Наука и техника: прошлое и настоящее

Телескопы будущего

Традиционным направлением для астрономов на протяжении четырёх столетий, прошедших с изобретения телескопа Галилео Галилеем, остаются поиски ответа на вопрос о том, в какой степени наша планета является уникальным объектом Вселенной (открытые Галилеем пятна на Солнце и горы на Луне свидетельствовали об отсутствии принципиальных различий между Землёй и космосом). Соответствующие исследования проводятся в настоящее время и с помощью межпланетных станций, и космических и наземных телескопов. Весьма важное открытие в этом направлении было сделано в 2008 г. Так, в списке десяти важнейших открытий прошлого года в версии журнала «Science» вторым по значимости указано первое в истории астрономии надёжное наблюдение так называемой экзопланеты (т.е. планеты, не принадлежащей к Солнечной системе), фотографии которой были получены группой американского астронома П.Калласа при помощи космического телескопа Хаббл. Это первый случай, когда астрономы уверены в том, что сфотографирована именно экзопланета, а не какой-то другой космический объект, причём изображение удалось получить благодаря исключительной яркости планеты. Ещё три объекта, также, судя по всему, являющиеся экзопланетами, были сфотографированы в прошлом году с помощью наземных телескопов. Хотя сам этот факт и является огромным достижением (звезда из созвездия Пегаса, вокруг которой они вращаются, удалена от нас на 130 св. лет), планеты оказались много больше Юпитера и движутся по орбитам размерами от 24 до 119 а.е.

В то же время астрономы мечтают увидеть планеты, напоминающие Землю, и по размеру, и по близости к центру соответствующей планетной системы. Для этого необходим телескоп с разрешением, существенно большим разрешения действующих телескопов. У такого телескопа должно быть ещё одно достоинство – наблюдающего не должен ослеплять свет звезды. Даже самый большой из современных телескопов – Gran Telescopio Canarias с зеркалом диаметром 10,4 м, расположенный на Канарских островах, – не имеет требуемых характеристик.

Немного истории. Первые футурологические размышления о возможности изучать в деталях удалённые объекты принадлежат перу знаменитого средневекового философа монаха Роджера Бэкона: «…мы будем в состоянии читать мельчайшие буквы с огромного расстояния и считать песчинки на земле». Появились же первые телескопы – фактически это были подзорные трубы – в начале XVII в. в Нидерландах, в них использовались линзы от очков. Через несколько десятилетий на них обратили внимание физики-профессионалы – Галилей, Гюйгенс, Ньютон. Знаменитые астрономические открытия Галилео Галилея – горы на Луне, пятна на Солнце, спутники Юпитера – были связаны с тем, что он увидел в телескопе не игрушку, а физический инструмент для исследования космоса. Галилею стало ясно: в столь важном приборе нельзя использовать линзы для очков, а потому он разработал собственную технологию изготовления линз. В результате его телескоп давал 30-кратное увеличение (по сравнению с 6-кратным увеличением подзорных труб). Галилей прекрасно сознавал значение созданного им прибора и именно он ввёл в научный лексикон столь привычный для нас термин телескоп. Он не только направил подзорную трубу на небо, но и описал увиденное как объективную реальность, а не иллюзию.

Следующий важный этап в истории телескопа связан с именем Исаака Ньютона. В 1668 и 1671 гг. Ньютон изготовил первые образцы зеркального телескопа (его называют телескопом-рефлектором в отличие от телескопа-рефрактора, в котором используются линзы). Именно как создатель телескопа-рефлектора Ньютон был принят в члены Лондонского Королевского общества. Существенные усовершенствования в ньютоновскую модель зеркального телескопа внёс наш соотечественник М.В.Ломоносов, изготовивший в 1761–1765 гг. несколько зеркальных телескопов собственной конструкции. Добавим, что именно такой телескоп использовал Вильям Гершель, открывший в 1781 г. планету Уран, седьмую планету Солнечной системы.

