Королевство больших зеркал

В конце 1990-х мир охватил бум строительства огромных телескопов, о которых астрономы XX века могли только мечтать. Благодаря им новости пестрят астрономическими открытиями, а тем временем на наших глазах сооружаются еще более грандиозные инструменты.

Чтобы иметь контрольный источник света, астрономы лучом лазера зажигают в небе искусственную «звезду»

Фото: ESO / Y. Beletsky

В пустыне Атакама в Чили — мекке астрономов всего мира благодаря на редкость безоблачному небу и чистому воздуху — строится Экстремально большой телескоп (Extremely Large Telescope, или ELT). Он будет иметь сегментное зеркало диаметром ни много ни мало 39 м. Этот гигант, принадлежащий Европейской южной обсерватории (European Southern Observatory, или ESO), должен вступить в строй в 2027 году. Там же, в Чили, сооружается Гигантский магелланов телескоп (Giant Magellan Telescope), принадлежащий США. Его семь зеркал, каждое диаметром 8,4 м, должны увидеть первый свет в 2029 году. В 2014 году на Гавайях началось строительство Тридцатиметрового телескопа, приостановленное по юридическим причинам. XXI век обещает быть временем грандиозных телескопов и столь грандиозных открытий.

Размер имеет значение

Разумеется, ученые не гонятся за рекордами ради самих рекордов. Размер действительно имеет значение. Телескоп собирает скудные лучи ночных светил и концентрирует их в одной точке — фокусе. Обычно это делается с помощью вогнутого зеркала. Чем больше зеркало, тем больше света соберет инструмент, и тем более тусклые объекты будут видны. Человеческий глаз едва различает звезды шестой величины, а Большой канарский телескоп (Gran Telescopio Canarias, или GTC) может добраться и до 26-й благодаря своему 10-метровому зеркалу, крупнейшему в мире. Разрешение — способность различать тонкие детали — тоже напрямую зависит от размера зеркала. Невооруженный человеческий глаз имеет разрешение около одной угловой минуты. Другими словами, он способен различить две детали, отстоящие друг от друга на тридцатую часть лунного диска. Современные телескопы обеспечивают в десятки раз лучшее разрешение — до долей угловой секунды. Неудивительно, что история телескопостроения — это во многом история погони за размером.

На пределе и за пределом

В 1975 году в СССР вступил в строй БТА (Большой телескоп азимутальный) с 6-метровым зеркалом. Он был сооружен на пределе возможного для существовавших тогда материалов, технологий и всего подхода к телескопостроению. Казалось, БТА на долгие десятилетия обеспечил себе звание рекордсмена. Ведь и его предшественник, пятиметровый американский «Хейл», более четверти века оставался крупнейшим в мире.

Но едва минуло 16 лет, как свои первые звезды увидел гавайский телескоп Кека с зеркалом неслыханного диаметра — 9,8 м. В 1996 году в строй вступил его двойник «Кек-2». После этого крупные инструменты посыпались как из мешка. В 1997 году в США начал работу 9,2-метровый «Хобби-Эберли». С 1998 по 2000 годы в строй вступили четыре 8,2-метровых зеркала Очень большого телескопа (Very Large Telescope, или VLT), принадлежащего ESO. По суммарной площади зеркал он и сейчас остается крупнейшим в мире. В 1999 году на Гавайях начал работу 8,2-метровый «Субару». Охватившая мир «телескопная лихорадка» продолжилась и в 2000-е, так что сегодня БТА не входит даже в первую десятку. Что, впрочем, отнюдь не делает его плохим инструментом: наука делается не только рекордсменами.

Чем же вызван прорыв, о котором в 1970-х астрономы не могли и мечтать?

Строящийся гигантский Магелланов телескоп

Фото: Giant Magellan Telescope - GMTO Corporation

Тонкий вопрос

Главная причина в том, что зеркала стали тонкими. У классических телескопов толщина зеркала меньше его диаметра примерно в восемь раз, у современных — в 40 и более раз. Поэтому шестиметровое зеркало БТА весит 43 тонны, а 8,2-метровое зеркало «Субару» — всего 23 тонны. Легкое зеркало не требует мощной поддерживающей рамы, что серьезно удешевляет инструмент. Кроме того, оно меньше деформируется под собственной тяжестью (а любая нежелательная деформация расфокусирует лучи). Наконец, тонкая конструкция быстрее прогревается и остывает в ответ на изменение окружающей температуры. А значит, уменьшаются ее тепловые деформации. Воздушные потоки, нарушающие прозрачность воздуха вокруг зеркала, тоже сводятся к минимуму.

