Глядя на ночное небо, задумывались ли вы когда-нибудь, что там вообще происходит? В ясную ночь, когда темное небо не озарено лунным светом, иногда можно разглядеть дугу Млечного Пути. Подавляющее большинство звезд, видимых невооруженным глазом, принадлежат нашей собственной Галактике. То же самое касается большинства известных науке экзопланет. Как устроены звезды? Может ли существовать жизнь за пределами Земли? Как мы можем об этом узнать?
Высадка космонавтов на Луну в 1969 году - большое достижение всего человечества, которое до сих пор так никто и не смог превзойти. Ни один человек никогда не летал ни на один другой спутник или планету нашей Солнечной системы. Проксима b, наша ближайшая соседняя экзопланета, находится всего в нескольких световых годах от нас, но она всё же слишком далека для космического путешествия при нынешних технологиях, поэтому всё, что нам остается - наблюдать за ней. Остается надеяться, что в далеком будущем туда отправятся первые колонисты. А что происходит за пределами нашей галактики или, как любят говорить в научной фантастике, по ту сторону края? Пока Зефрам Кокрейн («Звёздный путь») не изобретет варп-двигатель, нашим единственным инструментом, который позволяет заглянуть в глубины космоса, остается телескоп.
Что такое телескоп
Телескоп — это устройство, используемое для наблюдения за объектами на больших расстояниях путем фокусировки и улавливания электромагнитного излучения, которое они испускают, поглощают или отражают.
Грубо говоря, астрономы используют телескопы, чтобы увидеть вещи, находящиеся очень далеко от Земли. По мере того как цели становятся меньше или дальше от Земли, тем большей эффективной апертурой должен обладать телескоп для получения чёткого изображения. Однако наша атмосфера не пропускает большую часть электромагнитного спектра, поэтому с поверхности Земли можно наблюдать лишь некоторые диапазоны длин волн: видимый свет, ближний инфракрасный диапазон и часть радиоволн. Следовательно, на данный момент не существует наземных рентгеновских или дальних инфракрасных телескопов: эти крайние области спектра можно наблюдать только с орбиты. Даже если определенная длина волны достигает земной поверхности, наземные телескопы сталкиваются с такими проблемами, как облака, атмосферные искажения и световое загрязнение.
Первоначально телескоп представлял собой оптический инструмент, очень похожий на подзорную трубу, в котором использовались линзы, зеркала или их комбинация. Сегодня термин «телескоп» описывает широкий спектр инструментов, использующих линзы, зеркала и цифровые датчики. Некоторые телескопы находятся на орбите; некоторые имеют форму массивных спутниковых антенн, выстроенных рядами на земле. Другие используют датчики CCD (прибор с зарядовой связью) или CMOS (комплементарный металлооксидный полупроводник), подобные тем, что используются в цифровых камерах, или даже экзотические зеркала в форме колец.
Известные телескопы и длины волн, на которых они работают. Авторы и права: НАСА, ЕКА.
Существуют телескопы, предназначенные для работы практически во всех диапазонах электромагнитного спектра, от радиоволн и инфракрасного излучения до видимого света, ультрафиолета и далее, включая рентгеновские лучи и гамма-излучение.
Как были изобретены телескопы
Все началось с дождя.
Как-нибудь поймайте каплю воды на тыльную сторону ладони и посмотрите, насколько четко вы можете видеть мельчайшие узоры своей кожи. Выпуклая капля дождя может увеличить то, на чем она находится, как и полированный драгоценный камень кабошон; много веков назад гранильщики начали изготавливать увеличительные линзы из изогнутого полированного стекла и самого прозрачного хрусталя. Свет замедляется при прохождении через более плотную среду и отражается от поверхностей под определенными углами. Придание линзе определенной формы позволяло тонко управлять путем света, входящего в нее, концентрируя или рассеивая его, что, в свою очередь, давало контроль над увеличительным фактором линзы. Так зародилась наука об оптике.
В 1609 году, примерно через год после того, как неизвестный ученый предпринял первую попытку запатентовать телескоп, Галилео Галилей спроектировал и собрал свой знаменитый инструмент: рефрактор, состоящий из трубы с установленными в ней увеличительными линзами. С его помощью он устремил свой взгляд в глубины ночного неба. Однако телескопы Галилея страдали от сильной хроматической аберрации, которая возникает, когда изогнутая линза рассеивает свет, как призма. (Геймеры знакома хроматическая RGB-аберрация из таких видеоигр, как Dying Light, GTA V и Ark.)
