Новый гигантский телескоп
Наш сегодняшний выпуск передачи «Наука и техника» посвящен вопросам астрономии. На этот раз речь пойдет об весьма амбициозном проекте европейских ученых по созданию самого большого в мире наземного телескопа. Напомню, что крупнейший в мире на сегодняшний день телескоп – так называемый Very Large Telescope, имеющий около восьми метров в диаметре, расположен в чилийской высокогорной пустыне Атакама. Зеркало телескопа нового поколения, который европейцы окрестили Extremly Large Telescope, будет иметь 42 метра в диаметре. Таким образом, новый европейский телескоп будет в пять раз больше свого старшего брата.
Это крупнейший из всех когда-либо проектировавшихся телескопов,
указывает Jason Spyromilio, руководитель европейской обсерватории в Чили. По его словам, новый телескоп будет работать в инфракрасном спектре, и регистрировать тепловое излучение, исходящее от небесных тел. Его коллега Mark McCaugherean из университета Exeter в Великобритании считает, что именно этот спектр представляет в настоящее время наибольший интерес для науки.
В инфракрасном спектре светят новые, пока еще довольно холодные и не успевшие еще как следует разогреться звезды. В настоящее время они скрыты от нас пеленой звездной пыли, в которую они окутаны. Благодаря новому телескопу мы сможем непосредственно наблюдать за этими светилами и планетами, которые вокруг них формируются, поскольку в инфракрасном спектре облака пыли нам не помеха.
Молодые звезды, далекие планеты, первые галактики, существовавшие в начальном периоде образования космоса – все эти объекты можно наблюдать только в инфракрасном спектре.
Именно поэтому американское космическое агентство НАСА собирается заменить космический телескоп Хаббл новым 30-метровым телескопом, который будет в состоянии воспринимать тепловое излучение. Однако вопрос финансирования американского проекта пока еще не решен. И надо сказать, что запуск на орбиту и поддержание работоспособности космического телескопа удовольствие не из дешевых.
И вот теперь европейцы планируют построить новый 42-метровый телескоп, на финансирование разработки, строительства и эксплуатации которого, по расчетам экспертов, понадобится около миллиарда евро. Реализовать этот проект можно за счет средств из бюджета европейской обсерватории, а также дополнительных взносов государств-членов.
В космосе имеется множество звезд: одни в сотни раз тяжелее нашего светила, другие не дотягивают и до сотой доли солнечной массы. Нам пока еще неизвестно, по какой причине звезды так сильно отличаются друг от друга. Немногие звезды-гиганты доминируют во вселенной, они вспыхивают как яркие сверхновые звезды на ночном небосклоне, выбрасывают в космос тяжелые элементы, из которых состоим мы с вами. Тем временем граница между малыми звездами и большими планетами не столь очевидна. По своей массе они примерно равны. Благодаря новому, более мощному телескопу мы надеемся понять фундаментальные процессы, которые управляют как гигантскими звездами, так и малыми звездами и планетами, подобной нашей Земле.
С новым телескопом ученые связывают большие надежды. Однако астрономам придется набраться терпения.
Мы надеемся, что первые наблюдения можно будет осуществить примерно в 2016-2017 годах. В настоящее время проводятся поиски наилучшего для установки телескопа места. Среди наиболее вероятных претендентов горы Серо-Параналь в Чили или остров Ла Пальма на архипелаге Канарских островов.
При выборе места для строительства обсерватории астрономов в первую очередь интересует количество ясного ночного времени. Оно измеряется в суммарном годовом количестве часов безоблачного неба в период астрономической ночи, когда погружение Солнца под горизонт превосходит 18 градусов и уже не заметны сумеречные явления. Для старых университетских обсерваторий, размещенных вблизи крупных городов Европы, это время составляет порядка 200–300 часов в год (Пулково, Рига, Москва); для горных обсерваторий, располагающихся в южной части бывшей СССР (Крым, Кавказ, Казахстан, Узбекистан), это 1000–1500 час, а для наиболее современных обсерваторий в горах Чили и на Гавайях – 2500–3000 час.