Гигантские телескопы-рефлекторы. Достоинствами рефлекторов является меньший сравнительно с телескопами-рефракторами вес (что существенно при строительстве телескопов высоко в горах, и тем более в комосе), а также меньший уровень искажений изображения объектов. Количество информации, которую можно получить с помощью телескопа, определяется двумя факторами: поверхностью собирающей оптики и эффективностью приёмников излучения. Последняя, по крайней мере в оптическом диапазоне, приближается к своему теоретическому пределу, так что увеличить возможности телескопов можно, только увеличивая их размеры, в первую очередь – размеры зеркала телескопа-рефлектора. чрезвычайно важно, что, во-первых, при изготовлении зеркала для телескопа-рефлектора высокие требования по качеству предъявляются только к уровню полировки поверх­ности зеркала. В случае же телескопа-рефрактора линза должна быть однородной по всему объёму. Во-вторых, рефлекторы работают в широком диапазоне длин волн, в то время как в рефракторе коэффициент поглощения для некоторых участков спектра оказывается достаточно высоким. Имеет значение и то обстоятельство, что линзы в телескопе закреплены по краям, а следовательно, смещение центральной части линзы под действием сил гравитации может стать весьма значительным. Зеркало же в рефракторе может быть зафиксировано не только по краям, а потому действие сил тяготения существенно меньше. В значительной степени именно поэтому размер линзы в телескопе-рефракторе не превышает 1 м, а размер зеркала в телескопе-рефлекторе может превышать 10 м.

Этими обстоятельствами и можно объяснить тот факт, что в настоящее время в стадии проектирования находятся сразу три телескопа с гигантскими, по современным меркам, размерами зеркал.

Гигантский Магелланов телескоп (Giant Magellan Telescope): диаметр главного зеркала 24,5 м (состоит из семи сегментов, каждый размером 8,4 м); поперечное сечение светового пучка 400 м², место расположения – Лас-Кампанас, Чили.

Гигантский Магелланов телескоп [http://www.gmto.org]

30-метровый телескоп (Thirty meters telescope): диаметр главного зеркала 30 м (492 сегмента, каждый размером 1,4 м); поперечное сечение пучка 600 м²; место размещения ещё не выбрано, возможно, это будет Чили или Мауна-Кеа на Гавайях.

Проекты 30-метрового телескопа [www.adaptiveoptics.org/News_0807_3.html] и строящегося Европейского очень большого телескопа [http://www.eso.org/public/astronomy/projects/e-elt.html]

Европейский очень большой телескоп (European Extremely Large Telescope): диаметр главного зеркала 42 м (906 сегментов по 1,45 м); площадь поперечного сечения пучка 1200 м²; варианты размещения – Канарские острова или Чили.

Максимальный размер зеркала, которое можно сделать из цельного куска стекла (которое покрывается тонким слоем алюминия), составляет 8,4 м. Большее зеркало будет слишком тяжёлым, им трудно управлять. В случае чрезмерно массивного зеркала также невозможно быть уверенным, что во всех его точках поддерживается одна и та же температура. В случае же разной степени нагретости разных частей зеркала качество изображения сильно страдает. Именно поэтому в очень больших зеркальных телескопах главное зеркало приходится делать составным, в виде мозаичного набора зеркал небольшого размера.

В разных конструкциях телескопов-рефлекторов используется разное количество зеркал. В некоторых случаях световой пучок выводится за пределы телескопа (для этого нужны 2–3 зеркала); в некоторых камера располагается внутри телескопа, что позволяет обойтись одним-двумя зеркалами. Световой пучок от изучаемого источника падает вначале на главное зеркало телескопа-рефлектора, которое фокусирует падающий световой пучок в район расположения меньшего по размеру второго зеркала. Оно осуществляет дальнейшую фокусировку пучка, перенаправляя его либо на третье зеркало (выводящее пучок за пределы телескопа), либо уже непосредственно на детектор.

Главное зеркало Магелланова телескопа будет составлено из семи очень больших зеркал, каждое из которых изготовлено из специального борсиликатного стекла с ячеистой (сотовой) структурой.такая конструкция позволит снизить общий вес зеркала, одновременно обеспечивая его прочность. Воздух строго определённой температуры будет закачиваться в ячейки, обеспечивая переход зеркала в состояние теплового равновесия в течение всего лишь 20 минут. Такие параметры вполне приемлемы с учётом того, что 100-дюймовому телескопу на Маунт-Вилсон в Калифорнии (функционирующему с 1917 г.) необходима целая ночь для того, чтобы во всех точках его главного зеркала толщиной 33 см установилась одинаковая температура.