Изобретение телескопа и его увеличительная способность навсегда изменили астрономию. Телескоп Галилея позволил ему увеличить изображение планет, которые невооруженным глазом выглядели как простые точки света, до ярких дисков, покрытых красочными деталями. В то время как человеческий глаз мог различить лишь светлые лунные равнины и темные моря застывшей базальтовой лавы на Луне, даже самые ранние телескопы позволили Галилею рассмотреть отдельные кратеры на лунной поверхности и обнаружить спутники далекого Юпитера, которые теперь носят его имя. Ночь за ночью он вглядывался в небесные просторы и зарисовывал увиденное.
Различные фазы Луны, набросок карандашом на бумаге. Автор: Галилео Галилей, 1610 г.Спустя шестьдесят лет Исаак Ньютон построил свой собственный, усовершенствованный отражательный телескоп с изогнутым зеркалом, покрытым тонким слоем отражающего серебра вместо линз. Конструкция Ньютона сочетала параболическое главное зеркало для сбора света с плоским вторичным зеркалом, которое направляло полученное изображение в смотровой окуляр, расположенный сбоку трубы телескопа. Хотя новый телескоп Ньютона лучше справлялся с хроматической аберрацией, он все же страдал от сферических аберраций и искажений, вызванных использованием единственного изогнутого зеркала. И на этом уровне технология застыла - до наступления индустриальной эпохи.
Счастливые случайности
Радиоастрономия была открыта благодаря счастливому случаю, когда инженеру лаборатории Bell Telephone поручили найти источники радиопомех в их радиотелефонной службе. Оказалось, что грозы как вблизи, так и вдалеке создают помехи, но после устранения погодных факторов что-то осталось - "тихий шипящий звук", повторяющийся каждые 23 часа 56 минут (почти точно совпадающий с длительностью звездных суток). Проведенное расследование привело астрономов к заключению, что радиоволны исходят из нашей галактики - Млечный Путь. Сигнал был наиболее силен в направлении галактического центра, в созвездии Стрельца, где, как мы теперь знаем, располагается мощный источник радиоизлучения - сверхмассивная черная дыра Стрелец A*.
Успех радиоастрономии, во многом обусловленный изобретением транзистора в 1947 году, подтолкнул ученых к поиску других невидимых источников энергии, таких как инфракрасное излучение. Транзисторы сделали возможным перевод аналоговой картины ночного неба в цифровые данные, поток единиц и нулей. Однако транзисторы и их термоэлектрические "родственники" - термопары, также открыли целую дисциплину инфракрасной астрономии.
Матрица из транзисторов является функциональной единицей CCD, где один транзистор соответствует одному пикселю. Меньшие транзисторы означают меньшие пиксели и более высокое разрешение. Но инженеры заметили, что термобатарея (массив термопар) умеет делать то же самое, создавая размытое, но приемлемое изображение ночного неба, каким оно выглядит в инфракрасном диапазоне. Через двадцать лет после изобретения первого транзистора Нил Армстронг совершил полет на поверхность Луны. Менее чем через 15 лет после этого, 10-месячная орбитальная миссия IRAS (IR Astronomical Satellite) оказалась настолько успешной, что проложила путь для разработки телескопов "Спитцер" и "Хаббл", а также их преемника, космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST).
В настоящее время иммерсионная литография по-прежнему использует увеличительные свойства воды для изготовления деталей, размер которых меньше длины волны света, используемого для их вытравливания. Выгравированные таким образом кремниевые пластины являются неотъемлемой частью самых мощных телескопов цифровой эпохи.
Типы телескопов
Телескопы, улавливающие видимый свет, называются оптическими телескопами, а наука, изучающая их, - оптической астрономией. Однако существует целый электромагнитный спектр, в котором видимый свет, различимый нашими глазами, составляет лишь небольшую часть.
