Звёздное небо! Неисчерпаемый источник вдохновения художников, влюблённых и поэтов-песенников. И одновременно — причина головной боли для тех, кто наблюдает за звёздами профессионально.

ЖИТЬ ХОРОШО, НАБЛЮДАТЬ ПЛОХО

Стать обладателем телескопа сегодня — не проблема. По цене обеда в недорогом ресторанчике можно приобрести телескоп, за который ГалИлеЙ, не колеблясь ни секунды, продал бы душу дьяволу. Однако в большинстве случаев для городского энтузиаста астрономии покупка телескопа, будь то дорогой американский Meade или простой канадско-китайский Sky-Watcher, — деньги на ветер. Вокруг — паразитная засветка, зарево над ночными городами, пыль, сажа и влажность. Слабосветящиеся объекты так не увидеть. Избавиться от помех можно только одним способом — уехать от города как можно дальше, причём место уединения должно отвечать строгим параметрам. Во-первых, там должна преобладать ясная погода с минимальным количеством осадков. Во-вторых, это место должно быть закрыто от ветров, поднимающих пыль и порождающих турбулентные вихри в атмосфере. В-третьих, оно должно располагаться как можно выше над уровнем моря. Если сложить три этих компонента воедино, то окажется, что мест с подходящим астроклиматом на Земле не так и много.

САМОЕ СУХОЕ МЕСТО

Одно из них, прозванное «раем астрономов-наблюдателей» — совершенно особое. Это самая высокогорная пустыня в мире — Атакама, защищённая от тихоокеанских влажных ветров вулканической цепью Анд. 320 ясных безветренных ночей в году, очень сухой воздух (показатель влажности близок к 0 %) и среднее количество осадков менее 1 мм в год. Учёные установили, что в некоторых районах Атакамы дождей не было аж с конца XVI века! Пустыня практически не заселена, поэтому воздух прозрачен, и светового загрязнения от искусственного освещения нет. По этим причинам чилийская пустыня стала астрономической столицей мира: на её территории действуют обсерватории Серро-Тололо, Ла-Силья, Лас-Кампанас, ALMA (Atacama Large Millimeter Array — комплекс радиотелескопов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов на плато Чахнантор) и флагман современной наблюдательной астрономии — обсерватория Серро-Параналь. Возникает вопрос: зачем забираться в такое негостеприимное место, если прямо сейчас можно запустить телескоп в космос, где атмосферы, мешающей наблюдениям, нет? Не всё так просто. Легендарный Hubble, который в следующем году отпразднует 30-летие на орбите, с точки зрения астрономов представляет собой заурядный рефлектор Ричи- Кретьена диаметром 2,4 метра. «Охотник» за экзопланетами, орбитальный телескоп-фотометр «Кеплер» мог похвастаться всего 1,4- метровым зеркалом.

На звёздном «картографе» GAIA установлен 1,46- метровый телескоп. Будущий китайский орбитальный телескоп «Сюньтянь» будет оснащён зеркалом, схожим с хаббловским по размеру. И только концептуальный ATLAST (Advanced Technology Large-Aperture Space Telescope), запуск которого запланирован предварительно на 2035 год, обзаведётся зеркалом с апертурой 8 или 16,8 метров (окончательно диаметр и конструкция пока не определены). Первоначальная стоимость проекта Hubble ($400 млн) к моменту запуска выросла почти в 12 (!) раз, а суммарные затраты на обслуживание, ремонт и модернизацию к 2015 году доросли до поистине астрономической величины — $11 млрд. И это не финал! Многострадальный 6,5-метровый «Джеймс Уэбб», запуск которого планируется на март 2021 года (после 14-летней задержки), уже «проглотил» почти $10 млрд. 

