# Как Терраскоп Дэвида Киппинга может превратить Землю в гигантский телескоп

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=OjXN-SmHvC0
Канал: Event Horizon
Опубликовано: 15.08.2019

---

Профессор Колумбийского университета Дэвид Киппинг предложил революционную концепцию космического телескопа под названием «Терраскоп» (Terrascope), который использует атмосферу Земли в качестве гигантской линзы. Вместо дорогостоящих зеркал этот метод полагается на атмосферную рефракцию, позволяя превратить скромный однометровый детектор в аналог сверхмощного телескопа. В интервью для канала Event Horizon учёный подробно описал механизмы работы Терраскопа, его потенциал в поиске экзолун и техносигнатур, а также сравнил проект с классическим гравитационным линзированием.

## 🌍 Принцип работы Терраскопа: Земля вместо зеркала
[[JUMP:02:15]]

Идея проекта заключается в том, чтобы использовать саму Землю в качестве гигантского телескопа. В традиционной астрономии для сбора и фокусировки света применяются зеркала или стеклянные линзы. Дэвид Киппинг предлагает задействовать для этой цели земную атмосферу, которая способна преломлять (рефрагировать) проходящий сквозь неё свет и собирать его в фокальной точке.

По словам учёного, этот метод принципиально отличается от гравитационного линзирования, концепция которого разрабатывается достаточно давно. В качестве примера Киппинг приводит проект космической миссии FOCAL, предложенный Клаудио Макконе Европейскому космическому агентству (ESA) в 1993 году. В рамках той концепции детектор предлагалось отправить на сверхдалёкую окраину Солнечной системы — на расстояние более 550 астрономических единиц (а.е.), где проходящие мимо Солнца лучи фокусируются за счёт его гравитационного поля. Из-за особенностей гравитации фокус там растягивается в линию, уходящую от 550 а.е. в бесконечность.

Принцип работы Терраскопа аналогичен, однако за преломление лучей отвечает не гравитация, а атмосферная рефракция. Киппинг приводит простые физические примеры:

* Искажение предметов в плавательном бассейне из-за изменения скорости света в разных средах.
* Эффект земного заката, при котором солнце кажется наблюдателю на полградуса выше своего реального положения, позволяя видеть его даже после того, как оно опустилось за горизонт.

Если световой луч из космоса проходит по касательной через атмосферу Земли к глазу наблюдателя, он изгибается на полградуса. Но если убрать наблюдателя, этот луч продолжит движение, изогнётся ещё на полградуса при выходе обратно в космос и в итоге отклонится на 1 градус. По расчётам Киппинга, такие лучи сфокусируются на расстоянии, равном примерно двум третям дистанции от Земли до Луны. Как и в случае с гравитационной линзой, менее плотные верхние слои атмосферы отклоняют свет слабее, формируя непрерывную фокальную линию, тянущуюся дальше в космос.

## 🟢 От «зелёной вспышки» к космическому прорыву
[[JUMP:06:35]]

Дэвид Киппинг признаётся, что истоки идеи Терраскопа лежат в его магистерской диссертации, написанной 13 лет назад. Тогда его научный руководитель поручил ему исследовать классический феномен «зелёной вспышки» — редкого оптического эффекта во время заката, обусловленного рефракцией и рассеянием света в атмосфере. Зелёный и синий спектры света преломляются сильнее красного, поэтому теоретически солнце на самом краю горизонта приобретает зеленовато-синий оттенок. Синий свет сильно рассеивается атмосферой (именно поэтому небо кажется нам голубым), из-за чего наблюдатель видит только финальный зелёный блик.

Изучая этот процесс, Киппинг пришёл к выводу, что космонавт на орбите тоже мог бы заметить этот эффект, а на определённом удалении от Земли вокруг планеты вспыхнуло бы сплошное зелёное кольцо. В то время его руководитель посчитал это лишь забавной интеллектуальной курьёзностью. Однако годы спустя, ознакомившись с концепцией солнечной гравитационной линзы, астроном связал эти факты и задумался об использовании Земли вместо Солнца.