Меньше тепла и больше света

Кстати, о тепловых деформациях. У современных материалов, таких как ситалл и ULE (ultra low expansion glass, то есть стекла с ультранизким расширением), коэффициент теплового расширения в сотни раз меньше, чем у боросиликатного стекла — классического материала для астрономических зеркал XX века. Благодаря этому инструменты меньше зависят от капризов погоды.

Зеркала стали и более… зеркальными. Сегодня они отражают не менее 95% падающего света, а иногда и все 99%. Поэтому можно использовать хитроумные схемы со множеством отражающих поверхностей, исправляющие недостатки изображения.

Улучшилась и точность изготовления зеркал. Форма конструкции диаметром в несколько метров выдерживается с точностью лучше десяти нанометров. Разумеется, подобное было бы невозможно без применения на производстве мощных компьютеров.

Не стоит забывать и о том, что по ту сторону зеркала. У окуляра современного телескопа свет встречает не глаз и даже не фотопластинка, а квантовый приемник с чувствительностью, близкой к теоретическому пределу. Человеку не положено даже находиться в одной комнате с работающим приемником, чтобы тепло его тела не сбило с толку тонкую аппаратуру.

Поддаваясь — побеждай

Как бы ни были хороши современные материалы, зеркала не могут совсем не реагировать на перепады температуры и другие возмущения. Деформация отражающих поверхностей искажает ход лучей. Астрономы придумали элегантное решение: нужно деформировать еще какой-нибудь элемент схемы так, чтобы свет снова собрался в фокусе! Телескоп уподобляется нерадивому школьнику, который делает две компенсирующие друг друга ошибки и получает в итоге правильный ответ. Это называется активной оптикой. Она за считаные секунды подстраивается под новый ход лучей. Это очень важно, ведь телескоп может накапливать свет несколько часов, чтобы получить лучшее изображение.

Активная оптика дарит еще одну возможность: собирать зеркала из частей, положение и форма которых корректируются в реальном времени. Например, четыре главных зеркала VLT работают как одно виртуальное зеркало диаметром 16 м. Сделать такую конструкцию цельной было бы почти невозможно. И это не предел: в GMT и ELT будет использована та же технология.

Сегодняшняя вершина орбитальной астрономии — телескоп «Джеймс Уэбб» с 6,5-метровым зеркалом

Фото: NASA / MSFC / David Higginbotham

Зажигая звезды

Главный враг астронома — атмосфера. И дело не в том, что она поглощает свет, ослабляя тусклые объекты. Это можно компенсировать размером зеркала. Дело в четкости изображения.

Даже чистый воздух высокогорных пустынь непрерывно дрожит, чуть-чуть меняя прозрачность. Это дрожание размывает изображение, делает его менее резким. Наблюдатели теряют важные детали. Вот почему «Хаббл», запущенный на орбиту в 1990 году, стал эпохой в астрономии. И это несмотря на более чем скромный диаметр зеркала в 2,4 м (наземные телескопы такого размера появились больше столетия назад).

В начале 1990-х, уже после запуска «Хаббла», военные США сняли гриф секретности с работ по адаптивной оптике. Этот метод, предназначавшийся для отслеживания советских спутников, оказался голубой мечтой астрономов. Идея та же, что и в активной оптике: деформировать одну из отражающих поверхностей, чтобы выравнивать ход лучей и компенсировать искажения. Вот только, чтобы успевать за дрожанием воздуха, поправки нужно вносить быстро: 1–1000 раз в секунду. Небольшой отражающий элемент, способный так быстро и точно менять форму,— чуть ли не самая высокотехнологичная деталь телескопа. Разумеется, в 1970-х о таком можно было разве что фантазировать.

Чтобы вносить поправки на атмосферу в реальном времени, нужно точно знать, какие поправки требуются прямо сейчас. Ведь воздух переменчив, в этом-то и проблема. Хорошо бы иметь в небе рядом с наблюдаемым объектом опорный источник света. Что бы ни сделала атмосфера с его лучами, с лучами соседней звезды она сделает то же самое. А поскольку свойства опорного источника заранее известны, можно вычислить, что именно натворил воздух и как это компенсировать. Тем самым автоматически исправляется и ход лучей наблюдаемой звезды или галактики, так что размытое изображение становится четким.

Чтобы иметь опорный источник света, астрономы буквально зажигают в небе искусственную «звезду». В атмосферу направляется луч лазера, заставляющий светиться атомы натрия на высоте 90–95 км, гораздо выше наиболее турбулентных слоев воздуха. Луч, кстати, довольно мощный (десятки ватт), так что его отключают при приближении самолетов и даже спутников.