Для сравнения: постройка обсерватории Кека (W. M. Keck Observatory) на горе Мауна-Кеа (Гавайи) с двумя 10-метровыми телескопами, которые оставались крупнейшими в мире на протяжении почти полутора десятилетий, обошлась в $70 млн; сооружаемый сейчас 39-метровый «Чрезвычайно большой теле скоп» (Extremely Large Telescope — ELT) будет собирать света в 200 раз больше, чем Hubble, а стоить «всего» $1,5 млрд. Так что орбитальные обсерватории — дело чрезвычайно дорогое на нынешнем этапе развития космической техники. А сколько потрачено времени, сил и денег на сооружение 420-тонной МКС…

Группа антенн ALMA расположена на 5000 м над уровнем моря, плато Чахнантор, пустыня Атакама, Чили

Сравнение размеров основного зеркала наиболее примечательных оптических телескопов мира

ОХОТА ЗА РАКЕТАМИ

Наблюдательная астрономия не располагает неограниченным финансированием. Поэтому ей в обозримой перспективе остаётся традиционный путь: строить телескопы на Земле и пытаться компенсировать влияние атмосферы с помощью технологий активной и адаптивной оптики, заимствованных у военных. Последние уже к началу 1980-х располагали работоспособными системами наблюдения за орбитальными аппаратами (главным образом советскими) — фундаментальным элементом программы стратегической оборонной инициативы, которую журналисты прозвали «звёздные войны». Как известно, разрешающая способность телескопа обратно пропорциональна его апертуре (диаметру объектива или зеркала):

где r — разрешающая способность в угловых секундах, D — диаметр объектива в миллиметрах, 138 — эмпирический коэффициент для видимого света, введённый на основе так называемого критерия Рэлея, учитывающего дифракцию. Теоретически телескоп со 150-миллиметровым зеркалом способен «разглядеть» футбольный мяч с расстояния более 40 км.

А зачем же тогда нужны циклопические рефлекторы с зеркалами по 10 метров? Дело в том, что апертура телескопа влияет не только на разрешающую способность, но и на количество собираемого света. И это главный источник вдохновения в гонке диаметров! Большие зеркала позволяют увидеть тусклые объекты, либо удалённые на миллионы световых лет, либо неяркие в принципе, например экзопланеты. Разрешающая способность у таких колоссов отходит на второй план, даже если она теоретически составляет сотые доли угловой секунды. Мешает атмосфера!

ЗАГЛЯНИ ЗА УГОЛ

Свет распространяется по прямой — эту аксиому мы помним со школьной скамьи. Но, вспоминая эту фразу, мы обычно упускаем важную деталь: это касается только однородных изотропных сред. Даже космический вакуум не гарантирует свету прямолинейность, ведь в нём действуют поля тяготения, способные искривлять световые лучи. Атмосфера — среда крайне неоднородная и динамичная. Её плотность изменяется с высотой, в ней всё время присутствуют флуктуации температуры и давления, приводящие к появлению турбулентности — неустойчивых вихрей, трясущих самолёты и ощутимо меняющих показатель преломления. Именно из-за них звёзды даже в ясном небе мерцают, сводя на нет усилия строителей телескопов. В идеальных условиях, когда атмосферных помех нет, изображение звезды представляет собой яркое пятно, окружённое дифракционными кольцами. Размер пятна, называемого диском Эйри, зависит от апертуры телескопа.

Но движение воздуха сильно размывает изображение, поэтому астрономы для определения степени искажений ввели понятие видимости, равной половине ширины диска Эйри и измеряемой в угловых секундах (). Для большинства обсерваторий с подходящим астроклиматом видимость колеблется около 1, высокогорные обсерватории иногда могут обеспечить 0,4–0,5. А вот в городских условиях видимость почти на порядок ниже, к тому же она меняется как минимум 100 раз в секунду! В поисках решения инженеры обратились к работам немецкого астронома Йоханнса Франса Хартмана, предложившего проверять качество изображения в больших телескопах методом маски — экрана с небольшими отверстиями. Каждая частьзеркала создаёт изображение объекта в фокусе. Если с формой всё в порядке, отдельные лучи, проходя сквозь отверстия маски, сливаются в единый яркий объект, в противном случае — изображение тусклое и нерезкое. Принцип маски Хартмана был взят на вооружение РОландОМ ШЭКОМ, ведущим научным сотрудником компании PerkinElmer. Фирма, специализировавшаяся на разработке сложных оптических систем, выполняла заказы Пентагона и участвовала в разработке систем слежения за баллистическими и орбитальными объектами. Так появился датчик волнового фронта Шэка- Хартмана (Shack-Hartmann wavefront sensor), ставший фундаментом быстро прогрессирующей адаптивной оптики.

Телескоп можно сравнить с воронкой: чем больше диаметр, тем больше воды она может собрать под дождём. Точно так же телескоп с большим диаметром «собирает» больше света.