Поскольку крупный телескоп стоит очень дорого, а эффективность его работы прямо зависит от астроклимата в пункте наблюдения, астрономы посвящают немало сил выбору места для строительства обсерватории. Предварительный отбор перспективных мест производится на основе метеорологической информации, а затем организуются многомесячные (иногда и многолетние) экспедиции для изучения выбранных мест. С помощью небольших экспедиционных приборов, имитирующих наблюдение с крупным телескопом, проводятся измерения качества изображений звезд в разные сезоны года. Окончательное решение о строительстве обсерватории принимается, исходя из полученных экспедициями результатов и, в немалой степени, экономических обстоятельств: наличия электрических и водных источников, морских портов, аэродромов и дорог, поскольку доставка и монтаж большого телескопа и, прежде всего, его многометрового зеркала представляет сложную транспортную проблему.
Даже в самых хороших, с точки зрения астроклимата, горных вершинах, таких, как Серро-Параналь в чилийской пустыне Атакама, Мауна-Кеа на Гавайях, Рока-де-лос-Мучачос на острове Ла-Пальма в архипелаге Канарских островов, прозрачность атмосферы и качество изображения непрерывно изменяются. Поэтому астроном-наблюдатель регулярно делает записи в журнале наблюдений с указанием состояния неба и размера изображения звезд. При высокоточном измерении блеска переменных звезд приходится до и после измерения изучаемой звезды определять также блеск специально выбранных звезд сравнения («стандартов»), про которые известно, что они светят очень стабильно, поэтому изменение их видимой яркости целиком связано со свойствами атмосферы Земли.
Но давайте вернемся к техническим характеристикам нового европейского телескопа. Первоначально астрономы хотели построить телескоп с зеркалом, диаметр которого должен был составить 100 метров. Однако поскольку на реализацию столь сложного проекта могло уйти больше десяти лет, ученые решили ограничиться 42-метровой тарелкой. Говорит Roberto Gilmozzi главный научный руководитель этого амбициозного проекта:
Тарелка телескопа состоит из 960 составных частей, каждая и которых имеет один метр 40 сантиметров в диаметре – своего рода гигантский пазл. При этом напоминающие пчелиные соты шестигранные фигуры, работают по принципу сетчатки лаза насекомых.
Тут надо сказать, что тарелка большинства современных телескопов обычно состоит из одного элемента, однако при этом максимально возможный диаметр ограничен восьми метрами. Изготовить целостную 42-метровую тарелку технически невозможно. Выход – мозаика из 960 составных частей, точная позиция каждой из которых с точностью до сотой тысячной доли миллиметра регулируется при помощи электромоторов. Отмечу, что это отнюдь не единственное техническое препятствие, стоящее на пути реализации этого проекта.
Телескоп должен не только обладать большой стабильностью, но и подвижностью, для того чтобы с высокой точностью изучать подлежащие исследованию объекты. При весе в 5000 тонн это весьма не простая задача. Дело в том, что мы используем адаптивную оптику, благодаря которой телескоп автоматически компенсирует искажения фронта, вызванные атмосферной турбулентностью. Таким образом, этот телескоп видит столь же четко, как и телескоп, расположенный за пределами земной атмосферы на околоземной орбите. Именно поэтому малейшие вибрации самого зеркала телескопа способны привести к возникновению помех. Поэтому каждый из оптических элементов тарелки обладает своей собственной системой управления, которая компенсирует эти вибрации.
Идущие от космических источников лучи света, проходя сквозь неоднородную атмосферу Земли, испытывают сильные искажения. Например, волновой фронт света, приходящего от далекой звезды (которую можно считать бесконечно удаленной точкой), на внешней границе атмосферы имеет идеально плоскую форму. Но пройдя сквозь турбулентную воздушную оболочку и достигнув поверхности Земли, плоский волновой фронт теряет свою форму и становится похож на волнующуюся морскую поверхность. Это приводит к тому, что изображение звезды превращается из «точки» в непрерывно дрожащую и бурлящую кляксу. При наблюдении невооруженным глазом мы воспринимаем это как быстрое мигание и дрожание звезд. При наблюдении в телескоп вместо «точечной» звезды мы видим дрожащее и переливающееся пятно; изображения близких друг к другу звезд сливаются и становятся неразличимы по отдельности; протяженные объекты – Луна и Солнце, планеты, туманности и галактики – теряют резкость, у них пропадают мелкие детали.
