Астрономы и атмосфера Земли - естественные враги. Наблюдатели за звездами хотят получать четкие и ясные изображения своих небесных целей, тогда как ветры и облака рассеивают и блокируют звездный свет таким образом, что могут затопить даже самые тщательные измерения. За исключением небольшого неудобства, связанного с отсутствием воздуха для дыхания, многие исследователи могли бы предпочесть, чтобы на нашей планете вообще не было атмосферы - по крайней мере, во время их желанных ночей наблюдений на телескопах мирового класса. Космический телескоп Хаббл и другие гигантские обсерватории за пределами мира могут подняться над атмосферными усложнениями, но с затратами, которые, из-за отсутствия лучшего слова, астрономические.
Теперь новое препринтное исследование показывает, что атмосфера Земли, которая не является бичом, может стать благом астрономии, способствуя усилению звездного света способами, уменьшающими потребность в огромных (и чрезвычайно дорогих) телескопах на земле и в космосе. Астрономам крайне необходимы такие подходы, позволяющие экономить деньги и повышающие производительность, поскольку стоимость строительства новых современных обсерваторий взлетает до неприемлемого уровня.
Наиболее очевидные способы сделать новые открытия - это заглянуть глубже в небеса или найти более слабые объекты, которые требуют создания еще больших зеркал, чтобы собрать как можно больше звездного света. Но эта стратегия быстро становится непомерно дорогой, так как исследователи стремятся к лучшему, большему оборудованию: строящийся в Чили почти 25-метровый гигантский телескоп Магеллана, как ожидается, будет стоить около 1 миллиарда долларов, а 6,5-метровый космический телескоп Джеймса Вебба в настоящее время готовится к запуск в 2021 году стоил всего 10 миллиардов долларов.
Астроном Колумбийского университета Дэвид Киппинг, автор статьи, которая будет опубликована в « Публикациях Астрономического общества Тихого океана» , говорит, что его концепция может привести к созданию «терраскопа», который на расстоянии всего одного метра может собирать столько света, сколько 150-метровое зеркало. «Потенциал этого огромен», - говорит Киппинг. «Вы можете обнаружить горные цепи на экзопланетах. Вы можете обнаружить самые слабые источники [света] во вселенной ». Терраскоп, предположил Киппинг, может даже показать признаки жизни или даже интеллект за пределами нашей солнечной системы.
Ключом ко всему этому будет атмосферное преломление, то есть то, как свет изгибается при входе в атмосферу Земли из космоса - явление, которое вы, возможно, знаете лучше всего как причина красочных закатов нашей планеты. В определенных ситуациях рефракция может фокусировать огромное количество света на небольшой площади, устраняя необходимость в гигантской структуре, чтобы уловить все это. В частности, свет от отдаленных источников может преломляться через верхние слои атмосферы, образуя конус вокруг Земли, излучая лучи, которые собираются вместе в точке, немного ближе луны, а затем распространяются наружу по прямой линии.
Наблюдатель на этой линии видел бы удаленный источник света непосредственно за Землей как яркое кольцо, усиленное примерно в 22 500 раз больше, чем если бы наша планета не была там, чтобы преломлять, оценивает Киппинг. «Это огромное усиление никогда не будет достигнуто изготовленным телескопом», - говорит Жан Шнайдер, физик из Парижской обсерватории. С сегодняшней технологией было бы легко построить, запустить и эксплуатировать однометровый терраскоп в точке орбитальной стабильности, немного дальше Луны. Шнайдер говорит, что единственным препятствием является финансирование.
Киппинг не первый, кто поднял эту идею: так называемое атмосферное линзирование обсуждается как минимум с 1979 года . «В некотором смысле, идея всегда была с нами», - говорит он. «Суть моей статьи была в том, чтобы подчеркнуть эту захватывающую возможность, которая может заслуживать дальнейшего внимания».
« В то время как есть много деталей , чтобы работать вне, это пример инновационного мышления , которое может привести к научным прорывам на бюджете , где принимая риск имеет смысл,» говорит Мартин Элвис, астрофизик из Гарвардского университета , который утверждал , новые идеи обуздать неконтролируемые расходы на самые современные телескопы.
Терпоскоп может быть больше, чем просто телескоп, говорит Киппинг. Если использовать передатчик, а не детектор, процесс усиления сигнала меняется на противоположный: волны света движутся к Земле, преломляются в верхних слоях атмосферы и перефокусируются на другой стороне. Результатом является узкий луч, который может отправлять сообщения на другие планеты. Поскольку другие планеты в нашей солнечной системе также имеют преломляющую свет атмосферу, говорит Киппинг, «у вас может быть межпланетная сеть связи - Интернет через солнечную систему».
Есть подводные камни. Например, расчеты Кипинга очень предварительные; они опираются на упрощенные атмосферные модели, которые не в полной мере учитывают реальные переменные, такие как высокогорные облака. Таким образом, производительность терраскопа может не соответствовать оценкам, предложенным в его статье. А поскольку атмосферная рефракция будет только усиливать свет объектов, точно выровненных так, чтобы находиться непосредственно за Землей, как это видно с помощью терраскопа, одно устройство будет способно отображать только небольшую часть неба. Запуск нескольких детекторов уменьшит эту проблему, но, заметив, что это может также противодействовать экономии средств, что делает идею столь привлекательной.
Некоторые из трудностей серьезны. Слава Турышев из Лаборатории реактивного движения НАСА говорит, что оценки Кипинга для построения четкого изображения чрезмерно оптимистичны. Главной заботой Турышева является то, как нежелательный свет от Земли, Солнца, Луны и даже окрестностей далекой цели может мешать съемке. Он говорит, что предотвращение такого «шума» от затенения любого «сигнала», получаемого или передаваемого терраскопом, «очень трудно, если не невозможно». Еще одним осложнением является сама природа преломления: степень, в которой свет преломляется в атмосфере Земли. является функцией длины волны или цвета света, которая может легко привести к зашифрованному изображению.
Киппинг согласен с тем, что по крайней мере предстоит проделать большую работу. «Подобные вопросы, я надеюсь, могут быть продолжены в будущем», - говорит он. Но потенциал терраскопа может быть слишком хорошим, чтобы его игнорировать: «Идея космического телескопа класса 100 метров или даже больше этого действительно впечатляет», - говорит он.
