Вглядываясь в небо: достижения и будущее наземных оптических телескопов

Со времён Галилея известно, что чем больше телескоп, тем он лучше и тем дальше позволяет заглянуть. Однако не всё сводится к размеру. Телескоп Галилея, называемый рефрактором, был далёк от совершенства. Учёный использовал собирающую линзу в качестве объектива и рассеивающую — в качестве окуляра. С такой схемой можно получить нормальное изображение объекта, но с малым полем зрения и низкой чёткостью. Разумеется, почти сразу появились усовершенствования. Иоганн Кеплер, друг Галилея по переписке, заменил рассеивающую линзу в окуляре на собирающую: изображение при этом перевернулось, зато удалось увеличить фокус и внести внутрь телескопа измерительную шкалу.В дальнейшем стало ясно, что у рефракторов есть физические ограничения по чёткости изображения, поэтому появились рефлекторы — телескопы, где светособирающим элементом служит зеркало. Схемы с системами отражающих и фокусирующих зеркал сложнее, но именно они дают наиболее чёткое и достоверное изображение отдалённых объектов, так что со временем рефлекторы вытеснили «прямолинейные» рефракторы в область любительской астрономии для начинающих. Самый большой рефрактор в истории — с диаметром объектива 1,25 метра и фокусным расстоянием 57 метров — был создан специально для Всемирной выставки в Париже 1900 года, а после её окончания разобран. На нём даже удалось провести несколько наблюдений, которые, правда, не имели большой ценности с научной точки зрения. Историки утверждают, что этот рекордный рефрактор, несмотря на его размеры, нельзя было применять по назначению из-за высокой загрязнённости атмосферы над Парижем.Итак, к ХХ веку оптическая астрономия более или менее определилась в предпочтениях: ей пришлись по вкусу большие рефлекторы, возведённые в отдалённых от цивилизации районах, где воздух относительно прозрачен.

Телескоп «Субару» снаружи / Denys (fr) / [CC BY 3.0]Сейчас самым крупным рефлектором классического типа считается телескоп «Субару», построенный японскими учёными в обсерватории Мауна-Кеа на одноимённом вулкане острова Гавайи. Этот телескоп работает с января 1999 года, и его зеркало диаметром 8,2 метра — самое большое монолитное зеркало в мире. Интересно, что «Субару» — один из немногих современных профессиональных телескопов, которые можно использовать для прямых наблюдений. Дело в том, что с развитием технологий: сначала фотографических, а затем компьютерных — исчезла нужда непосредственно приникать к окуляру и разглядывать космические объекты. Астрономы изучают Вселенную по снимкам, спектрограммам, распечаткам, электронным таблицам, диаграммам и графикам, что оказалось намного более эффективным. Создатели «Субару» сделали возможность прямого наблюдения «фишкой» своего телескопа. В сентябре 1999 года была организована торжественная церемония его введения в строй, на которой Её Императорское Высочество принцесса Японии Нори но мия Саяко посмотрела на звёздное небо в специально сконструированный для этого окуляр. Затем окуляр некоторое время использовался в рекламных целях, а позднее его заменили на более современный инструмент.В зависимости от решаемых задач для «Субару» создают специфическое оборудование — камеры и спектрографы, которые устанавливаются в одной из четырёх фокусных точек телескопа, чтобы вести наблюдения в видимом и инфракрасном диапазонах. Например, 900-мегапиксельная сверхширокоугольная камера (Hyper Suprime-Cam, HSC) в «Субару» регистрирует события микролинзирования, что позволяет составлять карты распределения тёмной материи.В японской обсерватории ведётся и другое интригующее исследование — поиск девятой планеты. Долгое время ей считался далёкий Плутон, но в августе 2006 года Международный астрономический союз лишил его этого статуса, переведя в категорию карликовых планет в связи с открытием сопоставимых по размеру транснептуновых объектов. Однако изучение аномалий в их движении по орбитам показало: есть вероятность, что на расстоянии около 460 а. е. от Солнца всё же прячется полноценная девятая планета — по массе как минимум в пять раз тяжелее Земли. Возможно, она образовалась из ядра массивного гиганта, выброшенного на границу Солнечной системы гравитационным воздействием Юпитера. Рассматривается также гипотеза, что там находится планета-изгой, то есть межзвёздный странник, случайно захваченный притяжением Солнца. Так или иначе, поиски продолжаются. Координируют их американские астрономы Майкл Браун и Константин Батыгин, и рефлектор «Субару» играет в миссии главную роль благодаря очень широкому полю зрения. Ожидается, что с его помощью девятую планету найдут в ближайшие пять лет. Или не найдут, и тогда аномалиям в орбитах транснептуновых объектов придётся придумывать другое объяснение.

