Большие глаза Земли

Конец прошлого года по уже сложившейся традиции ознаменовался подведением научных итогов. Различные издания проводили опросы среди экспертов или просто любителей науки, чтобы узнать, какие достижения минувшего года им представляются наиболее важными. Экспертов журнала Science единодушно отдали второе место в своем списке фотографиям экстрасолнечной планеты, полученным группой американского астронома Пола Каласа (Paul Kalas). Эти снимки были сделаны при помощи знаменитого орбитального телескопа «Хаббл», и в данном случае астрономы впервые избавлены от сомнений: сфотографирована именно экзопланета. На наземных телескопах также удалось получить три снимка, на которых, судя по всему, оказались запечатленными экзопланеты. Их солнце — звезда из созвездия Пегас — находится на расстоянии 130 световых лет от Земли. Размеры планет (если это на самом деле планеты) превышают диаметр Юпитера, а размеры их орбит лежат в интервале от 24 до 119 астрономических единиц (астрономическая единица равна среднему расстоянию от Земли до Солнца). Заметим также, что в начале апреля Мишель Майор (Michel Mayor) из Женевской обсерватории (Observatoire de Genève) заявил об открытии им в звездной системе Gliese 581 планеты с массой, всего в два раза превышающей массу Земли.

Если его открытие подтвердится, то сбудется давняя мечта астрономов найти планеты, похожие на Землю — и по размеру, и по близости к центру соответствующей планетной системы. Однако чтобы их увидеть, требуется, судя по всему, существенно большее разрешение, чем у действующих телескопов. Нужных характеристик нет даже у находящегося на Канарских островах Большого Канарского Телескопа (Great Canarian Telescope) — самого большого из современных телескопов, с диаметром зеркала 10,4 м. Надежды астрономов связаны со строящимися в настоящее время тремя гигантскими телескопами, которые, как предполагается, смогут решить поставленную задачу. Это Гигантский Магелланов Телескоп (Giant Magellan Telescope), Тридцатиметровый телескоп (Thirty Meters Telescope) и Европейский Исключительно Большой Телескоп (European Extremely Large Telescope).

Место, где будет установлен Тридцатиметровый телескоп, пока не выбрано. Это вопрос будет решаться летом 2009 года. Но как телескоп будет выглядеть, уже более или менее ясно. Иллюстрация: TMT Observatory Corporation

У Гигантского Магелланова Телескопа диаметр главного зеркала (состоящего из семи сегментов) составит 24,5 м (размером каждого сегмента 8,4 м). Соответственно поперечное сечение светового пучка составит 400 кв.м. Расположен будет Гигантский Магелланов Телескоп в чилийском местечке Лас-Кампанас и дополнит уже имеющиеся там телескопы — 6,5-метровые близнецы «Вальтер Баде» (Walter Baade) и «Лэндон Клей» (Landon Clay). Пока близится к завершению изготовление первого сегмента зеркала; ожидается, что научная эксплуатация телескопа станет возможной к 2016 году.

Несколько большим будет диаметр главного зеркала Тридцатиметрового телескопа — 30 м. Зеркало будет составлено из 492 примерно полутораметровых сегментов, а поперечное сечение пучка составит 600 кв.м. Место размещения Тридцатиметрового телескопа ещё не выбрано, в качестве же возможных вариантов рассматриваются несколько площадок в Чили, на Гавайях и в Мексике. Но уже к середине 2010 года в выбранном месте должны начаться сборочные работы, а в 2018-м — начаться наблюдения.

Зеркало Гигантского Магелланова Телескопа состоит из семи 8-метровых компонентов. Расположить их так, чтобы обеспечить сферичность общей огибающей, — задача непростая, требующая тонкой настройки. Однако возможность управлять каждым зеркалом отдельно дает и свои преимущества. Иллюстрация: Giant Magellan Telescope - Carnegie Observatories/Todd Mason

И наконец самыми большими будут размеры зеркала Европейского Исключительно Большого Телескопа. Составленное из 906 сегментов (каждый размером в 1,45 м), его главное зеркало будет иметь диаметр 42 м, а площадь поперечного сечения пучка будет достигать 1200 кв.м. Среди вариантов размещения — Канарские острова и Чили, а начало научной эксплуатации также планируется на 2018 год.