Главной проблемой земной атмосферы является её нестабильность, постоянное движение слоёв и наличие облачности. Чтобы обойти эти препятствия, детектор необходимо разместить как можно дальше. Оптимальной точкой Киппинг считает сферу Хилла — область динамической стабильности спутников, которая находится примерно в четыре раза дальше орбиты Луны. Лучи, проходящие слишком близко к поверхности Земли, будут преломляться слишком сильно и пролетят мимо детектора. Расчёты учёного показывают:

* Свет должен проходить через атмосферу на высоте около 13,7–14 километров.
* Эта высота зависит от климатической зоны: над Арктикой рабочая зона атмосферы лежит чуть ниже, над Африкой — чуть выше.

На высоте 14 километров прибор оказывается выше основной массы облаков тропосферы. Небольшое количество высотных перистых облаков способно снизить уровень сигнала всего на 8%, что, по мнению гостя, не критично. Общие потери из-за поглощения света газами составят около 20%, но оставшийся сигнал всё равно обеспечит колоссальное преимущество.

## 🔭 Возможности Терраскопа: в 50 000 раз ярче
[[JUMP:11:33]]

Если разместить на расчетном расстоянии скромный космический телескоп с однометровым зеркалом, то за счёт фокусирующих свойств Земли яркость света от далёких звёзд увеличится в 50 000 раз. По оценке Киппинга, это эквивалентно превращению однометрового прибора в гигантский телескоп с апертурой от 150 до 200 метров. Такой подход видится астроному крайне экономичным способом получения сверхмощного инструмента. Вместо постройки колоссальных наземных сооружений можно запустить серию относительно дешёвых стандартных спутников.

Специализацией Дэвида Киппинга является поиск экзопланет и экзолун. Астроном поясняет, что любой телескоп решает две задачи: либо пытается визуально разрешить мелкие детали на поверхности объекта (например, континенты или города), либо работает как увеличительное стекло, собирая колоссальный поток фотонов. В своей научной работе Киппинг сознательно отказался от идеи оптического восстановления изображений из-за хаотичной турбулентности и сдвигов слоёв в земной атмосфере. Вместо этого он предлагает сосредоточиться исключительно на измерении возросшей яркости объектов.

Для сравнения учёный приводит космический телескоп Kepler, который обладал однометровым зеркалом и без всякого атмосферного линзирования достигал точности фотометрии в несколько десятков миллионных долей. Это позволяло ему фиксировать планеты размером с Землю. Терраскоп, увеличивая мощность в 50 000 раз, теоретически способен обнаружить объекты в 200 раз меньше Земли. По словам исследователя, благодаря такой чувствительности астрономы смогут:

* Находить малые луны, кометы и астероиды неправильной формы в далёких звёздных системах.
* Определять рельеф и отклонение экзопланеты от идеальной сферической формы по изменению её силуэта во время вращения на фоне родительской звезды.
* Изучать биосигнатуры и фиксировать точные параметры планет, такие как их сплюснутость у полюсов.

## 🏙️ Поиск внеземных городов и биосигнатур в инфракрасном диапазоне
[[JUMP:16:46]]

Одним из популярных маркеров жизни считается так называемый «вегетационный красный край» (vegetative red edge) — свойство земных растений интенсивно отражать инфракрасный свет. Киппинг отмечает, что этот маркер лежит на границе видимого диапазона, и зафиксировать его с помощью Терраскопа будет непросто. Дело в том, что Терраскоп оптимизирован для работы в инфракрасном спектре. Оптический свет сильно страдает от рэлеевского рассеяния в атмосфере Земли (из-за чего синий спектр теряется полностью, а красный частично ослабевает).

Другой известной биосигнатурой является озон, однако Киппинг утверждает, что Терраскоп абсолютно слеп к нему. В земной атмосфере содержится слишком много собственного озона, который полностью поглощает ультрафиолетовое излучение в верхних слоях и намертво блокирует этот диапазон длин волн для внешних наблюдений. В то же время у учёных есть хорошие шансы обнаружить на других планетах метан, кислород (O2), углекислый газ, монооксид углерода, этан и другие углеводороды, так как их спектральные следы в верхних слоях земной атмосферы выражены не так агрессивно.

В инфракрасном диапазоне Терраскоп также может искать техносигнатуры — следы деятельности разумных цивилизаций. Профессор делится гипотезой об обнаружении эффекта «теплового острова», характерного для крупных городов. Например, в Нью-Йорке из-за обилия бетона и работающих кондиционеров температура в среднем на 3°C выше, чем в остальной части штата. Киппинг предполагает, что по мере вращения экзопланеты эти урбанизированные тепловые зоны будут циклически появляться на её видимой стороне.

