«Техника-молодежи» 1991 г. №12, с.62-63

Михаил ГЕРЦЕНШТЕИН, доктор физико-математических наук Владимир Клавдиев, кандидат физико-математических наук Есть ли планеты в звездных системах — соседях нашего Солнца? Если да, то существует ли на них разум или хотя бы жизнь? Эти вопросы на протяжении нескольких веков были своего рода движителем сначала астрономии, а теперь и космонавтики. Правда, оказалось, что задать их несравненно легче, чем получить ответы. Диаметр зеркал наземных телескопов все время растет, и сегодня достигает 5 — 6 м. Однако его дальнейшее увеличение наталкивается на существенные трудности — сила тяжести деформирует многотонные зеркала и линзы, теряется качество изображения. Чтобы скомпенсировать деформацию оптики, приходится продумывать сложнейшую механическую подвеску. Мы уж не говорим о том, как сложно отлить стеклянное зеркало, а затем заставить медленно остывать; большие сложности возникают и при точной шлифовке его поверхности. В итоге — изготовление одного инструмента занимает несколько лет. Свет — это волна, и далекий точечный источник света виден в телескоп как пятно-кружок с угловым размером φ=λ/D. Это так называемый дифракционный предел (λ— длина волны, D — диаметр телескопа). Кроме того, кружок-изображение перемещается в пределах Δφ=1´», во-первых, из-за того, что атмосфера неоднородна и ее свойства меняются, а во-вторых, из-за неточности отслеживания телескопом «движущегося» небосвода. Сюда же надо добавить и изменения линейных размеров конструкции даже из-за малейшего нагрева отдельных ее частей — например, рядом прошел астроном.

Судя по всему, наземные телескопы исчерпали возможности количественного роста — достигли своего предела прочности и точности, а значит, и предела своих познавательных возможностей. Не случайно же самые интересные планетологические открытия последних лет пришлись на долю космических аппаратов (КА), а не наземных оптических приборов. Да и в самом деле, полететь и сфотографировать с близкого расстояния, что называется — «в упор», скажем, комету Галлея или кольца Сатурна куда информативнее, чем десятилетия изучать их многочисленные и нечеткие снимки, сделанные сквозь толщу воздуха.

Ну а к соседним звездам КА пока рановато посылать, здесь телескопы остаются вне конкуренции. Но если им мешают земные условия, то почему бы их не вынести в космос? И вот на орбите появился «Хаббл» («ТМ» № 11 за 1990 год). Увы, хотя этот инструмент весьма многообещающий, его возможности не столь уж разительно отличаются от наземных оптических устройств (по крайней мере планету у других звезд с него не разглядишь). Дело в том, что транспортируемый ракетой груз и хрупкость линз накладывают жесткие ограничения на размеры конструкции.

Это если ее строить традиционным путем. А нетрадиционным? Для начала определим условия задачи.

Когда вы смотрите на два удаленных объекта — звезду с планетой, то основное требование к оптическому прибору — способность различить две близкорасположенные и слабосветящиеся точки.

Возьмем расстояние 30 св.лет — округленно 3х10¹⁴ км. Для простоты предположим, что звезда — двойник Солнца, а планета — аналог Земли — удалена от нее на те же 150 млн. км (1,5 х 10⁸ км). Тогда угловое расстояние между ними равно: 1,5х10⁸ / 3х10¹⁴ = 0,5х10⁶ = 0,1» (в десять раз больше погрешности прибора Δφ в земных условиях). Радиусы Солнца и Земли — 0,7х10⁶ и 6,4х10³ км, соответственно. Тогда отношение площадей поверхностей звезды и планеты — 10⁴ раз.

Кроме того, надо учесть, что планета светит отраженным светом, причем яркость ее значительно меньше яркости звезды. Для простоты вычислений допустим, что планета обладает идеальной отражающей способностью, все равно из-за разности площадей светимость ее будет в 4,6х10⁸ раз слабее, чем у звезды. То есть разница составит около 22,5 звездных величины. Таким образом, мы должны будем наблюдать за двумя близкорасположенными светящимися точками 6 и 28,5 звездной величины.

Теперь зададимся целью, чтобы изображение планеты, полученное с помощью телескопа, имело хотя бы размер дифракционного кружка (> 1"). Легко подсчитать и диаметр зеркала телескопа — 100 м. Куда там «Хабблу»!

Конечно, если действовать по привычной схеме: изготовление телескопа на Земле и транспортировка его на орбиту — проект стоит признать фантастикой чистой воды. Однако ничто не мешает нам поступить по-другому: например, изготовить зеркало — основную часть телескопа — непосредственно на орбите.

Вспомним физику. Мыльный пузырь в невесомости представляет собой идеальный шар, радиус которого определяется поверхностным натяжением и внутренним давлением. Отсюда следует: чтобы изготовить хорошее сферическое зеркало, надо выдуть в космосе на тонком кольце часть пузыря, допустим, из металлизированной пленки. Строго говоря, нужно-то нам зеркало параболическое, однако возникающие искажения — сферическую аберрацию — нетрудно потом скорректировать. Впрочем, кривизну поверхности уже готового изделия тоже можно изменить. Подадим на зеркало, к примеру, положительный потенциал, а отрицательный — на электроды, расположенные позади него. Сила притяжения между обкладками получившегося конденсатора, пропорциональная квадрату напряжения на нем, будет деформировать зеркало. Можно указать алгоритм, по которому ЭВМ телескопа настроит его на максимальную четкость.

Пересылать снимки, полученные телескопом, на Землю для дальнейшего изучения слишком накладно. Телевидения с такой четкостью сегодня нет. Очевидно, необходима первичная обработка изображения непосредственно на борту системы.

Конечно, осуществить все это непросто — следует подобрать материал для зеркала, добиться строгого температурного режима при выдувании и остывании пленки — то есть решить весь комплекс технологических проблем. Среди них, вполне вероятно, и неожиданных — ведь мыльные, а тем более стеклянные пузыри в космосе еще никто не выдувал. Но, с другой стороны, там же, в космосе, возможны и неожиданные технологические решения, которые немыслимы на Земле.

Если реально оценивать современные земные технологии, можно уверенно предсказать возможность появления такого телескопа на гелиоцентрической орбите (вокруг Солнца, чтобы исключить планетное влияние) в ближайшие 30 лет.

От редакции. Проект авторов поначалу показался нам фантастическим. Однако беседа в редакции прояснила их позицию — оказывается, он основан на конкретных технологических проработках. Например, для «отливки» зеркала они предложили использовать надувную камеру оригинальной конструкции. Возможно, у читателей возникнут свои предложения по поводу столь интересной идеи. Лучшие мы готовы опубликовать.