«Лазерную звезду» нужно зажигать в пределах пары угловых минут (пятнадцатая часть лунного диска) от наблюдаемого объекта. Воздух в каждой точке бурлит по-своему, и чем дальше мы от опорного источника света, тем меньше нам пользы от вычисленных поправок. Но ученые активно работают над тем, чтобы расширить поле зрения адаптивной оптики.

Вернуться с небес на землю

Адаптивная оптика позволяет получить с Земли почти такие же четкие изображения, как и с орбиты. Зато, не покидая планеты, можно использовать очень большие зеркала. Строящийся 39-метровый ELT по проницающей силе (способности видеть тусклые объекты) будет эквивалентен примерно 20-метровому орбитальному инструменту, что почти вдесятеро больше «Хаббла».

Сегодняшняя вершина орбитальной астрономии — телескоп «Джеймс Уэбб» с 6,5-метровым зеркалом. Цельное зеркало такого размера не поместилось бы под обтекателем ракеты, поэтому оно состоит из 18 подвижных сегментов. Их положением с микронной точностью управляют 132 микромотора. Развертывание зеркала было самым волнительным моментом после запуска: подвижные части любого механизма — самые уязвимые для поломок.

Неудивительно, что «Уэбб» строился долго и мучительно: запуск, исходно намеченный на 2007 год, состоялся только в 2021 году, а бюджет за это время вырос с запланированных $500 млн до более чем $10 млрд. А ведь этот телескоп — инфракрасный, а не оптический. Инфракрасные волны длиннее световых, поэтому не так чувствительны к шероховатостям зеркала и к точности управления сегментами. Ну а орбитальный аналог ELT сделать даже не запредельно дорого, а практически невозможно. Да и не нужно, раз строится сам ELT, причем за сравнительно скромные €1,3 млрд. Все-таки космическая техника при прочих равных на порядок дороже наземной.

Весьма вероятно, «Хаббл» был не только первым, но и последним крупным оптическим телескопом на орбите. Ключевое слово — «крупным»: небольшие специализированные инструменты в космос запускаются и будут запускаться впредь. Например, телескопы для поиска экзопланет, такие как стартовавший в 2018 году TESS. Они должны как можно точнее измерить блеск звезды, чтобы уловить момент, когда часть ее лучей затмит планета, проходящая между светилом и наблюдателем. Или запущенный в 2013 году космический картограф Gaia, определивший точные координаты 1,5 млрд звезд. Те и другие измерения настолько тонкие, что при всех достижениях адаптивной оптики их лучше проводить за атмосферой.

Строящийся Экстремально большой телескоп Европейской южной обсерватории

Фото: ESO / L. Calcada

На плечах гигантов

Разумеется, эпоха грандиозных и дорогих орбитальных телескопов не закончилась запуском «Хаббла». Просто новые телескопы едва ли будут оптическими. Космос незаменим для наблюдения в лучах, которые почти или совсем не проходят через земную атмосферу: инфракрасных, ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучах.

Каждый диапазон имеет свою нишу в астрономии. Например, свет самых далеких галактик из-за расширения Вселенной превратился в инфракрасные волны. «Уэбб» идеален для поиска таких объектов, и всего за год работы он уже нашел почти сотню галактик, излучение которых добиралось до Земли более 96% возраста Вселенной. Возможно, их лучи рождены первым во Вселенной поколением звезд, от которых давно не осталось следа. За это же время телескоп определил структуру многих более близких галактик, изучил «родильные дома» звезд и планет в Млечном Пути и открыл свою первую планету. И это лишь первые итоги его работы.

Завершая разговор о больших телескопах, скажем, что не следует забывать и о маленьких. Даже инструментам диаметром 30–50 см находится работа в большой науке, причем не только в космосе, но и на Земле. Такова, например, российская сеть автоматических телескопов МАСТЕР. Она обшаривает небо в поисках всевозможных быстротечных явлений, от вспышек сверхновых до пролетов астероидов. Большие инструменты вроде VLT для такой работы не годятся: у них узкое поле зрения, и их наблюдательное время слишком плотно расписано, чтобы «дежурить по небу». Но если патрульный телескоп обнаруживает нечто особенно интересное, находка пристально изучается крупными инструментами, вплоть до 10-метровых гигантов. Большие и малые, наземные и космические, оптические и любые другие телескопы работают вместе, складывая пазл Вселенной для астрономов и всего человечества.