Ведущий поинтересовался, как отличить тепло города от естественной геологии, например, излияния лавы. Астроном объясняет разницу физических проявлений этих процессов:

1.  Расплавленный камень или железо имеют температуру около 3000 Кельвинов, что даёт мощный и специфический спектральный сигнал.
2.  Города излучают тепло в районе 300 Кельвинов (всего на несколько градусов выше окружающего фона) и представляют собой обширные диффузные тепловые пятна с низким контрастом.

Для фиксации подобных сигналов Киппинг предлагает использовать так называемую фазовую кривую — непрерывный мониторинг экзопланеты на всём протяжении её орбиты, а не только в момент транзита. Сверхточная фотометрия Терраскопа позволит замечать микроскопические изменения блеска при повороте планеты разными полушариями (например, когда океаническое полушарие сменяется континентальным с зажжёнными ночными огнями).

## 🛰️ Главный недостаток и решение: флот из сотен кубсатов
[[JUMP:27:25]]

Главным и самым существенным ограничением Терраскопа Дэвид Киппинг называет его строгую геометрическую привязку: прибор способен наблюдать только за теми объектами, которые в данный момент находятся строго позади Земли на одной линии с детектором. Допустимое смещение составляет не более диаметра Земли. Всё, что находится вне плоскости орбиты спутника, оказывается невидимым. Похожее ограничение накладывается и на солнечную гравитационную линзу, но там оно выражено ещё сильнее: из-за крайне медленного вращения вокруг Солнца на таком расстоянии телескоп фактически превращается в статичный инструмент, нацеленный на один-единственный объект на протяжении тысяч лет. Терраскоп на околоземной орбите хотя бы динамично меняет своё положение по мере движения Земли вокруг Солнца.

Для преодоления этой проблемы Киппинг предлагает запустить флот из множества малых спутников формата кубсат (Cubesat). Сегодня их базовое производство обходится относительно дёшево — от 10 000 долларов за простейшие модели, хотя для высокой орбиты в сфере Хилла и новых технологий цена будет выше. Тем не менее, это несравнимо с затратами на классические проекты вроде телескопа James Webb, который обошёлся в 10 миллиардов долларов.

По расчётам гостя, если оснастить кубсат скромным 85-миллиметровым объективом (аналогичным объективам DSLR-камер, на которые Event Horizon снимает свои видео), то за счёт линзирования Земли он обретёт собирающую способность 50-метрового телескопа. Развёртывание флота таких аппаратов позволит одновременно наблюдать за сотнями разных целей, а массовое производство снизит технологические издержки. Учитывая появление тяжёлых ракет-носителей от SpaceX и Blue Origin, создание подобной системы становится вполне осязаемой перспективой.

При этом Киппинг подчёркивает, что его исследование — это лишь первый шаг и семя новой идеи, требующее скептической оценки коллег, детального моделирования турбулентности и предварительных тестов. В своей научной философии он ориентируется на подход «акций и облигаций», который перенял у известного астрофизика Ави Лёба во время работы в Гарварде:

* «Облигации» в науке — это надёжные консервативные исследования с гарантированным, но медленным возвратом инвестиций (например, постепенное плановое увеличение зеркал обычных телескопов).
* «Акции» — это высокорисковые проекты (около 5% бюджета), которые могут полностью прогореть, но в случае успеха оборачиваются грандиозным технологическим прорывом.

Киппинг считает Терраскоп именно таким «дешёвым лотерейным билетом», который глупо не купить.

## 📡 Обратный эффект: Земля как межпланетная антенна
[[JUMP:34:45]]

Вторым многообещающим аспектом Терраскопа, который Киппинг не включил в свою основную научную статью, является работа системы в реверсивном режиме. Земную атмосферу можно использовать не только как приёмник (детектор), но и как передатчик (антенну). Если поместить в фокальную точку мощный передатчик, то сферические радиоволны, проходя сквозь атмосферный обод планеты, сфокусируются в узконаправленный коллимированный луч с тем же коэффициентом усиления в 50 000 раз.

