Лазеры, зеркала и вычислительные достижения могут работать вместе, чтобы вывести наземную астрономию за пределы возможностей Хаббла.
Одним из самых замечательных свойств нашей атмосферы является то, что она прозрачна не только для солнечного света, но и для света звезд. Когда мы обращаем свой взор к небу после захода Солнца, сверкающий гобелен из планет, звезд, галактик и туманностей освещает небеса. Если мы хотим просмотреть его, все, что нам нужно сделать, это посмотреть с помощью соответствующих инструментов.
Но наш взгляд на то, что происходит там, отсюда, на Земле, ограничен в том, о чем мы редко задумываемся. Даже в безоблачную ночь любой свет, идущий к нам из космоса, должен пройти более 100 километров (более 60 миль) атмосферы, которая сама по себе имеет постоянные изменения плотности, температуры и молекулярного состава. Любой падающий свет должен бороться с атмосферой, и хотя атмосфера прозрачна, этот свет неизбежно искажается.
Впервые астрономы, наконец, способны преодолеть атмосферу Земли. Вот как.
Лучший способ увидеть Вселенную - использовать самый большой, самый мощный и самый точный телескоп, который вы только можете создать. Чем больше ваш телескоп, тем больше длин волн света может пройти через него, увеличивая его разрешение. Телескопы большего размера также означают лучшую светосилу, что позволяет вам видеть более слабые объекты быстрее и с большей детализацией. Вам нужно максимально темное небо, как можно дальше от любых значительных источников светового загрязнения, включая города, ловлю кальмаров и даже Луну. Вы хотите построить свой телескоп на максимально возможной высоте в самых сухих условиях, исключая влияние облаков и водяного пара.
Но независимо от того, насколько высока ваша высота, вам все равно придется бороться с земной атмосферой.
Теплый воздух поднимается вверх, холодный опускается; дуют ветры; Земля вращается; и т. д. Все эти эффекты и многое другое заставляют молекулы нашей атмосферы постоянно двигаться и колебаться. Астрономически каждый наблюдатель должен попытаться найти способы компенсации триллионов и триллионов молекул, мешающих работе каждого пикселя камеры, прикрепленной к вашему телескопу.
Наша атмосфера представляет собой турбулентное образование, в котором слои стратифицированного газа движутся несколько хаотично и непредсказуемо с любой точки зрения. Справедливо сказать, что самые нижние слои являются самыми плотными и наиболее мешающими нашим наблюдениям, поэтому телескопы строятся на таких больших высотах и в местах с заведомо неподвижным и сухим воздухом.
На протяжении десятилетий единственной надеждой преодолеть это было запустить телескоп в космос, где он поднимется над атмосферой. Но за последние несколько десятилетий появился новый метод, помогающий решить эту проблему: использование адаптивной оптики.
Если вы посмотрите на астрономическую цель и попытаетесь ее изобразить, атмосфера будет сильно искажать свет на его пути из космоса, пока он не достигнет вашего телескопа. Но если вы знаете точное положение и характеристики яркости хотя бы одного объекта на небе , например, звезды , есть процедура, которой вы можете следовать, чтобы невероятно хорошо компенсировать атмосферу. Четыре шага следующие:
- Измерение входящего света от всего поля зрения, в том числе от известной (путеводной) звезды.
- Создайте копию света в том виде, в котором он появляется, задерживая его прибытие в конечный пункт назначения.
- Рассчитайте, какой формы вам нужно зеркало, чтобы вернуть искаженный свет от направляющей звезды к его исходной точечной форме.
- Затем создайте это зеркало и отразите от него весь задержанный входящий свет.
Когда этот задержанный отраженный свет достигает вашего датчика, если вы сделали свою работу правильно, у вас должно быть изображение без искажений.
Причина, по которой это называется адаптивной оптикой, заключается в том, что это не разовая адаптация, а непрерывный процесс. Зеркало должно постоянно приспосабливаться к хаотическим изменениям атмосферы, чтобы компенсировать постоянно изменяющиеся искажения.
Какое-то время мы могли использовать адаптивную оптику только для наблюдения за целями, рядом с которыми находилась известная, хорошо изученная звезда, которую можно было использовать в качестве ориентира. Но по мере развития наших технологий мы больше не связаны этим ограничением. Человечество разработало впечатляющую систему адаптации к атмосфере, где нет яркой звезды-путеводителя: создание искусственной звезды с помощью натриевых лазеров.
Тот факт, что наша атмосфера многослойна, имеет решающее значение для успеха этого метода. Некоторые элементы отделены от других и встречаются только на очень определенных высотах. Одним из очень редких элементов является натрий, который сконцентрирован в тонком слое на высоте около 100 км (60 миль).
