«Техника-молодежи» 1994 г. №1, с.9-11

Запуск телескопов в космос, где нет искажающей изображение атмосферы— подобный способ повышения качества астрономических наблюдений еще недавно казался единственным. Но так ли это?

Станислав ЗИГУНЕНКО,

наш спец. корр.

ЗЕРКАЛА ДЛЯ ЗВЕЗД

В свое время я был, если можно так выразиться, свидетелем создания главного зеркала для БТА-6 — «самого большого в мире телескопа», как писали тогда. Побывав на Лыткаринском заводе оптического стекла, узнал: промучившись несколько лет, испортив три или четыре отливки, истратив уйму денег, наши специалисты наконец отшлифовали 6-метровую заготовку. И заявили, что достигли предела — телескопы больших размеров делать бессмысленно: возмущение атмосферы накладывает свое «вето» на дальнейшее повышение качества изображения. С создателями БТА согласились не только отечественные, но и многие зарубежные ученые и инженеры. Во всяком случае, именно такое, распространенное в 70-е годы мнение послужило одной из причин запуска на орбиту «Хаббла».

Однако жизнь расставляет свои акценты. Изображения, полученные из космоса, оказались не безупречны из-за ошибок, допущенных на Земле. Американцы не извлекли должного урока из ситуации, случившейся при создании БТА-6.

В Зеленчукской обсерватории, где ныне работает большой азимутальный телескоп, я обратил внимание на огромный ящик, стоявший у входа.

— Что это?

— А, старое зеркало, — ответили мне. И рассказали полудетективную историю.

Оказывается, в ночь перед решающим испытанием в опечатанный цех, где находилась только что отшлифованная отливка, проник таинственный злодей и расстроил тщательно отъюстированную аппаратуру приемщиков. Сроки поджимали, сверху было уже спущено соответствующее ЦУ: «Объект сдать к очередному юбилею», — и волей-неволей астрономам при приемке пришлось пользоваться той же аппаратурой, что и изготовителям.

Нарушение инструкции, как вскоре выяснилось, способствовало сокрытию довольно серьезного огреха. Из-за неточной настройки заводской аппаратуры зеркало БТА было отполировано неверно; изображение, даваемое им, получилось нечетким. И привезенное с великой помпой зеркало через пару лет без особого шума заменили новым. Старое же заколотили в ящик, выставили во двор и объявили конкурс среди сотрудников лаборатории: «Куда приспособить этот дорогостоящий брак?..»

Дальнейшая судьба ящика с многотонным куском стекла лично мне неизвестна. Может, он и по сей день покоится все там же, под открытым небом, и на него по-прежнему натыкаются заезжие гости...

Мы же поговорим о том, почему в астрономии так развита гигантомания. Линзы и зеркала — при прочих равных условиях — обладают тем большей светосилой, чем значительнее их диаметр. То есть с их помощью можно увидеть и сфотографировать небесные объекты меньшей светимости, дальше расположенные в пространстве.

Основная сложность — выдерживание идеального профиля кривизны рабочей поверхности. Даже если это удалось при изготовлении зеркала, нет гарантий, что оно таким и останется при эксплуатации. Деформации под огромным собственным весом, температурные перепады окружающей среды приводят к искажениям изображения, которые нужно как-то компенсировать. Зеркала стараются термостатировать, по возможности уменьшают их массу, применяют особые приемы монтажа, когда механические нагрузки переносятся с самого стекла на подложку... Словом, технологических хитростей немало. Вот хотя бы некоторые из них.

Раньше оптики изготовляли из стекла большие плоские диски и придавали поверхности нужную кривизну шлифовкой. Ныне поступают иначе. Например, в Оптической лаборатории при обсерватории Стюарт (Университет штата Аризона) под руководством Дж. Эйджела смонтирована вращающаяся печь. Уже при остывании отливки центробежные силы искривляют ее поверхность так, что она оказывается близкой к желаемой. Количество материала, подлежащего удалению, резко уменьшается. Скажем, с заготовки для зеркала БТА пришлось снять 28 т стекла; шлифовка длилась несколько лет. Теперь полировальные машины производят окончательную доводку за месяцы, а то и недели.

Новая технология позволяет изготовлять зеркала с большой кривизной поверхности, а значит — с коротким фокусным расстоянием. А это, в свою очередь, — создавать компактные конструкции телескопов. Но и тут есть свои сложности. Например, огромную отливку во избежание растрескивания при ее формировании приходится охлаждать медленно, что требует немалых средств и времени.

Несколькo радиотелескопов ныне способны работать в одной «упряжке». Вскоре, как полагают некоторые астрономы, они объединят в подобные системы и оптические телескопы. Схема работы адаптивной оптики. С помощью лазерного эталона и системы зеркал в каждый момент составляется «портрет» атмосферных искажений. И помехи вычитаются из общего изображения небесных объектов при компьютерной обработке.

Так получают зеркала: 1 — стандартная заготовка из силикотитанового стекла, позволяющая изготовить наиболее распространенное 5-футовое (полутораметровое) зеркало; 2 и 3 — если зеркало больших размеров, несколько заготовок складывают вместе; 4 — для «сотового» же зеркала сверхбольших размеров диск трансформируется в гексагональный, шестиугольный сегмент; 5 и 6 — сегменты складываются вместе, а затем сплавляются; 7 — заготовка подвергается окончательной шлифовке; 8 — готовое зеркало на подложке с механическими толкателями.

