Возможно вы не раз видели фотографии куполов обсерваторий, из которых в ночное небо выстреливает лазерный луч. Возможно, вдоволь насладившись запечатленным пейзажем, вы задавались вопросом «Зачем астрономам направлять лазер в ночное небо?». Ответ прост и одновременно удивителен: так астрономы создают искусственные звезды. Но обо всем по порядку.
Взглянув на небо в ясную и тихую ночь где-нибудь в дали от городских огней, вы обязательно заметите, что все звезды мерцают. Они подрагивают, становятся то ярче, то слабее, а иногда и вовсе слегка меняют свой цвет; все это делает и так великолепную картину ночного неба еще более красивой и завораживающей. Однако мерцание — это не свойство самих звезд. Мерцание звезд — это результат прохождения их света через земную атмосферу.
Толщина воздушной оболочки Земли в среднем равна 100 км, и лучи света, проходя сквозь нее, много раз преломляются, то сосредотачиваясь, то рассеиваясь. В итоге для земного наблюдателя все звезды красиво мерцают. И все бы хорошо, но если нам вдруг захочется получить очень четкое изображение какой-либо тусклой звезды или разглядеть детали строения сверхдалекой галактики, из-за искажения их света в атмосфере мы скорее всего получим лишь размазанное светлое пятно. И хотя ученые не лишены чувства прекрасного и готовы любоваться мерцающими звездами в свободное от работы время, они бы очень обрадовались, если бы никакого воздуха между ними и звездным небом не было.
Именно с целью уменьшить размытость изображения главные научные обсерватории строятся высоко в горах — так можно частично «убрать» нижние, самые плотные слои атмосферы. Однако это все же не позволяет полностью избавиться от атмосферных искажений, и тогда ученые идут дальше — они запускают телескопы в космос, туда, где нет никакого воздуха, и звезды сияют неподвижным светом. Одной из таких космических обсерваторий является знаменитый телескоп «Хаббл». Телескоп был выведен на орбиту Земли в 1990-м году, и до недавнего времени его преимущество над наземными телескопами было подавляющим (разрешающая способность «Хаббла» в 7-10 раз выше, чем у такого же телескопа, установленного на Земле).
Но что, если мы хотим добиться еще лучшего качества, которое в итоге поможет нам сделать еще больше удивительных открытий? Для этого, при прочих равных, придется увеличить размер зеркала телескопа, но вот беда: чем больше зеркало, тем больше оно весит и тем тяжелее его изготовить и вывести такой телескоп в космос. Гораздо проще и дешевле строить огромные телескопы на Земле. Например, на постройку обсерватории Кека на Гавайях с двумя(!) 10-ти метровыми телескопами было потрачено около 70 миллионов долларов, тогда как «Хаббл» к моменту запуска обошелся в 2500 миллионов (2.5 миллиарда долларов). Именно сложность и дороговизна (читай: недоступность) орбитальных обсерваторий заставляют ученых искать способы усовершенствования наземных телескопов, и использование лазеров — это и есть наша попытка компенсировать атмосферные искажения.
Все дело в том, что на высоте около 90-100 км в атмосфере находится тонкий слой атомарного натрия. Если этот слой подсветить мощным лазером, атомы натрия, поглотив часть света, сначала перейдут в возбужденное состояние, а затем начнут излучать свет обратно. В итоге мы можем создать своего рода искусственную звезду в любой точке неба.
Свет от такой звезды прежде, чем попасть обратно в телескоп, пройдет через те же самые слои атмосферы и исказится также, как и свет от настоящих звезд по соседству. Но это как раз то, что нам нужно: мы-то точно знаем, как наша искусственная звезда должна выглядеть, не будь никаких искажений! Сравнив полученное изображение с эталоном, мы можем в точности рассчитать параметры атмосферных искажений в каждый момент времени и адаптировать нашу оптическую систему так, чтобы эти искажения компенсировать.
Адаптация оптической системы представляет собой постоянное изменение формы специального зеркала на основе рассчитанных искажений. Мощные компьютеры с большой точностью перерасчитывают и корректируют форму зеркала до 2000 раз в секунду, позволяя ученым получать превосходные фотографии космических объектов. Ниже короткое видео от Обсерватории Джемини, объясняющее, как ученые используют искусственные звезды:
Адаптивная оптика — это, возможно, самая продвинутая технология, используемая сегодня в астрономии. Искусственные звезды и зеркала с изменяемой формой поверхности позволяют наземным телескопам обеспечивать качество изображения сравнимое с «Хабблом», а иногда и лучшее. С помощью этой техники ученым удалось различить двойные звезды там, где раньше получалось увидеть лишь размытую кляксу:
Или сфотографировать центральную область шарового звездного скопления NGC 288 так четко, как до этого мог только телескоп «Хаббл»:
Развитие технологии продолжается, и новые телескопы способны обеспечивать еще большую разрешающую способность. Возможно очень скоро наземные обсерватории заглянут в космос намного дальше, чем это смогли сделать орбитальные телескопы. Ну а мы с вами, в следующий раз увидев купол обсерватории с выходящим из него лазерным лучом, будем точно знать, зачем это нужно.