Рефлекторы против рефракторов

По традиции, восходящей как минимум к Евклиду (Euclides, IV век до н.э.), а может, имевшей и более ранний источник, распространением света в прозрачных средах и отражением его от поверхностей непрозрачных тел занимались две разные науки — оптика и катоптрика. Евклиду принадлежит авторство двух трактатов, по одному на каждую из этих наук. На протяжении Средних веков и эпохи Возрождения эти две науки развивались почти независимо, а их слияние случилось только в самом конце Научной революции XVII века, на заре Нового времени. К этому времени каждая из этих наук могла похвастаться своим телескопом: в одном свет только преломлялся, и соответственно его стали называть рефрактором (от латинского refringo, refregi, refractum — расщепляю, преломляю), в другом — отражался, и его стали называть рефлектором (от латинского reflecto, reflexi, reflexum — возвращаю, отражаю).

По сугубо историческим причинам первым телескопом, направленным человеком в небо, был рефрактор. Заметим, что 400-летие этого события человечество отмечает в этом году в рамках Международного года астрономии. Телескоп-рефлектор был изобретен Исааком Ньютоном (Isaac Newton, 1643–1727) шестьюдесятью года позже — в 1669 году. Благодаря этому изобретатель обеспечил себе место в Лондонском Королевском Обществе. Изобретение это также стало следствием определенной случайности. Изучая разложение белого света треугольной призмой, Ньютон понял, что причина этого явления в различии коэффициентов преломления для разных цветов. Иными словами, Ньютон обнаружил явление дисперсии света и решил, что всякая призма должна разлагать белый свет на лучи различного цвета. А значит, и всякая линза должна делать то же. Из-за этого вокруг изображения в телескопе-рефракторе с неизбежностью должен появляться радужный ореол.

Обсерватория Грифит-парка стала одной из первых публичных обсерваторий. За время ее существования (с 1935 года) более семи миллионов любителей астрономии посмотрели в окуляр ее 12-дюймового телескопа-рефрактора. Фото (Creative Commons license): bredgur

Зеркало свободно от этого недостатка. Угол падения равен углу отражения независимо от длины волны. Правда, в отличие от рефрактора, обходящегося только линзами, рефлектор не может обойтись только зеркалами, а в рефлекторе Ньютона кроме собирающей линзы была ещё и поворачивающая луч под прямым углом призма. Тем не менее качество изображения оказалось намного лучше, чем у всех известных в то время рефракторов.

Существенные усовершенствования в ньютоновскую модель зеркального телескопа внес наш соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов (1711?–1765), изготовивший с 1761 по 1765 год несколько зеркальных телескопов собственной конструкции. А немного позже именно с помощью телескопа-рефлектора английский астроном Уильям Гершель (Sir William Herschel, 1738–1822) открыл планету Уран — седьмую по счету планету Солнечной системы.

Как оказалось впоследствии, «врожденный порок» линз совсем не так неизлечим, как думал Ньютон. И все же на протяжении столетий преимущества телескопов-рефлекторов перед рефракторами оставались неоспоримыми. Во-первых, зеркала проще делать. Даже если брать для рефрактора плоско-выпуклые линзы, у которых достаточно отполировать только одну поверхность, как и у зеркал, остается проблема однородности стекла. Как оказалось, добиться объемной однородности материала линзы гораздо труднее, чем сделать идеально сферическую поверхность.

Европейский Исключительно Большой Телескоп E-ELT будет действительно очень большим. Для сравнения на этом рисунке показан аэробус А-340 длиной в 59 м и рассчитанный на 260 пассажиров. Иллюстрация (Creative Commons license): ESO

Во-вторых, диапазон, в котором металлическое зеркало отражает свет, гораздо шире, чем «окно прозрачности» у используемого для изготовления линз стекла. А при увеличении диаметра линз начинает проявляться и то обстоятельство, что линзы в телескопе закреплены по краям и действие сил гравитации может вызвать весьма значительное смещение центральной части. Зеркало же в рефракторе можно зафиксировать не только по краям, и оно в существенно меньшей степени подвержено действию сил тяготения. Во многом именно по этой причине размер линзы в телескопе-рефракторе не превышает одного метра, в то время как размер зеркала в телескопе-рефракторе уже сейчас перешагнул рубеж в 10 м.

