Революционная обсерватория имени Веры Рубин за первый год работы соберёт больше астрономических данных, чем все другие телескопы вместе взятые. Астрофизика, как скажут многие астрофизики, - это история всего.
Природа и эволюция звёзд, галактик, скоплений галактик, тёмной материи и тёмной энергии - а также попытки понять всё это - позволяют задавать самые важные вопросы и искать самые важные ответы.
Но практикующие эти науки, как написала покойная астроном Вера Рубин в предисловии к своей автобиографии, «слишком редко подчёркивают огромность нашего невежества».
«
Никто не обещал, что мы будем жить в эпоху, которая разгадает тайны космоса», - писала Рубин. И всё же новая обсерватория, названная в её честь, которая скоро откроет свои глаза, приблизит человечество как никогда раньше к разгадке некоторых из них. Это будет возможно, потому что обсерватория имени Веры Рубин будет делать что-то революционное, редкое и относительно старомодное: она просто будет смотреть на
Вселенную и видеть то, что там есть.
Расположенный на вершине горы в чилийских Андах, телескоп полностью собран и готов к работе, хотя учёные пока не могут его использовать. Осталось провести несколько недель испытаний, чтобы убедиться, что его камера - самая большая в истории астрономии, с линзой более 1,5 метра - работает так, как должна.
Инженеры наблюдают, как
гравитация Земли вызывает прогиб трёх огромных стеклянных зеркал телескопа и как это небольшое прогибание повлияет на сбор и измерение отдельных фотонов, в том числе тех, которые прошли миллиарды световых лет, чтобы достичь
Земли. Они также наблюдают, как телескоп весом 350 тонн быстро проведёт панораму по небу, равному семи полным лунам, стабилизируется и полностью остановится, а затем сделает две 15-секундные экспозиции, после чего будет повторять всё это снова и снова в течение всей ночи.
Таким образом, телескоп планирует каждые три ночи обследовать всё небо, видимое из южного полушария Земли, снова и снова создавая его карту и отмечая, как она меняется. А исследователи дорабатывают планы по тому, как просеивать 20 терабайт данных каждую ночь, что в 350 раз больше, чем данные, собираемые каждый день знаменитым космическим телескопом
Джеймса Уэбба.
Другие специалисты следят за тем, чтобы среди постоянного потока изображений, поступающих из обсерватории Рубина, не пропустить интересные объекты или неожиданные космические сюрпризы. Программное обеспечение будет искать различия между каждой картой и отправлять оповещения о каждом из них; за ночь может поступать до 10 миллионов оповещений о потенциальных новых объектах или изменениях на картах.
От поиска астероидов, пролетающих рядом с Землёй, и крошечных звёзд, называемых коричневыми карликами, до изучения плавного вращения целых галактик, сформированных
тёмной материей, миссия обсерватории Рубина будет охватывать весь спектр астрономии в видимом свете.
Телескоп будет продолжать картографировать небо в течение 10 лет. Возможно, он будет лучше подготовлен для ответа на самые глубокие вопросы астрофизиков, чем любая обсерватория, построенная на сегодняшний день.
«Потенциал открытий огромен», - говорит Кристиан Аганзе, специалист в космической археологии из Стэнфордского университета, который будет использовать данные обсерватории для изучения истории Млечного Пути.
Точнее говоря, обсерватория Рубина за первый год соберёт больше данных, чем было собрано всеми телескопами за всю историю человечества. Это удвоит объём информации, доступной астрономии - и всем, кто пытается понять место человека во Вселенной.
Миссия обсерватории Рубин
Цель обсерватории не всегда была столь обширной. Первоначально названная Large Synoptic Survey Telescope (LSST), обсерватория Рубин предлагалась как инструмент для поиска тёмной материи.
Вера Рубин нашла первые веские доказательства существования того, что сейчас называется тёмной материей - гигантского количества невидимого вещества, которое формирует Вселенную и определяет движение галактик в ней.
Она и её коллега, покойный астроном Кент Форд, изучали динамику галактик, когда сделали это открытие в 1970-х годах. В спиральной галактике, такой как Млечный Путь, ядро галактики содержит больше звёзд и, следовательно, гравитации, чем внешние рукава. Это должно означать, что объекты, расположенные ближе к ядру, вращаются быстрее, чем объекты на окраинах.