В целом оптические телескопы делятся на три класса: диоптрические, катоптрические и катадиоптрические. Если телескоп Галилея был диоптрическим, работающим на принципе преломления света линзами, то конструкция телескопа Ньютона называется катоптрической, поскольку опирается на зеркала. Современные телескопы, такие как мощный и многофункциональный JWST, иногда используют как линзы, так и зеркала: тип гибридной конструкции, называемый катадиоптрическим. Некоторые даже используют многослойные концентрические зеркала, которые многократно отражают свет, чтобы минимизировать оптические искажения. Складывая световой поток сам на себя, эти передовые телескопы обеспечивают более широкое поле зрения в более коротком корпусе, чем это было бы необходимо в противном случае.
Цифровые телескопы используют матрицу CCD или CMOS — сетку детекторных пикселей, которые срабатывают при обнаружении излучения определенной длины волны. CCD-матрицы изготавливаются из МОП-конденсаторов р-типа (металлооксидных полупроводников). CMOS-сенсоры изготавливаются из полупроводников как p-типа, так и n-типа и часто сочетаются с штыревым фотодиодом и одним транзистором. В обоих случаях используется материал с шириной так называемой "запрещенной зоны", соответствующей фотонам, которые будет детектировать телескоп. CCD-матрицы имеют низкий темновой ток (собственный ток, обнаруживаемый даже при неактивном пикселе) и низкий уровень шума, а длительная экспозиция также позволяет телескопам CCD снимать очень слабые источники. CMOS-сенсоры, по сравнению с ними, могут предложить более точную настройку ширины запрещенной зоны, а следовательно, более тонкое разрешение по частоте, благодаря возможности использования различных полупроводниковых материалов.
Гигантское зеркало космического телескопа Джеймса Уэбба покрыто атомарно тонким слоем золота. Его цифровые массивы датчиков поместились в выступающей центральной части.
Пространственное или угловое разрешение телескопа определяется размером его апертуры, причем большие апертуры обеспечивают более высокое угловое разрешение и, следовательно, способность различать мельчайшие объекты. Апертуры оптических телескопов, которые может использовать отдельный человек, варьируются от нескольких до 30 сантиметров в диаметре. Обсерватории же используют оптические телескопы диаметром от одного до нескольких десятков метров. Главное зеркало телескопа Уэбба имеет диаметр 6,5 метра, а его цифровые инструменты оснащены массивами детекторов с разрешением от 4 до 20 мегапикселей.
Радиотелескопы и микроволновые обсерватории
Радиотелескопы представляют собой направленные антенны, обычно (но не всегда) расположенные прямо на земле. Эти телескопы используют большую тарелку для сбора радиоволн. Тарелки иногда бывают сплошными, как приемники спутникового телевидения, а иногда состоят из проводящей сетки с отверстиями между проводами, размер которых меньше длины наблюдаемой радиоволны.
Знаете ли вы, что удар молнии можно услышать по AM-радио на расстоянии сотен километров?
В отличие от оптических телескопов, радиотелескопы могут проводить наблюдения в течение всего дня. Радиотелескопы также используются для сбора микроволнового излучения, которое может проходить как через облака межзвездного газа и пыли в космосе, так и через более плотные газы, составляющие атмосферу Земли. Микроволновое излучение несет больше энергии, чем радиоволны, но меньше, чем инфракрасное излучение.
Реликтовое микроволновое фоновое излучение, наблюдаемое космическим аппаратом WMAP и спутником Planck.
Повсюду, куда бы вы не глянули, ночное небо заполнено слабым свечением, исходящим из микроволнового диапазона. Это остаточный отпечаток распределения материи во Вселенной после Большого взрыва, когда она впервые стала прозрачной, который ученые называют фоновым космическим микроволновым излучением.
Инфракрасная астрономия
Видимый свет, которому приходится пройти долгий путь, чтобы добраться до наблюдателя, сталкивается с красным смещением, при котором световые волны физически растягиваются из-за расширения самого пространства. При этом часть видимого света смещается в инфракрасную область. Учитывая это и тот факт, что часть света изначально излучается в инфракрасном диапазоне, небо может выглядеть очень по-разному в зависимости от того, смотрите ли вы на него в видимом спектре или в инфракрасном.
Например, вот два снимка одной и той же области звездообразования, известной как Столпы Творения, сделанные космическим телескопом Хаббл. Слева — то, что Хаббл видел в видимом спектре: облачное, неземное, рассеянное. Но справа, в ИК-диапазоне, сквозь туманность видно гораздо больше звезд.