Учёный предполагает, что это позволит создать невероятно высокоскоростную систему связи в Солнечной системе. Действующие или завершённые миссии, такие как Juno на Юпитере или Cassini на Сатурне, всегда были жёстко ограничены в объёмах передаваемых данных из-за огромных расстояний и малой мощности бортовых антенн. Если использовать атмосферу самого Юпитера или Сатурна как гигантскую передающую антенну, а Терраскоп на Земле — как приёмник, человечество сможет организовать прямые трансляции из глубокого космоса в разрешении 4K или 8K.

Эта же логика применима и к поискам внеземного разума (SETI). Киппинг считает, что инопланетные цивилизации могут использовать атмосферы своих планет для отправки сигналов в космос. Идеальным моментом для передачи такого сигнала является транзит их планеты по диску родной звезды, когда геометрия выстраивается в идеальную линию. Профессор призывает коллег не ограничиваться оптическими наблюдениями во время транзитов экзопланет, а сканировать их в радиодиапазоне на тех частотах, которые лучше всего поддаются атмосферному линзированию.

Отвечая на вопрос ведущего об использовании канонической для SETI радиолинии водорода (1420 МГц), Киппинг высказывается осторожно. На пути радиоволн встаёт ионосфера Земли — заряженный слой атмосферы, который сильно поглощает или отражает определённые радиочастоты из-за взаимодействия с солнечной радиацией. Коэффициент усиления Терраскопа практически неизменен на всех волнах длиннее 1 микрона (в инфракрасном и радиодиапазонах атмосфера преломляет свет одинаково). Однако влияние ионосферы требует отдельного сложного моделирования, которое астроном призывает провести других специалистов.

## ☀️ Солнце как ультимативный телескоп
[[JUMP:51:39]]

Концепция Терраскопа требует решения ещё одной важной инженерной задачи — блокировки ослепительного света самого земного диска. Самым простым решением Киппинг называет запуск огромного физического экрана (коронографа или «зонтика») диаметром в сотни километров, который закроет планету, оставив видимым только тонкое кольцо атмосферы. Наличие такого искусственного мегаэкрана возле экзопланеты, по мнению гостя, само по себе станет явной техносигнатурой, которую астрономы смогут обнаружить при транзите.

Развивая тему космической инженерии, собеседники обсудили и другие масштабные проекты. Например, обнаружение гигантских околопланетных «ройов Дайсона» из телескопов, космических солнцезащитных ширм для борьбы с глобальным потеплением, или следов терраформирования планет типа Венеры и Марса. Киппинг подчеркивает, что высшая точка развития технологий заключается не в борьбе с природой, а в поиске её «лазеек» и использовании естественных масштабов планет и звёзд.

Возвращаясь к первоначальной идее использования Солнца в качестве гравитационного телескопа, предложенной Фон Эшлеманом в 1979 году, Киппинг называет её вершиной возможного дизайна телескопов. Гравитационная линза Солнца позволила бы разглядеть детали размером в несколько километров на планете в 100 световых годах от нас. Однако этот проект сталкивается с колоссальными трудностями:

* Слишком медленное движение детектора на расстоянии 550 а.е. обрекает его на созерцание лишь одного объекта.
* Полёты на такие дистанции при нынешнем уровне ракетных технологий займут более 100 лет (аппарат Voyager 2 за 30 лет преодолел лишь четверть этого пути).
* Солнечная корона создаёт мощнейшую засветку, способную полностью заглушить полезный сигнал, тогда как у Земли есть лишь слабое полярное сияние.

Тем не менее, принципы линзирования могут пригодиться в проектах вроде Starshot (полёт к Альфе Центавра). Космический зонд на скорости 0.2c мог бы использовать гравитацию звёзд системы Альфы Центавра для отправки данных обратно на Землю, обойдясь передатчиком мощностью всего в несколько ватт. В самом крайнем, пессимистичном сценарии человечество могло бы разместить на окраине Солнечной системы долговечный маяк, транслирующий все накопленные знания (условную «Галактическую энциклопедию» или Википедию) вглубь Вселенной через солнечную линзу.

В завершение беседы ведущие разбавили сложную научную дискуссию шутливой бытовой историей. Джон Майкл Годье похвастался покупкой автомобиля, который он посчитал «Шевроле Малибу» с отличным расходом топлива, однако его соведущая Анна быстро разоблачила обман: машина оказалась «Владивостоком» 1977 года выпуска, купленным ушлыми продавцами за 400 рублей, у которого прямо на ходу отклеивались фальшивые шильдики.