Задача адаптивной оптики состоит в нейтрализации в реальном времени искажений, вносимых атмосферой в изображение космического объекта. Обычно адаптивная система работает совместно с системой активной оптики, поддерживающей конструкцию и оптические элементы телескопа в «идеальном» состоянии. Действуя совместно, системы активной и адаптивной оптики приближают качество изображения к предельно высокому, определяемому принципиальными физическими эффектами (в основном – аберрацией света на объективе телескопа).
В принципе системы активной и адаптивной оптики подобны друг другу. Обе они содержат три основных элемента: 1) анализатор изображения, 2) компьютер с программой, вырабатывающей сигналы коррекции и 3) исполняющие механизмы, изменяющие оптическую систему телескопа так, чтобы изображение стало «идеальным».
В телескопе с адаптивной оптикой имеется дополнительное зеркало, которое корректирует искажения, возникающие в результате вибрации телескопа и атмосферы помехи. Дело в том, что коррекцию недостатков самого телескопа (активная оптика) можно проводить сравнительно редко – с интервалом от нескольких секунд до 1 минуты, однако исправлять помехи, вносимые атмосферой (адаптивная оптика), необходимо значительно чаще – от нескольких десятков до тысячи раз в секунду. Поскольку система адаптивной оптики не может изменять форму массивного главного зеркала телескопа, то для внесения корректив она управляет формой специального дополнительного «легкого и мягкого» зеркала, установленного у выходного зрачка телескопа.
Несмотря на то, что сегодня эта технология получила широкое распространение, она все еще чрезвычайно молода. Мы уже сегодня используем специальное быстро меняющее свою форму зеркало. Однако мощность такой системы должна возрасти в четыре раза. Это сложная задача, решить которую необходимо в ближайшие семь лет. Мы уверены в том, что адаптивная оптика к тому времени справится с этой проблемой.
Впервые на возможность коррекции атмосферных искажений изображения при помощи деформируемого зеркала указал в 1953 американский астроном Хорас Бэбкок (Babcock H.W). Для компенсации искажений он предложил использовать отражение света от масляной пленки, поверхность которой деформирована электростатическими силами. Тонкопленочные зеркала с электростатическим управлением разрабатываются для аналогичных целей и в наши дни, хотя более популярным исполнительным механизмом служат пьезоэлементы с зеркальной поверхностью.
На крупном телескопе диаметром в 8 метров полное исправление формы волнового фронта в оптическом диапазоне потребует корректирующего зеркала с 10 000 управляемыми элементами. При нынешнем развитии систем адаптивной оптики это практически невыполнимо. Однако в близком инфракрасном диапазоне, корректирующее зеркало должно содержать около 100 элементов, что вполне достижимо. Например, система адаптивной оптики интерферометра «Очень большого телескопа» (VLT) Европейской южной обсерватории в Чили имеет корректирующее зеркало из 60-ти управляемых элементов.
Однако корректирующее зеркало нового телескопа, по расчетам специалистов должно обладать 5000 элементами, которые бы вносили 1000 корректировок в секунду. Над решением этой задачи предстоит серьезно поработать.
Еще одно препятствие, стоящее на пути реализации миллиардного проекта, это ветер. Ведь общая парусная площадь конструкции составит около 80 метров.
Ветер – это особая проблема для всех телескопов. Он раскачивает весь телескоп как единое целое. Можно было бы отгородить его от влияния ветра при помощи купола, как это делалось раньше. Однако поднимающиеся из купола потоки теплого воздуха значительно искажают изображение, и картинка становится нечеткой. Надо также отметить, что несильный ветер оказывает даже благотворное влияние, поскольку он идеальным образом выравнивает разницу в температурах между телескопом и окружающей средой.
Опыт по стабилизации дрожащего изображения далеких звезд у европейских астрономов накоплен большой. Однако для реализации проекта по строительству сверхмощного телескопа потребуется приложить много усилий. Нам остается только пожелать им успеха в этом трудном начинании.