Инфракрасной астрономии предстоит преодолеть ряд проблем. Во-первых, оно незаметно для глаза; люди в основном воспринимают инфракрасное (ИК) излучение как тепло. Человеческий глаз не может уловить эти частоты. Для решения этой задачи астрономы просто переводят значения инфракрасного излучения в видимый спектр, используя цвета, которые мы можем видеть. Это своего рода научный шифр.
Затем идет проблема ослабления сигнала. Хотя часть инфракрасного излучения может пройти через атмосферу Земли, более длинные волны блокируются. Но даже это не самая большая проблема. Самая серьезная проблема в том, что все объекты, имеющие температуру выше абсолютного нуля, излучают инфракрасный свет. Это означает, что атмосфера Земли, наземные телескопы и даже сами инфракрасные детекторы телескопов излучают постоянное сияние в инфракрасном диапазоне. Чтобы устранить источники "паразитного" ИК-излучения, инфракрасная астрономия вынуждена прибегать к серьезным мерам, таким как активное охлаждение на JWST - космическом телескопе, который уже охлажден до 40 кельвинов (-233 градусов Цельсия) и вращается в вакууме космоса при температуре около 3 кельвинов (-270 градусов Цельсия).
Спектры наблюдений космических телескопов «Хаббл» и «Уэбб»
Телескоп JWST, который проводит наблюдения в видимом и инфракрасном (в основном инфракрасном) диапазонах, представляет собой гибрид во многих отношениях: он использует как «аналоговые» оптические зеркала, так и цифровые датчики. Вместо того, чтобы пытаться отлить одно безупречное зеркало диаметром девять метров, НАСА использовало составное зеркало — источник фирменных шестиконечных звезд Уэбба. В дополнение к огромной поверхности сбора данных, JWST имеет на борту спектрометры, в которых используются как CCD-сенсоры, легированные мышьяком, в случае его спектрографа и камеры среднего инфракрасного диапазона (MIRI), так и CMOS-матрица из ртути, кадмия и теллурида для ближнеинфракрасной камеры NIRCam.
Ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы
Большая часть солнечной радиации, попадающей на Землю, находится в ультрафиолетовом диапазоне, невидимом для глаз, но способном вызвать ожоги сетчатки. Телескопы, использующие фокусирующие линзы для улавливания солнечного излучения, буквально играют с огнем. Таким образом, большинству солнечных обсерваторий приходится тщательно выбирать, какой свет пропускать. Некоторые наземные солнечные обсерватории дожидаются момента восхода или захода солнца, используя сам горизонт, чтобы замаскировать часть солнечного света.
Солнце в крайнем ультрафиолетовом диапазоне. Авторы и права: ЕКА И НАСА
Солнечные телескопы, такие как Обсерватория солнечной динамики НАСА (SDO) и Solar Orbiter Европейского космического агентства, наблюдают ультрафиолетовую и рентгеновскую части электромагнитного спектра. Там они следят за солнечными вспышками, выбросами корональной массы и другими солнечными явлениями, играющими важную роль для жизни на Земле.
В основном в этих телескопах используются линзы и цифровые датчики. Обычные зеркальные телескопы не подходят для наблюдения рентгеновских лучей, поскольку рентгеновские лучи, падающие на поверхность зеркала под крутым углом, либо пропускаются, либо поглощаются, но не отражаются. Однако есть обходные пути, такие как научно-фантастический телескоп Вольтера. В телескопах этого типа используются кольцеобразные «скользящие» зеркала из тяжелых металлов, которые могут отражать падающее рентгеновское излучение под очень малыми углами, всего в несколько градусов. Примерами телескопов Вольтера являются рентгеновская обсерватория "Чандра" и рентгеновский телескоп NuSTAR.
Гамма-обсерватории
На самом краю электромагнитного спектра находятся гамма-лучи – опасная и таинственная форма высокоэнергетического излучения, настоящая бунтарка. Гамма-лучи могут делать другие вещества радиоактивными, и зачастую самыми яркими источниками гамма-излучения являются объекты с высочайшей энергией, известные науке, – такие "дружелюбные" объекты, как квазары, пульсары, черные дыры, активные галактические ядра и гамма-всплески (GRB).
