Как новейшие наземные телескопы обгоняют космические лаборатории

Если ясным вечером отвлечься от экрана смартфона и просто взглянуть на небо, можно увидеть немало интересного — даже невооруженным глазом. Я живу в Подмосковье и несколько раз в сутки могу наблюдать, как над горизонтом проходит Международная космическая станция — яркая точка, которая плавно перемещается с запада на восток. Иногда на темном небе появляется цепочка спутников, выходящих на рабочие орбиты, а в редкие ночи — метеорные потоки.

• Расписание пролетов Международной космической станции над вашим городом — на сайте «МКС Онлайн».
• Приложение Heavens Above для Android.
• Трекеры NASA для IOS и Android.

Мое внимание к этим явлениям и профессиональное, и личное одновременно. Я работаю инженером-монтажником спутниковых систем, а в свободное время веду экскурсии в Народной обсерватории Парка Горького и занимаюсь астрономией.

Благодаря труду инженеров мы можем составлять детальные карты далеких галактик, регистрировать рождение экзопланет и даже фиксировать столкновения черных дыр — события, которые еще недавно были невидимы с Земли.

А еще мы становимся свидетелями удивительного процесса: наземные телескопы по своим исследовательским функциям догоняют орбитальные, а по ряду параметров уже превосходят их.

Один из самых впечатляющих наземных телескопов находится в обсерватории имени Веры Рубин, которую достраивают в чилийских Андах на высоте около 2700 метров. Она работает как гигантская ловушка света, фиксируя даже самые слабые фотонные вспышки — сигналы об изменениях во Вселенной.

На полную мощность проект еще не заработал, но уже на первых тестовых наблюдениях обсерватория Рубин зафиксировала более 2 000 новых космических объектов: астероидов, комет и кратковременных явлений — транзиентов.

Такая результативность была бы невозможна без инженерных прорывов: самой большой в мире цифровой камеры на 3,2 гигапикселя и сверхширокого поля зрения.

В высшей лиге наземных телескопов это теперь главный обзорник. Он превосходит даже широкоугольные системы Pan-STARRS или Atlas на Гавайях.

Эти установки работают как автоматические стражи неба: они регулярно фотографируют всё небесное полушарие и сравнивают новые кадры с предыдущими, чтобы зафиксировать малейшие изменения — вспышку, смещение или исчезновение объекта.

Обсерватория Веры Рубин выполняет ту же задачу, но в гораздо большем масштабе. Она не рассматривает отдельные звезды, а следит сразу за всем видимым в Южном полушарии небом, ежедневно создавая серию гигантских «групповых снимков» галактик.

Другой претендент в «высшую лигу» наземных обсерваторий — масштабная установка Extremely Large Telescope (ELT), которую собирают по соседству с телескопом Рубин в той же пустыне Атакама в Чили и планируют сдать в 2027 году. Ее главное зеркало диаметром 39,3 метра станет крупнейшим в истории астрономии.

Создать цельное изделие таких размеров невозможно, поэтому инженеры Европейской южной обсерватории разработали систему из 798 подвижных сегментов. Когда подготовят основание, их соберут вместе, как пазл.

Все элементы оснастили датчиками, приводами и системой управления. Каждый весит около 250 килограммов, но при этом толщиной всего пять сантиметров.

Вся поверхность зеркала может менять форму с точностью до десятков нанометров — это в десять тысяч раз тоньше человеческого волоса. Так телескоп компенсирует атмосферные колебания и сохраняет идеальную фокусировку даже при ветре и перепадах температуры. Эти инженерные решения уже прошли обкатку на другом проекте — VLT (Very Large Telescope), который работает в Чили более двух десятилетий.

ELT позволит различать мельчайшие детали на колоссальных расстояниях. Представьте, что вы астроном и пытаетесь рассмотреть две звезды, которые находятся близко друг к другу, но в галактике, удаленной на миллиарды световых лет. Для телескопа «Джеймс Уэбб» эти звезды сольются в одну яркую точку или световой штрих. А «Джеймс Уэбб» — главная орбитальная обсерватория нашего времени, она работает далеко за пределами земной атмосферы. Его шестиметровое зеркало и инфракрасные приборы позволяют видеть невероятно далеко, но не дают достаточного углового разрешения, чтобы различить близкие объекты.

ELT сможет четко определить контуры светил и точно обозначить, что происходит в системе: вращаются ли звезды вокруг общего центра, какова их температура и состав атмосферы. И это несмотря на то, что телескопу будет препятствовать в этом другая атмосфера — земная.

Чили — идеальное место для астрономических наблюдений. Здесь исключительно сухой климат, а значит инфракрасный свет звезд проходит почти без искажений. Светового загрязнения тоже нет — ближайшие города удалены на сотни километров. Плюс высоко в Андах над плотными слоями атмосферы влияние турбулентности сильно ниже.

Однако Чили не единственный кластер астрономии на планете. У каждой страны свои астрономические «точки притяжения». В США это Гавайи, во Франции — Пиренеи, в Испании — Канарские острова. В России такими центрами стали Кавказ, Южная Сибирь и Крым.

