Еще одна бюджетная новость — создатели гигантского телескопа Магеллана (GMT) решили отказаться от участия в конкурсе Национального научного фонда США. Нет, никакой сенсации тут нет, размер приза все равно был порядка 1/600 от всего бюджета проекта, но вот про сверхбольшие телескопы стоит поговорить отдельно, так как нас определенно ждет настоящий прорыв в этом направлении.
Гигантский телескоп Магеллана. 30-метровый телескоп. Европейский экстремально большой телескоп E-ELT, и именно «экстремально», так как просто очень большой телескоп уже построен и давно радует ученых снимками неба в видимом и инфракрасном диапазоне. Если вспомнить, что крупнейший российский инструмент называется большой телескоп азимутальный (БТА), то может сложиться впечатление, будто ученые поголовно озабочены диаметром своих главных орудий и стремятся перещеголять друг друга по этому параметру! Шесть метров, шесть с половиной, восемь... что, еще больше уже технически невозможно и в ворота не пролазит? Отлично, сделаем зеркало составным! Южно-Африканский большой телескоп — 9,2 метра, два телескопа Keck 1 и Keck 2 — десять, большой бинокулярный телескоп — 11,9! А в проекте уже инструменты с составными зеркалами до 40 метров в диаметре, и это после отмены проекта астрономического прибора со 100-метровым зеркалом. Последний монстр мог быть построен в Южной европейской обсерватории.
Назвать его хотели скромно: «обескураживающе большой телескоп». Но не спешите привлекать психоаналитиков для объяснения телескопной гонки, ведь иногда телескоп — это просто телескоп.
То есть оптический прибор, который должен вовсе не «увеличивать звезды» — при любом разумном увеличении большинство звезд все равно будут казаться точками. Задача телескопа — дать картинку, на которой можно различить как можно более слабый свет звезд и как можно более близкие друг к другу объекты. И оба этих показателя улучшаются вместе с ростом диаметра зеркала, причем диаметр в первом приближении важнее всех прочих параметров.
Звезды нулевой величины, которые видны даже с городских улиц в ясную погоду, дают поток из миллиона фотонов за секунду на квадратный сантиметр; звезды шестой (предельно доступной глазу в хороших условиях) величины посылают в 250 раз меньше. Пятнадцатая звездная величина даст нам всего один фотон на сантиметр за секунду, а двадцатая — один фотон за пару минут. На объект тридцатой невооруженным глазом можно смотреть всю ночь напролет и при этом не поймать сетчаткой ни единого кванта излучения — для их наблюдения нужен «Хаббл» с его двухметровым зеркалом!
Здесь и сейчас
Хотите посмотреть на звездное небо прямо сейчас, сидя под пасмурным московским небом, освещенным оранжевым заревом фонарей и закрытым соседней башней? Скачайте Stellarium — бесплатную программу-планетарий. Есть версии под все операционные системы — Windows, MacOS и Linux.
Кроме малой плотности потока фотонов надо учитывать искажения, создаваемые дифракцией света на краях зеркала. Чем меньше зеркало, тем больше величина искажений и тем скорее две близкие звезды сольются в одно невнятное пятно, а спиральные галактики превратятся в туманные кружки. Гонка за зеркалами возможно большего размера оказывается продиктована законами физики и тем обстоятельством, что увеличение качества изображения напрямую связано с возможностью получить по-настоящему интересные научные данные.
Квазары, расположенные за несколько миллиардов световых лет от нас источники излучения как в видимом, так и в радиоволновом диапазоне, выглядят именно как слабые «звездочки» со звездной величиной не больше двенадцатой (несколько фотонов на квадратный сантиметр). Из всей потенциально наблюдаемой Вселенной, сферы радиусом в 13 млрд световых лет, более 99% скрыто в той области, которую без больших зеркал разглядеть просто невозможно: новые телескопы расширяют доступную нам сферу даже не в разы, а в десятки раз.
И потому неудивительно, что одним инструментом ученые не ограничиваются. GMT строится в чилийских горах, там же (в 25 км к югу) собираются соорудить E-ELT, а 30-метровый телескоп смонтируют на Гавайских островах. Так будет не только отчасти решена проблема дефицита времени и очереди из желающих воспользоваться телескопом ученых, но и обеспечен более равномерный обзор всего неба: ведь в чилийских горах в принципе невозможно наблюдать, к примеру, Малую Медведицу, равно как и в Москве никогда не увидеть Южный Крест.
Магелланов телескоп, создатели которого решили отказаться от попыток выиграть грант Национального научного фонда, будет построен в этом десятилетии. Вокруг главного зеркала соберется еще шесть таких же, и в итоге астрономы получат инструмент, аналогичный по своим параметрам 24,5-метровому телескопу с одним цельным зеркалом; по предварительным оценкам, он в десять раз превзойдет по разрешающей способности «Хаббл». Зеркала делают в Аризоне, и для их отливки построена специальная вращающаяся печь, в которой расплав стекла под действием центробежных сил сам принимает нужную параболическую форму.