Может показаться удивительным, но астрономы могут использовать наземную астрономию для обнаружения гамма-лучей самой высокой энергии. При таких измерениях телескопы не улавливают гамма-лучи напрямую. Вместо этого они используют саму атмосферу в качестве детектора, поскольку атомы кислорода и других газов светятся, когда их поражает гамма-луч. Именно с помощью такого детектора был обнаружен первый гамма-всплеск. Тем не менее космические телескопы превосходно подходят для наблюдений в гамма-диапазоне; например, космический телескоп "Ферми" – это гамма-обсерватория, запущенная в 2008 году.
Телескопические технологии следующего поколения
Поскольку в современных телескопах часто используются полупроводниковые технологии, из этого следует, что транзисторы меньшего размера могут привести к лучшему разрешению. Это хорошая новость для астрономии – в определенном смысле. То же самое касается и зеркал. Когда дело доходит до следующего важного события в технологии телескопов, чем больше, тем лучше: зеркала большего размера, апертуры большего размера, решетки большего размера. Однако самые большие телескопы настоящего и будущего могут вовсе не быть отдельными телескопами. Некоторые перспективные конструкции телескопов расширяют понятие "телескоп" до его предела. Одна из таких конструкций, которую мы оставили напоследок, фактически превращает телескопы в объекты, измеряемые объёмом, а не просто двумерным размером апертуры.
Интерферометрия
В некоторых перспективных проектах используется целый ряд телескопов, которые объединили усилия для создания одного невероятно детального изображения; этот подход называется интерферометрией или апертурным синтезом. (LIGO — это детектор гравитационных волн, который выполняет интерферометрию с использованием лазеров, а не телескопов.) Синхронизация сигналов нескольких телескопов во времени, обеспечивает стереоскопическое зрение, используя параллакс и конечную скорость света, – процесс, называемый интерферометрией со сверхдлинной базовой линией или РСДБ.
Корреляция сигналов от целой группы телескопов имеет два важных преимущества. Качество изображения лучше, но это практически неизбежно при обосновании нового проекта по созданию телескопа. Где РСДБ действительно выделяется, так это в размере апертуры. Массивы РСДБ могут искать объекты неба, невидимые большинством других способов. В случае с решетками из нескольких удаленных телескопов эффективная апертура этих решеток равна расстоянию между телескопами. Эффективный размер апертуры крупнейшего массива во много раз превышает диаметр Земли, что достигается с помощью космических телескопов, таких как японский спутник HALCA (Высокочувствительная лаборатория связи и астрономии) и VSOP (Программа космической обсерватории РСДБ).
Светлая сторона полной Луны в оттенках серого
Телескопы с жидким зеркалом
Создать идеальные зеркала, которые превзошли бы космические телескопы, подобные Хабблу и JWST, и при этом уместились в отсеке ракеты-носителя, - задача непростая. И чем больше зеркало, тем труднее сохранить его целостность и предотвратить повреждения при изготовлении, транспортировке и выведении на орбиту. Одним из решений этой проблемы является зеркальный телескоп с жидкой оптикой, использующий вращающуюся чашу с жидким металлом, самостоятельно формирующим параболическую отражающую поверхность - без необходимости шлифовки зеркала. Элегантно, не правда ли? Такие телескопы уже существуют на Земле, например, 3-метровый зеркальный телескоп с жидкой оптикой НАСА возле Аламогордо и второй, шириной более 6 метров, в Канаде.
Существует амбициозная идея разместить зеркальный телескоп с жидкой оптикой на Луне - а именно, внутри кратера, стенки которого будут экранировать телескоп от нежелательного освещения. Жидкие зеркала обладают способностью к самовосстановлению, чего не могут линзы и зеркала из твердых материалов. Один из планов предполагает использование низкотемпературной ионной жидкости в качестве оптического элемента вместо жидкой ртути или галлия. Реализация этого плана сопряжена с определенными трудностями, такими как необходимость длительного международного сотрудничества для доставки телескопа на Луну, его строительства, а затем обслуживания и эксплуатации. Однако на Луне холодно, что будет явным преимуществом для инфракрасной астрономии.
И все же, кто бы мог подумать, что через 400 лет после появления первого телескопа Галилея мы будем говорить о том, чтобы вылить самовосстанавливающийся телескоп на поверхность Луны?