Погоня за тенью

Апертура телескопа (то есть поперечный диаметр принимаемого светового потока) имеет принципиальное значение в двух отношениях. Во-первых, от нее зависит разрешающая способность телескопа — минимальное угловое расстояние между двумя космическими объектами, при котором телескоп ещё способен изобразить их как два разных. А во-вторых, один из этих двух объектов может оказаться намного слабее другого. Так, например, было в уже упоминавшемся случае снимка Пола Каласа — изображение планеты было в миллиард раз слабее изображения самой звезды, и детектор мог бы её просто «не заметить».

Предполагается, что строящиеся гигантские телескопы смогут собирать достаточное количество световой энергии от экстрасолнечных планет, а в этом случае астрономы смогут не просто их обнаружить, но также изучать химический состав их атмосфер с помощью спектроскопических методов исследования. Маркус Кисслер-Патиг (Markus Kissler-Patig), один из разработчиков Европейского Исключительно Большого Телескопа и сотрудник Европейской организации астрономических исследований в Южном полушарии (European Organization in the Southern Hemisphere, ESO) в немецком Гархинге, пишет в журнале New Scientist:

Имеются ли в обитаемой зоне близлежащих звезд планеты, похожие по своим параметрам на Землю? Мы рассчитываем найти на этот вопрос определенный ответ — положительный либо отрицательный.

Астрономы рассчитывают также, что супертелескопы помогут исследовать сверхмассивные черные дыры в центре галактик — поскольку станет доступной информация о скоростях движения звезд в окрестности подобных черных дыр. По словам Джерри Нельсона (Jerry Nelson) из Калифорнийского университета в Санта-Крусе (University of California at Santa Cruz), Тридцатиметровый телескоп даст возможность исследовать несколько черных дыр в центре ближайших галактик. Существующие телескопы обеспечивают возможность подобных измерений только лишь в отношении черной дыры в центре Млечного Пути.

Самым большим из очень больших телескопов будет Исключительно Большой Телескоп E-ELT. Его зеркало будет сделано из 906 мелких сегментов, что позволит компенсировать дрожание атмосферы. Однако для этого положение каждого из них должно регулироваться с точностью до нанометра. Технологию в настоящее время отрабатывают в оптической лаборатории Европейской организации астрономических исследований в Южном полушарии в Гархинге под Мюнхеном. Фото (Creative Commons license): ESO/H.H.Heyer

Центральный вопрос при сооружении телескопа-рефлектора — технология изготовления зеркал. Располагая цельным куском стекла, мы можем (покрывая стекло тонким слоем алюминия) изготовить зеркало с максимальным размером примерно в восемь метров. В случае же зеркала бóльшего размера и массы невозможно быть уверенным, что во всех его точках поддерживается одна и та же температура; кроме того, массивным зеркалом крайне трудно управлять. Если же разные части зеркала будут иметь разную температуру, то качество изображения сильно пострадает. По этой причине в случае очень большого зеркального телескопа главное зеркало необходимо делать составным — из зеркал меньшего размера.

Так, например, в случае Большого Магелланова Телескопа таких зеркал будет семь, и каждое из них будет изготовлено из специального стекла с ячеистой структурой. Такая конструкция позволит снизить общий вес зеркала, одновременно повышая его прочность. В ячейки предполагается закачивать воздух строго определенной температуры, в результате чего зеркало перейдет в состояние теплового равновесия всего лишь за 20 мин. Такие параметры выглядят вполне приличными — особенно если учесть, что телескопу Обсерватории Маунт-Вильсон со 100-дюймовым зеркалом (около 2,5 м) в Калифорнии требуется целая ночь для установления одинаковой температуры по всей поверхности его главного зеркала.