Главные зеркала 30-метрового телескопа и Европейского очень большого телескопа предполагается составить из существенно меньших, чем на Магеллановом телескопе, сегментов. Вариант с сегментами небольшого размера обладает несомненными преимуществами, одно из которых – простота изготовления. Недостатки же состоят в том, что при перемещении телескопа положение каждого из сегментов достаточно сложно контролировать. В итоге неотъемлемой частью телескопа станет система датчиков, фиксирующих любое взаимное перемещение сегментов. Одновременно их ориентация будет постоянно контролироваться, чтобы с точностью до нескольких нанометров поддерживать постоянное значение радиуса кривизны главного зеркала. Другая весьма важная часть телескопа-рефлектора – это адаптивная оптическая система. Её функция состоит в том, чтобы устранять искажения изображения, связанные с прохождением светового пучка через земную атмосферу (в орбитальных телескопах такие системы не нужны). Искажения обусловлены в первую очередь разной нагретостью различных атмосферных слоёв и соответственно различием их показателей преломления.

Адаптивные оптические системы современных телескопов используют эталонные источники: заранее выбранную звезду с известными характеристиками либо же искусственный источник света (созданный, к примеру, при помощи лазера в нижних слоях атмо­сферы). Параметры получаемого в телескопе изображения эталонного источника сравниваются с его реальными характеристиками, что позволяет выявить аберрации, обусловленные состоянием атмосферы. Скомпенсировать влияние атмосферы удаётся при помощи специального зеркала. Тонкое и легко деформируемое (форма зеркала меняется от 50 до 100 раз в секунду), оно имеет размер несколько десятков сантиметров. Появление в телескопе дополнительного зеркала приводит и к дополнительному поглощению света, снижая, таким образом, интенсивность того светового потока, который достигает детекторов. Дополнительное зеркало является также источником дополнительного теплового шума, и, следовательно, причиной искажений при наблюдениях в инфракрасном диапазоне.

Имея это в виду, проектировщики Магелланова телескопа предложили вариант «два в одном», сделав второе зеркало телескопа одновременно и деформируемым. Этим удастся избежать дополнительных потерь света, т.к. второе зеркало придётся использовать в любом случае. В то же время вторичные зеркала весьма большие и изготовить их «деформируемыми» наверняка будет проблематично. Учитывая это обстоятельство, проектировщики Европейского очень большого телескопа решили использовать в качестве адаптивной оптической системы четвёртое зеркало небольшого размера, а для снижения теплового шума вывести световой пучок из телескопа в адаптивную систему, которая будет располагаться отдельно и поддерживаться при температуре –30 °С.

Несмотря на возникающие проблемы, разработчики всех трёх телескопов рассчитывают, что уже в 2017 г. удастся провести первые наблюдения и что в результате этого будет открыта новая эпоха в астрономии и космологии. Тогда можно будет собирать достаточное количество световой энергии от экстрасолнечных планет, что даст возможность использовать спектроскопические методы и изучить химический состав атмосфер этих планет, а также ответить на вопрос, есть ли у близлежащих звёзд планеты, похожие по своим параметрам на Землю? Телескопы помогут и в исследовании сверхмассивных чёрных дыр в центре галактик, поскольку будет получена детальная информация о скоростях движения звёзд в их окрестности. имеющиеся на сегодня телескопы позволяют выполнить такие измерения только в отношении чёрной дыры в центре Млечного Пути.

Телескоп-дифрактор. Размер зеркала космического телескопа-рефлектора ограничен высокой стоимостью доставки на орбиту грузов большого веса и размера. Недавно была предложена принципиально новая конструкция космического телескопа, в котором для фокусировки светового пучка используется не линза и не зеркало, а зонная пластинка Френеля. Если такой телескоп когда-нибудь будет построен, его смело можно будет называть дифрактором, поскольку свойства зонной пластинки вытекают из теории дифракции.

В наиболее простом варианте – это прозрачная пластинка, на которую нанесены чередующиеся непрозрачные и прозрачные концентрические кольца и которая, по существу, является дифракционной решёткой. Действительно, пластинка делит падающую на неё волну на кольцевые зоны, ширина которых подобрана так, чтобы разность расстояний от краёв каждой зоны до точки наблюдения F, называемой фокусом, было равно половине длины волны: NF – MF = λ/2 (см. рисунок). Соответственно фазы волн, приходящих в F из точек N и М, противоположны. Если между точечным источником света и точкой наблюдения расположить такую пластинку с k парами колец (чётное плюс нечётное), то действие всех нечётных (прозрачных) зон сложится и амплитуда колебаний в точке наблюдения возрастёт в 2k раз. Tо же произойдёт, если прозрачными будут чётные зоны (в этом случае фаза суммарной волны будет иметь противоположный знак). Таким образом, для оптического излучения длиной волны λ зонная пластинка действует как собирающая линза, а расстояние до точки наблюдения выполняет роль фокусного расстояния линзы.

