Человечество стоит на пороге новой эры в астрономии благодаря созданию обсерваторий следующего поколения, способных разгадать величайшие тайны Вселенной. В свежем выпуске научно-популярного канала PBS Space Time подробно разбираются три амбициозных проекта: космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), Гигантском Магелланов телескоп (GMT) и Большой синоптический обзорный телескоп (LSST). Эти высокотехнологичные инструменты позволят заглянуть в космическое прошлое и зафиксировать динамические изменения в окружающем нас космосе.
🌌 Наследие «Хаббла» и рождение космического оригами 0:26
Космический телескоп «Хаббл» по праву считается важнейшей обсерваторией из когда-либо построенных человечеством. Его потрясающие снимки и спектральные данные открыли невероятные окна во Вселенную. Однако «Хаббл» был запущен еще в 1990 году и сейчас работает уже более чем на десять лет дольше своего первоначального 15-летнего расчетного срока службы. Настало время для следующего поколения великих обсерваторий.
Первым в очереди стоит широко разрекламированный преемник «Хаббла» — космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST). Обладая диаметром зеркала в 6,5 метров по сравнению с 2,4 метрами у «Хаббла», он имеет более чем в пять раз большую собирающую площадь. Это означает колоссальное увеличение чувствительности прибора.
Поскольку это самый крупный телескоп, когда-либо планировавшийся к запуску, единственный способ поместить его в ракету — сложить в стиле оригами. «Уэбб» начнет разворачивать свои 18 гексагональных сегментов главного зеркала прямо во время путешествия ко второй точке Лагранжа системы Солнце — Земля (L2), расположенной примерно в миллионе миль от нас. Процесс развертывания, охлаждения и тестирования займет еще пять месяцев, прежде чем камеры телескопа откроются для неба.
👁️ Инфракрасное зрение: взгляд сквозь космическую пыль 1:32
Камеры нового телескопа оптимизированы для работы преимущественно в инфракрасном диапазоне волн, в отличие от «Хаббла», который создавался для оптического и ультрафиолетового излучения. Главная причина такого выбора — необходимость получения так называемых «детских снимков» Вселенной.
Планеты формируются вокруг молодых звезд, а сами молодые светила скрыты внутри плотных облаков газа и пыли. Более длинные волны света рассеиваются менее легко, чем короткие, и поэтому им гораздо проще вырваться из этих заполненных пылью звездных яслей. По сравнению со снимками «Хаббла» в видимом свете, инфракрасный взгляд «Уэбба» сможет проникать гораздо глубже.
Огромное зеркало позволит «Джеймсу Уэббу» обнаруживать объекты, которые в 16 раз тусклее тех, что видел «Хаббл». Это предоставит астрономам уникальные кадры формирования самых первых звезд и галактик. На этих ранних этапах критически важны как чувствительность, так и инфракрасные возможности.
Свет от древнейших галактик путешествовал по расширяющейся Вселенной с самого начала времен. За это время расширение пространства растянуло световые волны глубоко в инфракрасную область. По прогнозам авторов, «Уэбб» сможет обнаруживать объекты, существовавшие, когда возраст космоса составлял всего 100 миллионов лет. Обсерватория призвана помочь ученым выяснить, формируют ли звезды галактики или, наоборот, галактики формируют звезды, а также понять роль темной материи в этом процессе.
🌊 Дифракционный предел и борьба с космическим теплом 3:06
Использование инфракрасного света, по словам ведущего, является палкой о двух концах из-за двойственной природы света. Свет может рассеиваться на пылинке как частица, но также может отклоняться краями телескопа как волна в процессе, называемом дифракцией.
В результате существует абсолютный предел четкости фокусировки. Одиночная точка, например звезда, всегда будет немного размытой на снимке. Минимальный размер деталей, который может зафиксировать любой телескоп, определяется дифракционным пределом, который увеличивается с ростом длины волны.
Это означает, что инфракрасный свет изначально проигрывает видимому или ультрафиолетовому излучению в четкости. Однако дифракционный предел уменьшается с увеличением размера апертуры. То, что «Уэбб» теряет из-за концентрации на инфракрасном спектре, он с лихвой компенсирует своими гигантскими размерами. Его инфракрасные снимки будут такими же четкими, как изображения «Хаббла» в видишем свете.
Самой большой проблемой при наблюдениях в инфракрасном диапазоне является тепло. Открытый космос отлично подходит для защиты от теплового свечения атмосферы, но несанкционированное тепло от неохлаждаемой электроники телескопа может оказаться еще ярче. Детекторы «Уэбба» будут принудительно охлаждаться с помощью криогенных систем до леденящих 50 Кельвинов (-223°C).
Дополнительно телескоп оснащен пятислойным солнцезащитным экраном, блокирующим солнечный свет. Попутным преимуществом этой хрупкой структуры станет защита от мелкого космического мусора. Стоит отметить, что без чувствительности к видимому и ультрафиолетовому спектру «Уэбб» не сможет полностью заменить «Хаббл», он лишь продолжит его наследие.
