуть больше тысячи.

Другой аспект проблемы — астероидная опасность и космический мусор. Специалисты по космическому мусору в околоземном пространстве уже давно предупреждают: насыщенность этого пространства мелкими фрагментами ракет и спутников за 47 лет космической деятельности возросла настолько, что если человечество будет и впредь «мусорить» так же безоглядно и такими же темпами, то безаварийный запуск космических кораблей в наступившем веке станет невозможен. Поэтому надо знать распределение и плотность фрагментов этого мусора в околоземном пространстве, что опять-таки требует ПЗС-наблюдений за слабыми объектами, составления каталогов таких объектов, их идентификации и определения орбит. Мировое астрономическое сообщество уже старается это делать, только пока без нас. А ведь в связи с традиционной закрытостью этой тематики международного сотрудничества по наблюдениям космического мусора сейчас нет.

В деле предотвращения астероидной опасности работы в нашей стране практически не ведутся. Этот термин даже отсутствует в «Концепции национальной безопасности Российской Федерации», текст которой можно найти на президентском сайте. А, например, Европейский союз еще 20 марта 1996 года принял «Декларацию Совета Европы по обнаружению астероидов и комет, потенциально опасных для человечества». В этой декларации содержатся прямые рекомендации правительствам стран ЕС по организации национальных систем слежения и контроля. А теперь представим себе, что наши американские коллеги вдруг зафиксировали своими мощными оптическими средствами опасно сближающийся с Землей объект и точно определили, что он упадет именно на территорию России. Зададимся простым вопросом: кто может поручиться, что их потенциал по уничтожению опасного пришельца будет использован в целях нашего спасения? Им-то, если расчеты надежны (а это напрямую зависит от времени и точности ПЗС-наблюдений, которые у них поставлены очень хорошо, а у нас практически отсутствуют), ничего угрожать не будет. А «благотворительность» может дорого обойтись: степень риска при такой операции велика. Что, если ракета с ядерным за рядом промахнется мимо несущегося к Земле астероида или на старте случится авария и произойдет ядерный взрыв? Да и вообще вывод в космос ядерных боеприпасов запрещен международными соглашениями. Так что может оказаться, что в соответствии с «законом спасателя» спасение утопающих будет делом рук самих утопающих. О том, что подобное развитие ситуации возможно, свидетельствует история с падением Витимского болида в 2002 году. Как известно, пролет этого космического объекта в атмосфере Земли зафиксировал только американский спутник слежения за запусками ракет. А наши средства оповещения если что и заметили, то никого о падении болида в районе Иркутска не предупредили. Более того, поиск места падения и фрагментов метеорита пришлось вести, как и сто лет назад — опрашивая местных жителей. Хорошо, что болид упал в местность с малой плотностью населения и никто, кроме обитателей тайги, не пострадал.

Впрочем, и без страшилок очевидно, что своевременное обнаружение любых быстро движущихся по небесной сфере объектов, будь то ракеты, спутники или классические небесные объекты, — одна из составляющих частей национальной безопасности. И если радиотехнические методы такого слежения работают у нас вроде бы исправно, то дополняющая их оптическая служба нуждается в существенном улучшении или, точнее, в создании заново — на новой элементной базе и по всей территории России.

Первым отрадным фактом осознания необходимости ПЗС-наблюдений и организации учебного процесса и научной работы на современном оборудовании служит приобретение и установка в самое последнее время новых небольших ПЗС-телескопов-рефлекторов в Калмыцком, Калининградском, Бурятском, Санкт-Петербургском университетах. Старая и проверенная идея использовать университетские обсерватории в целях слежения за подвижными небесными объектами может стать первым шагом к выходу из кризисного положения. Второй шаг — появившаяся тенденция участия состоятельных людей в любительских астрономических наблюдениях. Это, несомненно, радует, но в целом следует признать, что в России сложилось критическое положение с оптическими наблюдениями малых тел Солнечной системы, особенно в области контроля космического пространства. В области же наблюдений астероидов и комет, опасно сближающихся с Землей, мы отстали от зарубежных коллег надолго, если не навсегда.

Кандидат физико-математических наук О.П.Быков,

Пулковская обсерватория