Если на зонную пластинку падает плоская волна, то радиус зоны с номером n определяется соотношением где n – целое число, λ – длина световой волны, f – «фокусное расстояние» пластинки. Из этого соотношения видно, что «фокусное расстояние» зонной пластинки различно для разных длин волн.

Размер зонной пластинки может быть достаточно большим при относительно небольшой массе, а изготавливаться она может, например, из фольги. Телескоп-дифрактор будет иметь существенно меньшую по сравнению с рефлекторами массу, а потому существенно меньшими будут и расходы на доставку такого телескопа на орбиту. В фокус зонной пластинки попадает всего 10% падающего на неё светового потока, но изображения получаются не менее чёткие, чем в случае телескопа-рефлектора.

Зонная пластинка позволяет получать высококонтрастные изображения, благодаря чему становится возможным наблюдать слабо освещённый объект в непосредственной близости от ярко освещённого. Благодаря этому астрономы получают принципиальную возможность получать изображения экзопланет, но­ эти слабые источники света для обычных телескопов практически неразличимы на фоне своих «родительских» звёзд.

Расчёты показывают, что изготовленный на основе 30-метровой зонной пластинки орбитальный телескоп позволит искать планеты «земного размера», удалённые от нашей планеты на 30 св. лет, а также исследовать спектральные характеристики отражаемого планетами света. Именно спектр содержит информацию о возможном присутствии на планете признаков жизни, к примеру, атмосферного кислорода.

Изображение, полученное с помощью зонной пластинки [www.greencubicle.sppd.ne.jp]

Развернуть на околоземной орбите 30-метровый лист фольги будет, однако, очень непросто. поскольку фокусное расстояние зонной пластинки весьма велико (километры), на заключительной стадии монтажа телескопа-дифрактора придётся не только доставлять на орбиту комплект инструментов для исследования изображения, но и поддерживать неизменным (с точностью до миллиметров) их расположение в пространстве относительно зонной пластинки. С появлением новой цели зонная пластинка должна быть надлежащим образом переориентирована, а аппарат с инструментами перемещён в новую точку фокуса, что связано со значительными расходами топлива. Пытаясь обойти эти проблемы, авторы (из обсерватории в Тулузе, Франция) предложили поместить оба аппарата (с инструментами и зонной пластинкой) в одну из точек Лагранжа, – в точке Лагранжа силы притяжения со стороны Солнца и Земли уравновешиваются и в её окрестности поддерживать аппараты на постоянном удалении друг от друга существенно проще.

Ещё одна проблема телескопа-дифрактора связана с тем, что разным длинам волн соответствуют разные фокусные расстояния зонной пластинки. Поэтому во избежание искажений в конструкции обязательно должны быть корректирующие линзы.

Авторы проводят пока демонстрационные эксперименты, убеждая научное сообщество в реализуемости проекта. Удалось, в частности, получить изображения небольших объектов с помощью зонных пластинок из стали, не превышающих по размеру пластиковую карточку. В течение года группа Кёхлина планирует сконструировать и продемонстрировать коллегам небольшой телескоп, основой которого будет зонная пластинка размером около двух дециметров.

По материалам журнала New Scientist:

– от 01.05. 2008 (D.Shiga. Telescope could focus light without a mirror or lens);

– от 05.12.2008 (A.Ananthaswamy. New Earths and the edge of the universe).

Борис Викторович Булюбаш – доцент кафедры «Общая и прикладная физика» НГТУ им. Р.Е.Алексеева. Наиболее успешным считает период работы координатором проектов Британского совета. Особенно интересным был проект «Science for nonscientists» (2004 –2005), связанный с апробацией британского учебника по естествознанию для гуманитарного профиля в школах семи городов РФ. Хобби – беседы с женой, книжки, путешествия, лыжи, а также тема «Наука и СМИ». Окончил нижегородскую ФМШ № 40 и физфак ГГУ им. Н.И.Лобачевского. Подготовил диссертацию в секторе истории физики ИИЕТ АН СССР. Семья: жена – врач, дочь – специалист по внутренним коммуникациям, сын – студент мехмата ННГУ им. Н.И.Лобачевского.