Телескопы будущего: какие уникальные инструменты появятся в распоряжении астрономов в ближайшие годы

Событием лета стал посвященный инновациям форум-фестиваль «Территория будущего. Москва 2030», на котором мы поговорили о разработках для изучения космоса с Владимиром Сурдиным, старшим научным сотрудником Государственного Астрономического института им. Штернберга.

Два новых оптических телескопа и аналог «Джеймса Уэбба»

Владимир Георгиевич, расскажите, пожалуйста, какие инновационные наземные оптические телескопы сейчас строятся?

— Наземные оптические телескопы эволюционируют в сторону расширения поля зрения и увеличения «глубины видимости» в прошлое. А значит, надо их делать очень большими и очень сложными. Здесь есть аналогия с фотообъективом: чем сложнее фотообъектив, тем больше у него возможностей получить хорошую картинку на большом поле зрения.

Поэтому сейчас строятся телескопы двух типов. Один гигант — Extremely Large Telescope («Экстремально большой телескоп»). Он строится в горах Чили на совместные деньги почти всех европейских стран. Он уже почти готов, еще несколько лет — и он начнет работать. (Первые тестовые наблюдения планируются на 2028 год. — Прим. ред.)

Диаметр его объектива почти 40 метров (точнее, 39 метров. — Прим. ред.). По площади зеркала, а для астрономов важна именно площадь, чтобы собрать побольше света, он будет почти равен всем существующим в мире телескопам вместе взятым. То есть он вдвое увеличит количество получаемой информации о космосе.

Это гигант. А есть телескопы не гигантские, но с очень сложными оптическими системами, дающими большое поле зрения. Такой телескоп строится в обсерватории Веры Рубин. Его сейчас переименовали. (Обзорный телескоп Симони назван в честь частных спонсоров. — Прим. ред.).

У него диаметр объектива 8,5 метра и настолько сложная оптическая система, что он сможет сразу фотографировать большие куски неба размером больше 3 градусов. Это очень много, по площади это 50 лунных дисков на одной картинке. Все небо можно контролировать с помощью нескольких таких телескопов. (Телескоп будет наводиться на новую область неба каждые несколько секунд и делать полный обзор всего неба за 3–4 ночи. — Прим. ред.).

Встает следующая проблема: как обработать и проанализировать то количество информации, которое они нам будут еженощно поставлять. И тут надежда на искусственный интеллект. А искусственный интеллект может быть только в том случае, если естественный его научит.

На какие научные результаты надеются астрономы в связи с новыми телескопами?

— Это можно проиллюстрировать на примере орбитального телескопа «Джеймс Уэбб». Он был рассчитан на две очень важных задачи. Посмотреть вдаль, то есть очень далекое прошлое Вселенной. Что он и сделал, и неожиданно показал нам, что есть галактики очень молодые и как-то слишком быстро сформировавшиеся, чего мы не ожидали. И посмотреть недалеко, но вглубь непрозрачных темных холодных облаков — туда, где рождаются звезды.

Мы многого не понимаем в процессе формирования звезд, он пока еще очень-очень плохо изучен, потому что ничего не видно в темных облаках. «Джеймс Уэбб» — это инфракрасный телескоп, инфракрасные лучи проходят через эти облака. Он туда смотрит и делает интересные находки.

Третье направление работы связано с тем, что в инфракрасном диапазоне видны линии излучения и поглощения многих молекул. Благодаря этому «Уэбб» открывает интересные газы в атмосферах экзопланет. На мой взгляд, самое интересное его открытие — это диметилсульфид в атмосфере экзопланеты К2-18b.

Но жаль, что этот телескоп уникальный, и некому подтвердить это открытие. А единичный результат в науке не то чтобы не считается, но подозрителен. Надо ждать подтверждения из независимых источников. К сожалению, «Джеймс Уэбб» пока единственный, и никаких конкурентов у него еще некоторое время не будет.

Но лет через семь, по-моему, уже будут. Уже финансируется и строится новый инфракрасный космический телескоп. По-моему, названия у него нет, у него даже нет точных параметров, он будет от 6 до 8 метров диаметром. (Речь идет о проекте космического телескопа Origins («Происхождение»). — Прим. ред.)

Дело в том, что, задумывая космический телескоп, инженеры ориентируются на ракеты, которые должны отправить в космос. А пока нет достаточно мощных ракет для того, чтобы забросить на орбиту нужные нам телескопы. Сначала хотели сделать 10-метровый инфракрасный телескоп, но даже Илон Маск не возьмется за такую работу.

Потом снизили до 8 метров, а сейчас вроде речь идет даже про 6 метров. По крайней мере, нам нужен второй «Джеймс Уэбб». (Диаметр зеркала «Джеймса Уэбба» 6,5 метра. — Прим. ред.). Потому что два независимых наблюдения — это уже открытие. А одно — это еще, так сказать, кандидат на открытие.

Шаг за «барьер шести метров» и радиоастрономические спутники

Вернемся к оптическим телескопам. Когда в 1990 году запустили «Хаббл», многим казалось, что большие оптические телескопы теперь будут запускаться исключительно в космос. А вместо этого мы увидели настоящий бум строительства таких телескопов на Земле. Шестиметровый телескоп БТА, начавший работу в 1975 году, был построен на пределе возможного. И вдруг в 1990-е и 2000-е годы посыпались как из мешка телескопы с зеркалами 8, 9, 10 метров. Какие технологии позволили телескопостроению преодолеть «барьер шести метров», казавшийся непреодолимым?

