Художественное изображение концепции терраскопа.
Астрономы и атмосфера Земли — непримиримые враги. Наблюдатели за звездами хотят получать четкие и ясные изображения своих небесных целей, тогда как ветры и облака рассеивают и блокируют звездный свет так сильно, что могут испортить даже самые тщательные измерения. За исключением небольшого неудобства, связанного с отсутствием воздуха для дыхания, многие астрономы предпочли бы, чтобы на нашей планете вообще не было атмосферы — по крайней мере, во время редких желанных ночей наблюдений на телескопах мирового класса. Космические телескопы Хаббла и TESS работают над неприятной атмосферой, но затраты на их запуск, за неимением лучшего слова, астрономические.
Однако новое компьютерное исследование предполагает, что атмосфера Земли является не только проклятием: она может стать благом для астрономии, усиливая звездный свет таким образом, чтобы уменьшить потребность в огромных (и чрезвычайно дорогих) телескопах на Земле и в космосе. Астрономам крайне необходимы такие новаторские подходы, позволяющие экономить деньги и повышающие производительность, поскольку стоимость строительства новых современных обсерваторий находится на неприлично дорогом уровне.
Наиболее очевидный способ делать новые открытия — это заглянуть максимально глубоко в космос, но чтобы собрать нужное количество света от тусклых далеких объектов нужно создавать все большие и большие зеркала. Эта стратегия быстро становится непомерно дорогой: так, строящийся в Чили почти 25-метровый Гигантский телескоп Магеллана, как ожидается, будет стоить около 1 миллиарда долларов. А на 6,5-метровый космический телескоп Джеймса Уэбба, который может быть будет запущен в 2021 году, уже потратили больше 10 миллиардов долларов.
Размеры зеркал телескопов в сравнении с теннисным и баскетбольным полями.
Астроном Колумбийского университета Дэвид Киппинг, автор статьи, которая будет опубликована в журнале Астрономического сообщества тихоокеанского региона, говорит, что его концепция может привести к созданию «терраскопа» (terrascope, terra+telescope, Земля+телескоп), который, имея в поперечнике всего около метра, сможет собрать столько же света, сколько 150-метровое зеркало. «Его потенциал огромен», — говорит Киппинг. «Вы сможете обнаружить горные цепи на ближайших экзопланетах. Вы сможете найти самые слабые источники [света] во вселенной». Терраскоп, по предположению Киппинга, поможет найти признаки жизни или даже развитую цивилизацию на планете за пределами нашей Солнечной системы.
Ключом ко всему этому является атмосферное преломление, то есть то, как свет изгибается при входе в атмосферу Земли из космоса — явление, которое вы наверняка отлично видели, если любовались красочными закатами в различных уголках нашей планеты. В определенных ситуациях такое явление, как рефракция, может фокусировать огромное количество света на небольшой площади, устраняя необходимость в гигантских зеркалах, которые, собственно, делают тоже самое. В частности, свет от далеких источников может преломляться в верхних слоях атмосферы, образуя световой конус вокруг Земли, который сходится в точку немного ближе, чем Луна, после чего свет распространяется дальше по фокальной линии.
Наблюдатель на этой линии, находящейся непосредственно за Землей, видел бы удаленный источник света как яркое кольцо, примерно в 22 500 раз ярче, чем если бы наша планета не преломляла свет от него, оценивает Киппинг. «Такое огромное усиление едва ли когда-нибудь будет достигнуто на созданном людьми телескопе», — говорит Жан Шнайдер, физик из Парижской обсерватории. С современным уровнем развития технологий было бы легко построить, запустить и эксплуатировать однометровый терраскоп в точке орбитальной стабильности несколько дальше Луны (точка Лагранжа, в данном случае имеется в виду L1 или L2 в 1.5 млн км от Земли. В этих областях космический зонд будет неподвижным относительно Земли без затрат топлива — прим. перев.). Шнайдер говорит, что единственным препятствием является финансирование.
Киппинг не первый, кто поднял эту идею: так называемое атмосферное линзирование обсуждается как минимум с 1979 года. «В некотором смысле, эта идея всегда была с нами», — говорит он. «Суть моей статьи лишь в том, чтобы рассчитать эту захватывающую возможность, которая может заслуживать дальнейшего внимания».
«Хотя остается много деталей для дальнейшей разработки, это пример инновационного мышления, которое может привести к научным прорывам при бюджете, где риск имеет смысл», — говорит Мартин Элвис, астрофизик из Гарвардского университета, выступающий за новые идеи, чтобы обуздать неконтролируемые расходы на постройку современных наземных телескопов.
Все точки Лагранжа системы Солнце-Земля.
Терраскоп может большее, чем простой телескоп, говорит Киппинг. Если использовать передатчик, а не приемник, процесс усиления сигнала можно повернуть вспять: испускаемые им волны света будут лететь к Земле, преломляться в верхних слоях атмосферы и перефокусироваться на другой стороне. Результатом будет являться узкий луч, с помощью которого можно отправлять сообщения на другие планеты. Поскольку интересные нам планеты и спутники в Солнечной системе также имеют преломляющую свет атмосферу, то, по словам Киппинга, «мы сможем создать межпланетную коммуникационную сеть — интернет по всей Солнечной системе».
Есть подводные камни. Например, расчеты Киппинга очень предварительные: они опираются на упрощенные атмосферные модели, которые не в полной мере учитывают реальные переменные, такие как высотные облака. Таким образом, реальная производительность терраскопа может не соответствовать оценкам, предложенным в его статье. А поскольку атмосферная рефракция будет усиливать свет лишь от тех объектов, которые выровнены так, чтобы находиться непосредственно перед Землей, «напротив» терраскопа, одно такое устройство будет способно работать лишь с небольшой областью неба. Запуск нескольких терраскопов сгладит эту проблему, но Киппинг отмечает, что это идет вразрез с желанием сэкономить, которое, собственно, и делает идею столь привлекательной.
Но остаются некоторые фундаментальные трудности. Слава Турышев из Лаборатории реактивного движения НАСА говорит, что оценки Киппинга для построения четкого изображения чрезмерно оптимистичны. Главной проблемой, по словам Турышева, является то, что нежелательный свет от Земли, Солнца, Луны и даже окрестностей далекой цели может мешать получению изображений. Он говорит, что такой «шум» может оказаться на уровне или даже сильнее, чем «сигнал», что сводит всю идею на нет. Еще одним осложнением является сама природа преломления: степень, с которой свет преломляется в атмосфере Земли, является функцией длины волны света, что может привести к скремблированию получаемых изображений (грубо говоря, к шифрованию получаемого сигнала случайным образом. Процесс обратим лишь в том случае, если известен алгоритм скремблирования, но в данном случае это не так — прим. перев.)
Киппинг согласен с тем, что предстоит проделать большую работу. «Подобные вопросы, я надеюсь, помогут доработать концепцию», — говорит он. Потенциал терраскопа слишком хорош, чтобы его игнорировать: по его словам, «идея космического телескопа стометрового класса или даже больше действительно впечатляет».