Если вы запустите натриевый лазер в воздух, он будет двигаться по прямой линии (за исключением атмосферных искажений), потому что ни один из атомов в нижних слоях атмосферы не обладает нужными квантовыми свойствами, чтобы поглотить его. Лазерный свет будет продолжаться до тех пор, пока не столкнется с теми атомами натрия, которые находятся в этом тонком верхнем слое, где он будет поглощен и переведет их в возбужденное состояние. Эти возбужденные атомы затем спонтанно гасят возбуждение, излучая свет во всех направлениях, в том числе и обратно в направлении, откуда пришел ваш лазер. Этот искусственный источник света, создаваемый наземными натриевыми лазерами, теперь можно использовать в качестве искусственной опорной звезды.
Это, конечно, не так хорошо, как иметь настоящую звезду, поскольку атмосфера существует, хотя и ненадежно, до тех пор, пока важна земная гравитация. Даже спутники и обсерватории, вращающиеся на высоте сотен километров над атмосферой, в конце концов упадут на Землю из-за сопротивления, создаваемого этими далекими атомами и молекулами.
Но даже несмотря на то, что искусственная натриевая направляющая звезда не будет находиться выше 100% атмосферы, наличие известного источника света на такой большой высоте устраняет более 99% искажений. Даже с земли без настоящей опорной звезды современные обсерватории могут конкурировать с космическими телескопами по качеству обзора, но с гораздо более крупными телескопами. По сравнению с Хабблом, такие телескопы, как Keck, VLT, Subaru, Gemini или Gran Telescopio Canarias, обладают в 19 раз большей светосилой, а такие телескопы, как GMT и ELT, должны довести это превосходство до трехзначного числа.
В 2012 году мы впервые использовали самую передовую на тот момент в мире технологию адаптивной оптики, прикрепленную к обсерватории Джемини, чтобы превзойти космический телескоп Хаббл в параллельном сравнение.
Убедитесь сами, сравнив изображение ниже - снятое с наземного 8,19-метрового телескопа, оснащенного современной адаптивной оптикой справа - с 2,4-метровым космическим телескопом Хаббла (слева) который находится в космосе! Посмотрите, сможете ли вы определить рядом несколько случаев, когда Близнецы обнаружили звезды, которые пропустил Хаббл.
Несмотря на свои огромные успехи, адаптивная оптика - это область, которая все еще совершенствуется. Одна точка на небе может дать только ограниченное количество информации об атмосфере в целом, а при удалении на расстояние до 100 километров самые большие высоты остаются неучтенными.
Может наступить день, когда мы построим наземные телескопы на Луне или запустим рабочий космический лифт, но до этого еще далеко. Таким образом, в ближайшие годы адаптивная оптика, вероятно, будет продолжать совершенствоваться. Самое большое недавнее достижение, которое сулит невероятно хорошее будущее, было сделано благодаря обсерватории Параналь, в которой находится VLT: группа из четырех телескопов 8-метрового класса в одном из лучших мест для наблюдений на Земле.
Телескопы в Паранале, партнере Европейской южной обсерватории (ESO), включают в себя самое передовое новое усовершенствование в области адаптивной оптики: 4 Laser Guide Star Facility (4LGSF).
Создавая четыре опорные звезды вместо одной, астрономы могут лучше адаптироваться ко всему полю зрения изображения. Искусственные звезды могут перемещаться по небу независимо друг от друга и от телескопа, что позволяет независимо оптимизировать используемые адаптивные методы для каждого изображения. Это огромный новый потенциальный успех для технологии телескопов, и он обещает существенно улучшить изображения наземных телескопов по всему полю зрения. Как заявляют сами ESO в своем пресс-релизе:
Использование более одного лазера позволяет отображать турбулентность в атмосфере с гораздо большей детализацией, что значительно улучшает качество изображения в большем поле зрения.
Это не только огромное благо для астрономии, но и представляет собой потенциал успешного сотрудничества между финансируемыми государством усилиями и частной промышленностью. Без участия обоих такие улучшения были бы невозможны. Телескопы класса от 25 до 39 метров, которые планируется запустить в ближайшее десятилетие, в том числе будущий ELT на 39 метров, а также управляемый ESO, сейчас самое подходящее время для наземных астрономов.
На протяжении десятилетий единственным способом бороться с атмосферой было либо жить с ней, либо превзойти ее. Однако за последние несколько лет все это меняется. Пришло время серьезно подумать об оснащении всех наших крупных обсерваторий такими адаптивными оптическими системами. Если эти улучшения продолжатся, наземная астрономия сможет раз и навсегда превзойти космические телескопы в том, что касается качества изображения на доллар!