Наблюдения группой

Главное зеркало телескопа «Субару» / Daigo Tomono / [CC BY-SA 2.0]На момент, когда «Субару» посетила японская принцесса, он считался самым крупным классическим рефлектором, но его уже нельзя было назвать самым дальнозорким. В мае 1998 года в пустыне Атакама (Чили) ввели в строй первый из четырёх главных оптических инструментов так называемого Очень большого телескопа (Very Large Telescope, VLT), принадлежащего Европейской южной обсерватории (European Southern Observatory, ESO). До 2001 года специалистам удалось запустить ещё три таких же инструмента, построенных рядом друг с другом. Они представляют собой большие рефлекторы с диаметром главного зеркала 8,2 метра, способные объединяться в астрономический интерферометр, который на порядок повышает наблюдательные возможности телескопа. Все они получили персональные имена на языке местной группы племён мапуче: Анту (Antu, UT1), Куйен (Kueyen, UT2), Мелипал (Melipal, UT3) и Йепун (Yepun, UT4) — в честь Солнца, Луны, созвездия Южный Крест и Венеры соответственно.Каждый из рефлекторов в 4 миллиарда раз превосходит по возможностям человеческий глаз. Эти телескопы часто используются при отдельных наблюдениях, однако создавались они всё же для совместной работы: в режиме интерферометра свет отражается от зеркал и направляется через туннели в центральную лабораторию, где лучи объединяются и формируют более чёткую картинку. VLT до сих пор остаётся самым крупным наземным оптическим инструментом; он дает более чёткие и крупные изображения, чем знаменитый орбитальный «Хаббл». Понятно, что такой телескоп не простаивает. Каждый из рефлекторов оснащён большим набором инструментов, позволяющих проводить наблюдения в диапазоне от ближнего ультрафиолетового до среднего инфракрасного с полным набором методов, включая спектроскопию высокого разрешения, многообъектную спектроскопию и визуализацию высокого разрешения.

Один из четырёх вспомогательных телескопов VLT / ESO / B. Tafreshi / [CC BY 4.0]

Поскольку VLT превосходит «Хаббл», он часто берёт на себя его функции. Например, ведёт наблюдения за дальними планетами Солнечной системы, ищет экзопланеты и протопланетные диски у других звёзд, снимает их спектры, изучает внегалактические объекты и т. п. Также он умеет делать то, на что «Хаббл» принципиально не способен. В частности, с помощью VLT физики в течение 26 лет отслеживали движение звезды, проходящей через экстремальное гравитационное поле вблизи сверхмассивной чёрной дыры, и в очередной раз сумели доказать, что общая теория относительности Эйнштейна одинаково верна в любой точке Вселенной.Ещё одно фундаментальное открытие, сделанное благодаря VLT, — обнаружение молекул монооксида углерода в галактике, расположенной в 11 миллиардах световых лет от нас, что позволяет вычислить среднюю температуру среды. Поскольку изучение отдалённых космических объектов сравнимо с путешествием в прошлое на астрономической машине времени, определение космической температуры в той области позволило проверить существующие космологические теории. По словам авторов исследования, учитывая текущую температуру Вселенной 2,7 К, можно было ожидать, что 11 миллиардов лет назад температура составляла около 9,3 К. Наблюдения с VLT дали значение 9,15 К (±0,7 К), что отлично согласуется с теорией.

Самый большой бинокль

Другим рекордсменом среди наземных телескопов называют Большой бинокулярный телескоп (The Large Binocular Telescope, LBT), построенный в рамках международного проекта на горе Грейам в юго-восточной части штата Аризона. LBT начал работу в октябре 2005 года и запечатлел спиральную галактику NGC 891 в созвездии Андромеды, находящуюся от нас на расстоянии около 30 миллионов световых лет. По разрешающей способности LBT эквивалентен телескопу с зеркалом 11,8 метра — то есть он уступает Очень большому телескопу, но имеет очевидное преимущество: с его помощью можно получать бинокулярное изображение объектов или регистрировать аналогичный объём информации за намного меньшее количество времени, используя параллельно разные фильтры.LBT тоже превосходит по возможностям «Хаббл» и сейчас ведёт наблюдения далёких галактик и их скоплений, передавая всё более чёткие изображения с большой детализацией. В 2007 году LBT обнаружил послесвечение гамма-всплеска GRB 070125 на расстоянии 9,5 миллиарда световых лет от нас. Событие уникально тем, что оно зарегистрировано в межгалактическом пространстве, а это противоречит распространённому среди учёных мнению, будто такие всплески могут происходить только внутри больших звёздных скоплений, где вспыхивают гиперновые звёзды. Теперь астрономы полагают, что есть и исключения — массивный зародыш гиперновой мог сформироваться под гравитационным воздействием двух галактик, находившихся поблизости друг от друга.LBT способен видеть не только очень большие и далёкие объекты, но и космические аппараты, путешествующие по Солнечной системе. Например, в сентябре 2017 года телескоп с расстояния 12 миллионов километров отслеживал движение американской исследовательской станции OSIRIS-REx, запущенной для того, чтобы доставить на Землю образцы породы с поверхности околоземного астероида (101955) Бенну.