Под зеркалами разместят несколько сотен поршней, которые будут слегка изгибать зеркала, адаптируя их к изменению условий наблюдения. Причем речь не идет о тривиальной компенсации суточных температурных колебаний (на это есть кондиционеры), а о компенсации тех искажений, которые вносят турбулентные потоки в атмосфере! Если смотреть через поток нагретого воздуха от костра, то можно заметить дрожание и размывание контуров предметов; а «мозг» больших современных телескопов в реальном времени анализирует это дрожание и дает команду перестроить оптическую систему так, чтобы картинка снова стала четкой.
На сайте Южной европейской обсерватории можно найти эффектный кадр с уходящим в небо оранжевым лазерным лучом — это вовсе не оптическая связь со спутниками и не послание инопланетным цивилизациям; луч создает на высоте около 90 км светящееся пятно для калибровки адаптивной оптики. Отдельная камера фиксирует это свечение, и по его изменениям рассчитывается то, как надо поменять форму зеркал телескопа.
Разработчики другого телескопа, E-ELT, от специальных сверхбольших зеркал отказались. Их детище, которое будет больше GMT, предполагает составное зеркало. Тысяча шестиугольников шириной около 140 см и толщиной пять сантиметров будет заказана на нескольких разных предприятиях, и тут есть небезынтересный российскому читателю момент — часть заказов может уйти на подмосковный Лыткаринский завод. Правда, лишь в том случае, если наша страна вступит в Южную европейскую обсерваторию. Предложение о сотрудничестве поступило еще год назад, но, как недавно писали "МН", пока что дело не сдвинулось из-за необходимости платить довольно внушительный стартовый взнос в 120 млн евро. Даже с учетом десятилетней рассрочки эта сумма сопоставима с ценой многих других мегапроектов, и далеко не всем ученым (особенно вне астрономической среды) она представляется оправданными тратами.
Отказ коллектива GMT от американского гранта был обусловлен в том числе тем, что обеспечиваемая им сумма в 1,2 млн долл. все равно бы не покрыла даже процента от расходов. Уникальный телескоп оценивается в 700 млн, и это еще не окончательная сумма, так как сметы очень многих научных проектов в итоге приходилось пересматривать отнюдь не в сторону сокращения. Неучастие GMT даст больше шансов их конкурентам, 30-метровому телескопу — проекту американских астрономов из Калифорнийского технологического университета совместно с коллегами из Евросоюза, Индии, Канады, Китая и Японии. Этот инструмент тоже соберут из одинаковых шестиугольных сегментов, и на официальном сайте проекта особо подчеркивается то, что он позволит рассмотреть объекты, в десятки раз более далекие тех, которые сейчас могут претендовать на звание самых удаленных от Земли.
Впрочем, про удаленность следует говорить с определенной осторожностью. Чем больше расстояние, тем дольше идет свет, и расстояние в световой год по определению означает то, что с такого расстояния мы видим лишь события годовалой давности. То, что можно увидеть в супертелескопы на расстоянии в 10 млрд световых лет, — это не просто далекие квазары и галактики. Это Вселенная 10 млрд лет назад, так что телескопы превращаются в машины времени.
Наблюдения за самыми далекими галактиками позволят выяснить то, каким образом эволюционировали первые звезды. Как во Вселенной, где практически не было атомов чего-то тяжелее гелия, возникли все остальные элементы таблицы Менделеева и когда именно стали возможны первые планеты привычного нам типа? Могут ли быть где-то обитаемые миры, на которых эволюция идет не 4 млрд лет, как у нас, а все десять? Или же спустя 3 млрд лет после Большого взрыва планеты земного типа были принципиально невозможны? А как образовались сверхмассивные черные дыры с массой в миллиарды раз больше Солнца? Как движутся звезды относительно центра галактик и не выдадут ли они своим движением еще каких-нибудь тайн, подобных секрету темной материи, найденной именно благодаря влиянию на движение светил? Все эти вопросы перечислены на сайте 30-метрового телескопа, но любой астрономический мегапроект в конечном итоге призван разрешить их же.
Взгляд с высоты
У всех наземных телескопов есть один принципиальный недостаток — необходимость мириться с атмосферой. Адаптивная оптика существенно расширила их возможности, но для инфракрасного излучения даже чистейший воздух в чилийских горах немногим лучше кирпичного свода, а специалистам по рентгеновской астрономии с тем же успехом можно вести наблюдения в метро. Инфракрасные, ультрафиолетовые и рентгеновские телескопы размещают исключительно в космосе, а конкуренция со стороны «больших наземных братьев» им не грозит.
Преемник «Хаббла» телескоп «Джеймс Вебб» будет работать как в оптике, так и в ИК-диапазоне, а разместят его во второй точке Лагранжа, то есть в полутора миллионах километров от Земли на линии, продолжающей отрезок Земля—Солнце. На таком расстоянии ни о каком регулярном техобслуживании с участием космонавтов говорить не приходится, так что инструмент будет полностью автономен. Окажется ли он эффективнее наземных сверхтелескопов, покажет время: году к 2025-му мы сможем уверенно сказать, что лучше — большое зеркало на Земле или поменьше, но в небе.