— Старые технологии основывались на том, что зеркало телескопа должно быть абсолютно жестким, неизгибаемым, чтобы не деформироваться и не терять своих оптических качеств. Апофеозом этого стал БТА с 40-тонным зеркалом. Представить себе масштабирование этой технологии было невозможно. Более того, американцы считали, что нельзя построить зеркало больше 5 метров. Но мы вывернулись, сделали немножко другую механику и поставили шестиметровое зеркало.

Но это был действительно конец тех технологий. Надо было идти по пути облегчения зеркала. А как его облегчить? Сделать тоненьким, а тоненькое гнется. И тогда пришли две новые идеи.

Во-первых, можно сделать сплошное монолитное зеркало размером 8 метров. Но тоненькое, легкое. Но оно будет гнуться? Да, будет. А мы его будем поддерживать сзади механическими пальчиками, микродомкратами. Будем устранять деформации и не дадим ему потерять форму. Контролировать его форму, будет компьютер, появление компьютера очень важно.

Но есть другая проблема. На заводе-то можно сделать большое зеркало, а как доставить его на гору, где суждено работать телескопу? Эта очень серьезная проблема, доставка восьмиметрового зеркала стоит просто диких денег.

Решили так: давайте сделаем его из кусочков. Изготовим на фабрике кусочки, по кусочку поднимем, потом из них выложим единую поверхность. Можно выложить их на управляемую опору и выправить форму этим кусочкам, чтобы они работали как единая поверхность. Тут тоже формой оптической поверхности постоянно управляет компьютер. Теперь это называется активная оптика.

Оказалось, и та, и другая идеи работают. И большое монолитное тонкое зеркало, подпираемое микродомкратами, и собранное из жестких кусочков на управляемой опоре. Эта технология сейчас тоже достигает своего предела.

Зеркало 40-метрового телескопа будет состоять почти из восьми сотен кусочков. Даже мощным компьютерам тяжело справляться с управлением таким огромным количеством кусочков. Как дальше пойдет дело? Есть надежда, что дальше все-таки будем выводить оптические телескопы на площадки с низкой силой тяжести — на Луну или на орбиту.

Кстати, о запусках в космос. Понятно, почему большие оптические телескопы типа «Хаббла» больше не запускаются в космос. Космические телескопы очень дорогие, благодаря активной оптике можно построить гораздо лучший телескоп на Земле за те же деньги. При этом некоторые оптические инструменты все-таки запускаются в космос: ТESS для поиска экзопланет, «Гайя» для измерения местоположения и скоростей звезд. Почему именно в космос, несмотря на все достижения наземного телескопостроения?

— Атмосфера Земли сильно рассеивает свет и делает кляксы из изображений точечных звезд. Атмосфера мешает измерить положение звезды на небе и яркость звезды. А космический вакуум не мешает. Поэтому телескоп «Гайя» измеряет положение звезд с точностью до стотысячных долей угловой секунды.

Чтобы представить, что это за угол, положите обычный школьный ластик на поверхность Луны. С Земли он будет виден под углом две стотысячных долей угловой секунды. «Гайя» выясняет, где находится звезда, на каком расстоянии от Земли и с какой скоростью движется. Это очень важно.

Еще одно. Если на фоне звезды пролетают ее собственные планеты, они ее чуть-чуть затемняют. И это крошечное уменьшение яркости говорит нам о наличии планеты, о ее размере и орбите. И чем точнее мы это маленькое затмение измерим, тем более мелкие планеты обнаружим. Сначала мы обнаружили «юпитеры», это можно сделать и с Земли. Телескоп, выведенный в космос, меряет яркость звезд с точностью до тысячной доли процента. И мы обнаружили планеты размером с Землю и даже размером с Луну.

Понятно, зачем запускать телескопы в космос. Но сейчас говорят о том, чтобы размещать телескопы на Луне, и даже на обратной стороне Луны. Зачем? Что это даст науке?

— Обратная сторона Луны очень интересна радиоастрономам. Потому что Земля насыщена источниками радиоволн, и, летая рядом с Землей, радиотелескоп почти ничего не видит, кроме помех от Земли. А на обратной стороне Луны вы полностью загорожены самой Луной от радиопомех с Земли и со спутников, которые вокруг Земли летают. Обратная сторона Луны — это единственное доступное нам сегодня радиотихое место.

Соорудить что-то на Луне будет очень дорого. Китайцы придумали довольно красивый выход из этого положения. Они, предположу, уже начали строить серию радиоастрономических спутников с хорошими антеннами и приемниками, которые будут летать вокруг Луны. Они будут проводить часть времени над обратной стороной Луны и передавать друг другу эстафетную палочку.

Спутник, который в данный момент находится за Луной, ведет наблюдения. Потом вылетает из-за Луны, а следующий туда залетает и продолжает наблюдения. Это очень красивая идея. Несколько спутников Луны — это не очень большие деньги. Гораздо легче, чем затевать строительство на поверхности Луны. (Речь о системе спутников Hongmeng, которая может быть запущена уже в 2026 году. — Прим. ред.).

Будем ждать новых открытий.

_{Фото: B. TAFRESHI / KPNO / NOIRLAB / NSF / AURA; ESO; NASA; CHINESE ACADEMY OF SCIENCES}