На Кавказе действуют две крупные обсерватории:

• Специальная астрофизическая лаборатория в Архызе, где установлен Большой телескоп Азимутальный (БТА) с шестиметровым зеркалом. Здесь преимущественно занимаются наблюдением звезд и галактик.
• Пик Терскол с телескопом Цейсс-2000 у подножия Эльбруса. Здесь ведут исследования в оптическом и инфракрасном диапазонах — изучают малые небесные тела Солнечной системы, квазары, а также мониторят космический мусор.

Кавказские площадки обладают большим научным потенциалом, но с Чили им тягаться сложно: влажный воздух, переменчивая погода и световые блики от курортного Черноморского побережья снижают качество наблюдений.

Зато местные центры, как и московская обсерватория в Парке Горького, открыты для туристов и астрономов-любителей. В ясную погоду отсюда можно рассмотреть кратеры Луны, кольца Сатурна, яркие планеты и даже смутные очертания далеких галактик.

А на высокогорном плато Кисловодской обсерватории в августе проводят ночные экскурсии, приуроченные к потоку Персеид — зрелищному метеорному дождю, который возникает, когда крошечные осколки кометы Свифта-Таттла пронзают земную атмосферу на скорости около 60 километров в секунду.

Сибирь и Алтай, напротив, могут порадовать астрономов прозрачным воздухом и хорошей видимостью, но с этих широт недоступна значительная часть южного неба. А там пролегает плоскость Млечного Пути — один из самых богатых астрономических регионов.

Тем не менее вклад российской науки в наземную астрономию заметен и сегодня. Так, в Институте астрономии РАН сейчас работают над системой роботизированных телескопов, которые могут сами выбирать стратегию обзора неба и обрабатывать данные.

А в Бурятии, на территории Саянской солнечной обсерватории, строится солнечный телескоп-коронограф КСТ-3 — часть будущего Национального гелиофизического комплекса РАН.

КСТ-3 станет ключевым инструментом в исследовании магнитных полей, коронарных выбросов и вспышек на Солнце. Он усилит планетарную защиту, так как сможет регистрировать сближающиеся с Землей небесные тела, невидимые другим телескопам из-за ослепительного солнечного света.

А в Крыму, в поселке Научный, солнечную активность исследуют уже давно, хоть условия для наблюдений в Крымской астрофизической обсерватории (КрАО) не такие идеальные, как на Кавказе или Алтае.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» в свое время стал настоящим прорывом в астрономии. В 2021 году он дал ученым возможность наблюдать самые далекие галактики, которые появились вскоре после Большого взрыва. ELT превзойдет его по размеру почти в семь раз, и это кратно увеличит его разрешающую способность.

При этом у ELT есть дополнительные преимущества: он может работать и с видимым диапазоном спектра, который недоступен «Джеймсу Уэббу». Сравним возможности обоих в телеспоков.

И всё же есть области, где космические телескопы по-прежнему незаменимы. Прежде всего, это наблюдения в глубоком инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах — тех спектрах излучения, которые поглощаются атмосферой раньше, чем достигают зеркала телескопа.

Но вернемся в высшую лигу наземных обсерваторий. Как будут развиваться крупнейшие проекты и каких открытий можно от них ожидать?

Если всё пойдет по плану, ELT начнет работу в 2027 году и позволит изучать экзопланеты, анализировать химический состав их атмосфер и искать биосигнатуры — возможные следы жизни. Также он поможет ученым больше узнать о том периоде после Большого взрыва, когда во Вселенной не существовало никаких тяжелых элементов, кроме водорода и гелия.

Из тестового режима перейдет в полную эксплуатацию. Каждую ночь она будет сканировать небо, формируя динамическую карту изменчивой Вселенной. В течение десяти лет ее каталоги будут пополняться тысячами новых объектов — от астероидов и комет до вспышек сверхновых.

Продолжат развиваться, но их миссии станут более узкоспециализированными. Здесь три основных направления для исследований:

• темная материя и темная энергия;
• экзопланеты;
• черные дыры и реликтовое излучение.

Телескоп Евклид, разработанный Европейским космическим агентством, уже исследует темную материю и темную энергию в полутора миллионах километров от Земли — его запустили в 2023-м.

Через полтора года NASA планирует вывести в космос обсерваторию Nancy Grace Roman, которая также займется темной материей, но еще с помощью встроенного коронографа будет изучать экзопланеты.

Позже следующая флагманская миссия NASA — Обсерватория обитаемых миров — приступит к поиску похожих на Землю планет и следов жизни на них.

Подробно о «Миллиметроне», который может стать одним из самых чувствительных устройств в истории астрономии, мы расскажем в следующей статье. Если проект будет успешно реализован, Россия получит уникальный инструмент для наблюдения за холодной Вселенной — теми ее областями, которые и сегодня остаются невидимыми для оптических и инфракрасных телескопов.