Наблюдая за движением звёзд и за тем, как в результате этого изменяется их свет, Рубин и Форд обнаружили, что звёзды на окраинах движутся так же быстро, как и те, что находятся ближе к центру. Они обнаружили, что это явление наблюдается в десятках галактик, которые они изучали. Эта закономерность не поддавалась объяснению, если только в дальних пределах не существовало какого-то дополнительного невидимого вещества, заставляющего галактику вращаться быстрее на том, что только кажется её внешними краями.
Такие тёмные материи были предложены ещё в 1930-х годах, но открытия Рубин продемонстрировали их влияние на обычную видимую материю и предоставили первые доказательства их существования. «То, что вы видите в спиральной галактике, не является тем, что вы получаете», - однажды написала Рубин.
На сегодняшний день никто не видел тёмную материю напрямую и не понял её физическую природу, включая частицы, из которых она состоит. Первоначальные планы LSST были направлены на то, чтобы пролить свет на тёмную материю, картографируя её распределение по всей Вселенной с помощью её гравитационных эффектов.
Фото: scientificamerican.com
Астрономы также хотели изучить,
как расширяется космос, благодаря действию столь же загадочной сопутствующей силы, называемой тёмной энергией. Но когда началась разработка телескопических систем, астрономы быстро поняли, что LSST может делать гораздо больше, чем изучать тёмную материю - может изучать практически всё, видимое и невидимое.
«Это не телескоп, которому вы будете отправлять предложения с просьбой: «Я хочу посмотреть сюда». Его цель - проведение полного обзора», - говорит Гильем Мегиас Хомар, докторант Стэнфордского университета и член команды по подготовке телескопа.
Зеркала и камеры
Открытая миссия по обследованию - это благо для астрономов, но она сопряжена с серьёзными проблемами проектирования. Телескоп должен перемещаться по участку неба всего за несколько секунд и почти сразу же прекращать дрожать, чтобы изображения были чёткими.
В других обсерваториях, где астрономы заранее выбирают цели и планируют, что они будут искать, инженеры-телескописты имеют примерно 10 минут, чтобы остановить колебания стекла между съёмками. Обсерватория Рубина имеет пять секунд, говорит Сандрин Томас из Национальной лаборатории оптической и инфракрасной астрономии (NOIRLab) Национального научного фонда США, заместитель директора по строительству обсерватории.
«Когда вы хотите очень быстро переместить такую массу и обеспечить стабильность, вы не сможете иметь очень длинный телескоп, иначе верхняя часть будет колебаться», - говорит она. «Свет не может пройти большой путь, прежде чем потеряет фокус, и это создаёт много проблем».
Чтобы сделать систему более компактной, главный телескоп обсерватории Рубин имеет уникальную конструкцию с тремя зеркалами.
Первичное и третичное зеркала были изготовлены из одного и того же куска стекла. Свет отражается от кольцеобразного первичного зеркала и направляется вверх в отдельное вторичное зеркало, которое само по себе является самым большим выпуклым зеркалом, когда-либо изготовленным. Вторичное зеркало снова отражает свет обратно к третичному зеркалу, которое находится внутри внешнего кольца основного зеркала.
Третичное зеркало отражает свет в чувствительные детекторы камеры. Первичное и третичное зеркала вместе дают телескопу собирающую площадь 6,67 метра. Вторичное зеркало имеет отверстие диаметром 1,8 метра в середине, в которое помещаются камера и её электроника. Третичное зеркало также имеет отверстие для оборудования, предназначенного для выравнивания телескопа и предотвращения его колебаний. Камера представляет собой стальной куб размером 10 на 10 метров, небольшой и компактный.
Марго Лопес, инженер-механик, начала работать в Национальной ускорительной лаборатории SLAC после окончания Калифорнийского технологического института в 2015 году и с тех пор занимается разработкой строения камеры. «Цель этого проекта - собрать огромное количество данных», - говорит она. «Для этого мы должны увидеть больше неба за один раз, сделать больше снимков ночью и получить больше деталей на каждой фотографии - это три составляющие успеха».
Фото: scientificamerican.com
Астрономы часто используют диск полной луны для описания поля зрения телескопа; для оптического телескопа обзор обсерватории Рубин не имеет себе равных. Космический телескоп
Хаббл наблюдает около одного процента полной
Луны, а JWST - около 75 процентов диска Луны. Каждое изображение обсерватории Рубин охватывает область, примерно в 45 раз превышающую размер полной Луны.