Примерно так будет выглядеть Чрезвычайно большой телескоп после окончания строительства / Swinburne Astronomy Productions / ESO / [CC BY 4.0]Хотя передовые обсерватории обычно располагаются в пустынной местности и на большой высоте относительно уровня моря, где атмосфера разрежена и прозрачна, природные условия Земли всё равно могут искажать получаемые изображения: воздух над зеркалами дрожит, а температура самих зеркал меняется в зависимости от времени суток, что чревато деформацией. Поэтому с 1980-х годов при создании таких телескопов применяют технологии активной и адаптивной оптики.Чтобы тонкое зеркало большого диаметра всегда сохраняло форму и не зависело от переменчивых внешних факторов, используется активная оптика. К его обратной стороне присоединяют массив актуаторов — устройств, которые под управлением компьютера воздействуют с различной силой на разные участки зеркала, компенсируя возникающие деформации. Кроме того, зеркало телескопа можно делать не монолитным, а собирать из сегментов, что упрощает систему актуаторов и её действие.Адаптивная оптика призвана устранить искажения, вносимые атмосферой. Они регистрируются с помощью специального датчика, подключённого к компьютеру, а тот либо вносит поправки в изображение, либо опять же задействует актуаторы, чтобы слегка поменять форму самого зеркала. В качестве эталона иногда используют так называемую лазерную опорную звезду (laser guide star) — светящуюся точку, которая искусственно создаётся в мезосфере направленным пучком излучения. По ней можно судить о турбулентностях в воздухе. Такой способ борьбы с искажениями применяется в системе адаптивной оптики Очень большого телескопа.

На пределе возможностей

Ранее считалось, что наземные телескопы никогда не сравнятся с космическими по качеству изображения и дальнозоркости. Но мы видим, что некоторые из них уже превзошли «Хаббл» и что им ещё есть куда развиваться.На горе Серро Армазонес в Чили возводят Чрезвычайно большой телескоп (Extremely Large Telescope, ELT) с сегментным зеркалом диаметром 39,3 метра; считается, что он позволит получать изображения, в 256 раз превосходящие по качеству снимки «Хаббла». В конструкции используется адаптивная оптика с восьмью лазерными опорными звёздами. Наблюдения на ELT начнутся в 2028 году, и главными его научными задачами станут поиск и изучение экзопланет, а также наблюдение древних галактик и сверхмассивных чёрных дыр. Кроме того, физики надеются с помощью этого телескопа расширить наши представления о тёмной материи, а астробиологи — найти воду и органические молекулы в протопланетных дисках у молодых звёзд.Помимо ELT, строятся телескопы поменьше, но не такие чувствительные: Тридцатиметровый телескоп (Thirty Meter Telescope, TMT) вблизи обсерватории Мауна-Кеа и Гигантский Магелланов телескоп (Giant Magellan Telescope, GMT) для обсерватории Лас-Кампанас, расположенной к северо-востоку от города Ла-Серена в Чили.

Гигантский Магелланов Телескоп / GMTO Corporation / [CC BY-SA 3.0]Перспективной кажется идея объединить небольшие оптические телескопы в грандиозный наблюдательный инструмент по аналогии с радиотелескопами — её предложил российский астрофизик Владимир Липунов. Он спроектировал систему МАСТЕР (Мобильная автоматическая система телескопов-роботов), связывающую широкоугольные телескопы с ПЗС-матрицами (от «прибор с зарядовой связью»), которые можно расположить в разных концах планеты, а в дальнейшем управлять ими через интернет. По команде астронома — ему достаточно задать небесные координаты — телескопы способны в любой момент начать совместное наблюдение нужной области неба и сразу же отправить результаты на компьютер учёного для анализа.Первый телескоп будущей системы заработал в 2002 году, и с его помощью астрофизики зафиксировали оптическое излучение от мощного гамма-всплеска GRB 021219, а также открыли активную сверхновую SN2005bv. Вскоре система пополнилась пятью новыми инструментами: кроме Подмосковья, телескопы установили под Благовещенском, Иркутском, Кисловодском, в Крыму и в Коуровской обсерватории Уральского государственного университета. За границей были размещены три инструмента: в 2012 году в Аргентине, в 2014 году в ЮАР, а год спустя — на Канарских островах. Девять телескопов-роботов способны очень быстро (за 50 секунд) навестись на заданную область неба и начать синхронную съёмку с разными светофильтрами и под разными углами. За прошедшие годы система МАСТЕР обнаружила свыше 1000 оптических вспышек, связанных с гамма-всплесками.

Благодаря новейшим технологиям наземная оптическая телескопия непрерывно совершенствуется, догоняя и даже обгоняя орбитальную. Впрочем, нужду в космических телескопах новые инструменты не отменят, ведь атмосфера, к сожалению, не только вносит искажения (их можно так или иначе компенсировать), но и задерживает значительную часть спектра излучений, поступающих от небесных тел. Поэтому оба вида наблюдательной астрономии будут продолжать совершенствоваться, дополняя друг друга и давая нам всё более глубокие знания о Вселенной.