Розсип зірок, що ніби підморгують спостерігачеві, виглядає дуже романтично. Але у астрономів це гарне мерехтіння викликає зовсім не захоплення, а зовсім протилежні почуття. На щастя, є спосіб виправити ситуацію.
Експеримент, що вдихнув нове життя в науку про космос, був виконаний не в знаменитій обсерваторії і не на гігантському телескопі. Фахівці дізналися про нього зі статті Successful Tests of Adaptive Optics, опублікованої в астрономічному журналі The Messenger у 1989 році. Там були представлені результати випробувань електрооптичної системи Come-On, призначеної для коригування атмосферних спотворень світла космічних джерел. Їх провели з 12 по 23 жовтня на 152-см рефлекторі французької обсерваторії OHP (Observatoire de Haute-Province). Система спрацювала настільки добре, що автори почали статтю твердженням, що «давня мрія астрономів, які працюють на наземних телескопах, нарешті виповнилася завдяки створенню нової техніки оптичних спостережень - адаптивної оптики».
А через кілька років системи адаптивної оптики (АТ) почали ставити на великі інструменти. У 1993 році ними оснастили 360-см телескоп Європейської південної обсерваторії (ESO) в Чилі, трохи пізніше - такий же інструмент на Гаваях, а потім і 8 − 10-метрові телескопи. Завдяки АТ в наземні інструменти можна спостерігати світила у видимому світлі з роздільною здатністю, яка була приділом лише космічного телескопа Hubble, а в інфрачервоних променях - навіть з більш високою. Наприклад, у дуже корисній для астрономії ділянці ближньої інфрачервоної зони з довжиною хвилі 1 мкм Hubble забезпечує роздільну здатність в 110 кутових мс, а 8-метрові телескопи ESO - до 30 мс.
Насправді, коли французькі астрономи випробовували свою систему АТ, у США вже існували аналогічні пристрої. Але створили їх зовсім не для потреб астрономії. Замовником цих розробок був Пентагон.
Очі АТ
Сенсор Шека-Хартмана працює так: покинувши оптичну систему телескопа, світло проходить крізь ґрати з невеликих лінз, що направляють його на ПЗС-матрицю. Якби випромінювання космічного джерела або штучної зірки поширювалося у вакуумі або в ідеально спокійній атмосфері, то всі міні-лінзи фокусували б його строго в центрі відведених ним пікселів. Через атмосферні завихрення точки сходження променів «гуляють» по поверхні матриці, і це дозволяє реконструювати самі обурення.
Коли повітря перешкода
Якщо спостерігати в телескоп дві зірки, розташовані на небосводі дуже близько один до одного, їх зображення зіллються в одну точку світла. Мінімальна кутова відстань між такими зірками, обумовлена хвильовою природою світла (дифракційна межа), - це і є дозволяюча здатність приладу, і вона прямо пропорційна довжині хвилі світла і назад пропорційна діаметру (апертурі) телескопа. Так, для триметрового рефлектора при спостереженнях у зеленому світлі ця межа становить близько 40 кутових мс, а для 10-метрового - трохи більше 10 мс (під таким кутом дрібну монету видно з відстані 2000 км).
Однак ці оцінки справедливі тільки для спостережень у вакуумі. У земній атмосфері постійно виникають ділянки локальної турбулентності, яка кілька сотень разів на секунду змінює щільність і температуру повітря і, отже, його показник заломлення. Тому в атмосфері фронт світлової хвилі від космічного джерела неминуче розпливається. У результаті реальна дозволяюча здатність звичайних телескопів у кращому випадку становить 0,5 − 1 кутову секунду і сильно не дотягує до дифракційної межі.
Промацуючи атмосферу
Раніше розміри коригованих зон небосводу обмежувалися клітинами зі стороною в 15 кутових мс. У березні 2007 року на одному з телескопів ESO була вперше випробувана мультиспряжена адаптивна оптика (MCAO). Вона промацує турбулентності на різних висотах, що дозволило збільшити розмір коригованого поля зору до двох і більше кутових хвилин. "У цьому столітті можливості АТ сильно розширилися, - говорить" ПМ "професор астрономії та астрофізики Клер Макс, директор Центру адаптивної оптики Каліфорнійського університету в Санта-Крус. - На великих телескопах встановлені системи з двома і трьома деформованими дзеркалами, до числа яких відноситься і МСАО. З'явилися нові сенсори хвильового фронту і більш потужні комп'ютерні програми. Створені дзеркала з мікроелектромеханічними актуаторами, що дозволяють змінювати форму відбиваючої поверхні краще і швидше, ніж актуатори на п'єзоелектриках. В останні роки розроблені і випробувані експериментальні системи мультиоб'єктної адаптивної оптики (МОАО), за допомогою яких можна одночасно відстежувати до десяти і більше джерел у полі зору діаметром 5 − 10 кутових хвилин. Їх встановлять на телескопах нового покоління, які приступлять до роботи в наступному десятилітті ".
Дороговкази
Уявімо собі прилад, який сотні разів на секунду аналізує минулі через телескоп світлові хвилі на предмет виявлення слідів атмосферних завихрень і за цими даними змінює форму деформованого дзеркала, поміщеного у фокусі телескопа, щоб нейтралізувати атмосферні перешкоди і в ідеалі зробити зображення об'єкта «вакуумним». У цьому випадку дозволяюча здатність телескопа обмежується виключно дифракційною межею.
Однак є одна тонкість. Зазвичай світло далеких зірок і галактик надто слабке для надійної реконструкції хвильового фронту. Інша справа, якщо поруч із спостережуваним об'єктом є яскраве джерело, промені від якого йдуть до телескопа майже таким же шляхом, - ними-то і можна скористатися для зчитування атмосферних перешкод. Саме таку схему (у дещо урізаному вигляді) 1989 року випробували французькі астрономи. Вони вибрали кілька яскравих зірок (Денеб, Капелу та інші) і за допомогою адаптивної оптики дійсно поліпшили якість їх зображень при спостереженнях в інфрачервоному світлі. Незабаром такі системи, що використовують зірки-маяки (guide stars) земного небосводу, почали застосовувати на великих телескопах для реальних спостережень.