МАСКА ХАРТМАНА

Маска Хартмана — это простое, но эффективное устройство для проверки приблизительной фокусировки. Параллельные световые лучи от далёкой звезды проходят через отверстия в маске. Они пересекаются на фокальной плоскости. Это место, где вы должны разместить вашу камеру.

Гигантский Магелланов телескоп (Giant Magellan Telescope) — наземный телескоп, строительство которого намечено завершить в 2020 году. В  качестве собирающего свет элемента будет использоваться система из семи первичных зеркал диаметром 8,4 м и весом 20 тонн каждое.

ИСПРАВЛЯЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ

Датчик представляет собой массив из микролинз, фокусирующих падающие лучи на связанные секторы ПЗС-матрицы. Если фронт световой волны плоский и на каждую из линз падает один из параллельных лучей, то во всех секторах ток возникает в центральной ячейке. А если лучи не параллельны? Это говорит о том, что фронт световой волны деформирован атмосферными аберрациями, и нужна коррекция. В разных секторах лучи будут фокусироваться не в центре, формируя электронную карту искажений: по отклонению от нормального центрального положения можно судить о «неправильности» соответствующего луча. Продвинутые модели сенсоров, например, WFS20–14AR фирмы Thorlabs, позволяют проводить такие замеры с частотой более 1100 Гц.

Остаётся сделать ещё шаг: связать соответствующие области сенсора с секторами зеркала телескопа и определить, как устройство локального сдвига (актуатор) будет деформировать нужный фрагмент эластичного вспомогательного зеркала (очевидно, что главное зеркало остаётся неприкосновенным). В роли актуаторов используются пьезоэлектрические кристаллы, которые под действием импульсов тока меняют линейные размеры на несколько микрометров. Этого достаточно для компенсации большинства атмосферных аберраций. Идея была предложена выдающимся советским оптиком ВладИМИрОМ ЛИннИКОМ в 1957 году, а честь практического воплощения принадлежит американцам РОБерТу ФьЮГеЙТу, ДЖулИуСу ФеЙнлеЙБу и УИллу ХарПеру, разработавшим методики наблюдений в произвольных направлениях. Лучше всего адаптивная оптика работает с яркими объектами. Направив сенсор волнового фронта на звезду типа Веги или Сириуса, мы получаем динамичную картину турбулентности и, приводя в действие актуаторы, добиваемся чёткого изображения. А если ярких звёзд, называемых опорными, в интересующей области неба нет? Тогда построить карту искажений нельзя, и  объекты с угловыми размерами менее 0,5 секунды «размываются», несмотря на 10-метровое зеркало.

Слева диск Эйри от белого света, сгенерированный на компьютере. Справа реальная фотография диска Эйри.

Обсерватория Европейской организации астрономических исследований в Южном полушарии (ESO) расположена в северной части Чили

СХЕМА РАБОТЫ ДАТЧИКА ВОЛНОВОГО ФРОНТА ШЭКА-ХАРТМАНА

Но опорную звезду (Laser Guide Star), оказывается, можно создать! На высоте около 100 км в атмосфере «висит» тонкий слой атомарного натрия. Если направить на него мощный лазерный луч, то в области светового пятна диаметром примерно в метр атомы, поглотив энергию, перейдут в возбуждённое состояние, а потом испустят её в обратном направлении. Этот возвратный луч пройдёт сквозь атмосферу со всеми турбулентными завихрениями и принесёт желанную информацию о её состоянии. А дальше — дело техники. За работу берутся компьютеры с колоссальной вычислительной мощностью, прецизионные электромеханические устройства управляемой деформации, телескопы с огромными зеркалами. Сегодня практически все крупные телескопы (как существующие, так и вновь сооружаемые) в обязательном порядке снабжены системами адаптивной оптики, которые позволяют довести угловую разрешающую способность телескопа до физического (дифракционного) предела. В этом смысле необходимость запуска орбитальных телескопов несколько потеряла свою остроту. Харальд Кунчнер, ведущий научный сотрудник  Европейской южной обсерватории (The European Southern Observatory, ESO), отмечает:«Теперь благодаря адаптивной оптике астрономы могут получать изображения высочайшего качества, даже если состояние атмосферы не идеально». И, быть может, эта замечательная технология в будущем позволит нам раскрыть самые невероятные тайны мироздания, не покидая родную планету.