🏔️ Наземные гиганты: Гигантский Магелланов телескоп и гибкая оптика 4:38
Истинные преемники «Хаббла» в оптическом диапазоне будут построены вовсе не в космосе. Сейчас планируется новое поколение наземных экстремально больших телескопов. Первым из них станет Гигантский Магелланов телескоп (GMT), который строится в высокогорном и засушливом регионе пустыни Атакама в чилийских Андах.
Конструкция GMT включает в себя:
- Семь огромных монолитных зеркал весом около 15 тонн каждое.
- Эффективную апертуру диаметром 24,5 метров.
- Собирающую площадь, которая более чем в 80 раз превышает возможности «Хаббла» и почти в 15 раз — «Уэбба».
В отличие от космических аппаратов, GMT оптимизирован для работы в видимом диапазоне волн, повторяя специализацию «Хаббла». Однако использование телескопов внутри земной атмосферы сопряжено с серьезными трудностями, известными как астрономическая видимость.
Даже сухой воздух над пустыней Атакама находится в постоянном движении. Свет от далекой звезды достигает Земли в виде серии плоских волновых фронтов. В идеальных условиях телескопы фокусируют эти фронты в идеальную точку, воссоздавая безупречное изображение. Однако турбулентность в атмосфере искривляет волновые фронты. Для человеческого глаза это выражается в мерцании звезд, а для телескопов — в размытии изображений.
По оценкам специалистов, если бы гигантское зеркало GMT работало в космосе, оно давало бы снимки в 10 раз четче «Хаббла». На Земле же из-за атмосферы разрешение обычно падает в 10 раз хуже хаббловского. На помощь приходит технология адаптивной оптики.
Вторичные зеркала GMT будут гибкими. Компьютерная система будет управлять тысячами актуаторов, деформирующих зеркала на высокой скорости для выравнивания искривленных волновых фронтов. Для отслеживания турбулентности в реальном времени GMT будет направлять шесть мощных натриевых лазеров на высоту 90 километров в верхние слои атмосферы, создавая искусственные опорные звезды.
Зеркала будут деформироваться до сотен раз в секунду, сохраняя фокус. Высокая чувствительность и беспрецедентная резкость позволят GMT делать прямые фотографии планет в других звездных системах и изучать спектральный состав их атмосфер. Астрономы также надеются обнаружить с его помощью следы самого первого поколения звезд во Вселенной.
⏱️ Измерение времени, а не пространства: скоростной обзор LSST 7:47
Еще один революционный проект, реализуемый в Чили — Большой синоптический обзорный телескоп (LSST). Диаметр его главного зеркала составляет 8,4 метра, что в три с половиной раза больше, чем у «Хаббла». Однако главный секрет LSST кроется не в размерах, а в феноменальной скорости работы.
Телескоп будет полностью сканировать все южное небо каждые несколько ночей. Это станет возможным благодаря гигантскому полю зрения его камеры размером с автомобиль и разрешением 3,2 гигапикселя. В некотором смысле LSST ориентирован на измерение времени, а не только пространства: он покажет, как объекты меняются и движутся на протяжении дней, месяцев и лет.
Для сравнения, Слоановский цифровой небесный обзор (SDSS) картографирует крупные участки неба за целый год. LSST делает это в сотни раз быстрее. Каждую ночь на протяжении 10 лет он будет делать по 1000 пар экспозиций и сохранять до 15 терабайт данных.
Возможности телескопа позволят фиксировать множество явлений:
- Движение «беглых» высокоскоростных звезд, мчащихся через Галактику.
- Быстро перемещающиеся объекты в Солнечной системе, включая потенциально опасные для Земли астероиды.
- Вспышки новых сверхновых, что улучшит понимание природы темной энергии.
- Оптические послесвечения гамма-всплесков — самых мощных взрывов во Вселенной.
- Мерцание объектов далекого космоса, вызванное гравитационным линзированием массивных тел.
Ведущий подчеркивает, что «Уэбб», GMT и LSST в корне изменят астрономию. Они созданы для поиска ответов на «известные неизвестные», однако самые захватывающие открытия, скорее всего, коснутся «неизвестных неизвестных» — вещей, которые человечество даже не ожидает встретить в глубинах пространства и времени.
📐 Геометрия Минковского и чёрные дыры: ответы на вопросы зрителей 11:14
В традиционном блоке ответов на комментарии к прошлому выпуску ведущий коснулся темы специальной теории относительности и визуализации пространства-времени с помощью геометрии. Автор иронично извился перед фанатами Германа Минковского за то, что в прошлый раз исказил произношение его фамилии, в шутку попытавшись списать это на австралийский акцент.
Зрители также интересовались связью между плоской геометрией на диаграммах пространства-времени и искривлением пространства под воздействием массы и энергии. Ведущий пояснил, что представленная ранее диаграмма отображает плоское пространство Минковского, где нет массы, искривляющей его. Гиперболическая геометрия возникает лишь при проецировании интервала пространства-времени на третье измерение, наглядно иллюстрируя направленность причинно-следственных связей.
Кроме того, было упомянуто, что выбор знаков «минус» или «плюс» перед пространственными и временными координатами в формуле интервала — это лишь вопрос научной конвенции. Напоследок, отвечая на вопрос пользователя QED о том, какой первый эксперимент он провел бы, если бы ему дали черную дыру, ведущий ответил, что запустил бы YouTube-канал под названием «Спагеттизирует ли это?».