Чтобы уменьшить расходы, прибегают к новым способам изготовления отражающих поверхностей.

Так, в начале 1992 года завершен монтаж 10-метрового зеркала для телескопа «Кек-I», установленного на горе Маунт-Кеа (США). Как мы уже писали (№ 11 за 1993 г.), оно составлено из 36 фрагментов, каждый из которых куда проще сделать и поддерживать в рабочем состоянии, чем большое, цельное зеркало. Но ведь если зеркало разбито, склеивать его бесполезно: оно все равно не даст цельного изображения. Как же вышли из положения конструкторы телескопов «Кек-I» и «Кек-2» во главе с Дж. Нельсоном? Они создали специальную систему контроллеров с механическими приводами, которые уравнивают края фрагментов, чтобы они образовали как бы единую поверхность.

Оговорка «как бы» не случайна. Конечно, удобно иметь дело с сегментами толщиной всего в 7,5 см, а значит, и достаточно легкими. Да и размеры их таковы, что и при малой толщине они не прогибаются. Однако система коррекции не всемогуща, она имеет свои допуски, что приводит к ухудшению качества получаемого изображения. Поэтому «световое ведро» (так окрестил устройство космолог Л.Каун за его способность аккумулировать даже одиночные фотоны — «капельки» света) оказалось перспективным для спектральных исследований. Оптические же наблюдения лучше проводить с помощью монолитных зеркал, хотя и выполненных несколько необычно.

Например, в упоминавшейся обсерватории Стюарт создано несколько 3,5-метровых и намечено изготовление 6,5-и 8-метровых зеркал, у которых тонкая отражательная поверхность поддерживается сотовой структурой. Они получаются достаточно жесткими и весьма легкими (3/4 их объема выпадают на воздушные полости).

Однако скептиков одолевают сомнения: внутренняя сотовая структура обязательно проявится на поверхности в виде «узора стеганого одеяла», а потому зеркало не отполируешь до нужной кондиции. Высокое качество изображения, по мнению сотрудников фирм «Скотт Глассвокс» и «Конинг Гласе», способны обеспечить лишь менисковые зеркала. Правда, они отливаются настолько тонкими, что не могут сохранить свою форму без механической поддержки; оказывают которую толкатели, управляемые компьютером... Но ведь о том, что и при коррекции есть свои допуски, мы уже говорили.

Пока специалисты по оптике и точной механике спорят, какая разновидность зеркал лучше, астрономы размышляют, как лучше обрабатывать получаемые изображения, чтобы отфильтровать истинное от наносного. Некоторые предлагают совместить в устройстве две системы, компенсирующие и искривления формы зеркала, и искажения, происходящие из-за турбулентности атмосферы.

За создание так называемой адаптивной (самоприспосабливающейся) оптики взялись в 80-е годы. Работа шла ни шатко ни валко, пока специалистам не помогла программа... СОИ! Вернее, то, что в мае 1991 года Пентагон рассекретил оптическую систему с лазерным слежением, предназначенную для уничтожения боеголовок баллистических ракет. Такой лазер и был использован в системе компенсации (см. схему).

Чтобы точно знать, какие именно погрешности вносит атмосфера, астрономы в тот район небосвода, где находится наблюдаемый объект, направляют мощный лазерный луч. Отраженное атмосферой улавливается специальными зеркалами. Сравнивая характеристики посланного луча и пришедшего, можно выявить разницу, обусловленную атмосферными искажениями. Эту величину и следует вычесть из изображения звезды.

На том совершенствование современных телескопов отнюдь не заканчивается. Адаптивная оптика, по мнению экспертов, к концу столетия позволит повысить зоркость земных телескопов до 0,1", и по своим возможностям они сравняются с орбитальными. Но экспериментальные-то радиоинтерферометры уже сегодня дают разрешение 0,001"! Как добились таких показателей?

При радиоинтерферометрии удается обобщать информацию от двух и более установок, разнесенных на значительные расстояния. Поступающие на них сигналы записываются на магнитную ленту вместе с отметками точного времени, даваемыми атомными часами. И при компьютерной обработке эти сигналы сводятся воедино, позволяя синтезировать информацию. Например, в США завершено длившееся семь лет строительство крупнейшего в мире радиоинтерферометра, имеющего базу около 8 тыс. км («ТМ», № 12 за 1993 г.). Теперь десять антенн, размещенных по всей территории страны, имеют возможность работать в дружном коллективе. Более того, в случае необходимости к ним подключатся радиотелескопы Европы и Азии, в том числе и наши. Так что не приходится удивляться небывалой зоркости радиоинтерферометров.

Понятно, специалисты, работающие с видимым светом, тоже хотят обзавестись подобными системами. Например, проект «Вери Ладж Телескоп», выдвинутый сотрудниками Европейской южной обсерватории, предполагает объединение восьми телескопов с 1-метровыми и еще четырех с 8-метровыми зеркалами. Если его удастся выполнить, устройство будет иметь разрешение, как минимум, около 0,001".

Основная трудность проекта в том, что придется синхронизировать сигналы с очень короткой длиной волны (для зеленого света, например, она составляет около 0,5 мкм). А это требует повышения точности обработки информации, по крайней мере, на порядок. И все-таки специалисты не отчаиваются. Самые смелые из них не только полагают, что задача будет решена уже в начале XXI века, но и мечтают о следующем шаге — совместной работе как наземных, так и орбитальных телескопов. Тогда спор о том, какие средства наблюдения лучше — наземные или космические, — потеряет свою актуальность.