Главные зеркала Тридцатиметрового телескопа и Европейского Исключительно Большого телескопа предполагается составить из существенно меньших, чем на Магеллановом телескопе, сегментов. В качестве аналога рассматриваются телескопы Кека (Keck telescope), размещенные в Мауна-Кеа (Mauna Kea) на Гавайях. Вариант с сегментами небольшого размера обладает несомненными преимуществами, одно из которых — принципиальная возможность изготовления. Однако при перемещении телескопа станет достаточно сложно контролировать расположение каждого из сегментов. По этой причине неотъемлемой частью телескопа станет система сенсоров, которые должны фиксировать любое взаимное перемещение сегментов.

Пространственная ориентация сегментов должна постоянно контролироваться — с тем, чтобы с точностью до нескольких нанометров поддерживать постоянным радиус кривизны главного зеркала. Однако вся эта система позволяет получить ещё одно очень важное преимущество — с её помощью можно устранять искажения, возникающие при прохождении светового пучка через земную атмосферу. Эти искажения связаны с разным уровнем нагретости разных атмосферных слоев и, соответственно, различием у этих слоев показателей преломления.

Вид сверху

Необходимости компенсировать колебания атмосферы не возникает, если телескоп со своим зеркалом отправляется на орбиту. Преимущества такого решения уже хорошо известны, но есть и недостатки: технологическая возможность разместить на орбите хотя бы 8-метровый телескоп представится не скоро. А ожидаемое разрешение трех «больших» телескопов на порядок превосходит максимальное разрешение, получаемое «Хабблом». И все же в полку орбитальных обсерваторий также скоро будет прибавление.

На 14 мая запланирован одновременный запуск двух космических телескопов, с помощью которых Вселенная будет исследоваться в микроволновом и инфракрасном диапазонах электромагнитного спектра. Европейский носитель «Ариан-V» (Ariane 5), стартовав с космодрома Европейского космического агентства во французской Гвиане, доставит на орбиту телескопы «Планк» (Planck) с апертурой 1,5 м и «Гершель» (Herschel) с самым большим в истории орбитальным рефлектором. Диаметр главного зеркала рефлектора на «Гершеле» равен 3,5 м.

Задачи двух телескопов сильно разнятся. «Планк» сосредоточится на детальном исследовании реликтового излучения, чтобы как можно ближе подойти к моменту Большого взрыва. А «Гершель» должен исследовать химический состав планетных систем в других галактиках. Орбита, на которой будет находиться «Гершель», весьма удалена от Земли: расстояние до нее вчетверо превышает расстояние от Земли до Луны. На этой орбите телескоп естественным образом остынет до 80 К, вследствие чего его собственное тепловое излучение будет крайне незначительным. Но детекторы придется охладить ещё больше — до 2 К, для чего орбитальный телескоп захватит немало жидкого гелия — 220 л. Предполагается, что этого ему хватит на три года активных наблюдений.

Орбитальная обсерватория «Планк» вместе с «Гершелем» отправится на орбиту 14 мая, если только запуск не будет в очередной раз отложен. Пока с поверхности аппарата в буквальном смысле слова сдувают последние пылинки: облучаемые ультрафиолетом, они начинают флуоресцировать и становятся более заметными. Фото: ESA

С помощью «Гершеля» люди смогут получить весьма важную информацию и в отношении близких галактик, в первую очередь о том, как именно в этих галактиках распределены облака газа и пыли. Формирующиеся внутри этих облаков звезды и планеты слишком холодны для того, чтобы излучать достаточное количество видимого света; по этой причине только инфракрасное их изображение даст нам возможность увидеть процесс такого формирования в динамике. Астрономы рассчитывают «увидеть» и гравитационный коллапс пылевых облаков, и ранние стадии процесса рождения звезд… А это, несомненно, поставит перед ними новые вопросы — точно так же, как поставили их четыреста лет назад астрономические открытия Галилео Галилея (Galileo Galilei, 1564–1642).