«Мы просто видим гораздо большую часть неба на каждом снимке, который делаем, и получаем столько же или даже больше деталей, несмотря на то, что поле зрения так велико», - говорит Лопес.
Камера может делать снимки с помощью шести фильтров, от ближнего ультрафиолета до ближнего инфракрасного диапазона. Но астрономы должны понимать, как сама камера влияет на изображения. Тёмная материя искажает направление фотонов, исходящих из далёких галактик, но то же самое делает и оптическая система.
«Нам действительно нужно быть уверенными в этом. Как это влияет на сам свет? Если в атмосфере или в оптике есть турбулентность, точка может стать размытой», - говорит Мегиас Хомар. Он проводил свою докторскую программу, работая над оптической системой обсерватории Рубина, чтобы лучше понять эту проблему.
Наблюдение с вершины горы
После завершения строительства части телескопа должны были отправиться из Калифорнии и Аризоны на вершину Серро-Пачон, 2,5-километровой сейсмически активной вершины в чилийских Андах. Лопес и её коллеги арендовали грузовой самолёт Boeing 747, чтобы доставить камеру из Сан-Франциско в Сантьяго, Чили, в мае 2024 года.
Последующая поездка в Ла-Серену, город, ближайший к месту расположения телескопа на вершине горы, потребовала 12-часовой поездки на грузовике. Лопес следила за каждым шагом путешествия, даже имея дело с забастовкой водителей грузовиков, которая грозила перекрыть путь к Серро-Пачон. Наконец, камера добралась до самой вершины горы, где Лопес разобрала её и всё проверила.
Команды инженеров, включая Мегиаса Хомара, потратили месяцы на тестирование камеры и её сопутствующей пусконаладочной камеры, уменьшенной версии настоящей, которую астрономы использовали для тестирования всех систем телескопа, которая вышла на небо в октябре 2024 года. Инженеры перешли на ночную работу и спали в солнечные часы, как это делают астрономы, когда они находятся в обсерватории.
«Это был первый раз, когда мы увидели изображения. Целый месяц я ложился спать в 6 утра и чувствовал себя астрономом», - говорит Мегиас Хомар. Он работал с инженерами и астрономами, которые планировали и проектировали проект LSST с момента его создания. и сообщили ему, что начали работать над ним ещё в 1996 году.
Томас была частью команды в течение 10 лет, но начала свою деятельность в качестве наблюдателя на горе по соседству с обсерваторией Рубин. «Когда я присоединилась к проекту, я не оценила, насколько отличается от остальных эта «машина открытий» или даже эта обсерватория», - вспоминает она. «Предоставление такого количества данных сообществу, на мой взгляд, окажет просто огромное влияние».
Для астрономов и астрофизиков это богатство данных почти головокружительно. 10-летняя основная миссия обсерватории Рубин предоставит своего рода покадровую съёмку космоса, которая покажет другим обсерваториям, где искать новые открытия. Десятилетие - это небольшой срок в истории Вселенной, но это дольше, чем кто-либо когда-либо смотрел на небо.
Первый свет телескопа
Космческие археологи, такие как Аганзе, надеются изучить историю галактики и то, как тёмная материя может формировать её эволюцию, точно так же, как далёкие спиральные галактики, которые Вера Рубин увидела полвека назад.
Недавние исследования, такие как наблюдение за спутником
телескопа Gaia, показывают, что Млечный Путь окружён потоками звёзд, которые могут пролить свет на гало тёмной материи. Галактические потоки могут помочь астрономам понять, когда прекращается формирование галактик или сколько тёмной материи должно быть вокруг небольшого количества звёзд, чтобы оно объединилось в галактику.
С помощью обсерватории Рубин исследователи будут иметь возможность увидеть все звёзды в галактическом потоке, определить форму потока и даже выяснить, какой должна быть связанная с ним тёмная материя. «И мы потенциально могли бы сделать это для 100 или 200 галактических потоков вокруг Млечного Пути», - говорит Аганзе.
«Если небольшие сгустки тёмной материи портят звёзды, мы должны иметь возможность это видеть. Мы должны даже иметь возможность накладывать ограничения на тёмную материю - холодная ли она, тёплая или горячая?», - говорит Аганзе, описывая три основные теории свойств тёмной материи. «Обсерватория Рубин будет отличной для такого рода науки. Мы определённо сможем продвинуться вперёд к пределам формирования галактик и малых гало тёмной материи».
Обсерватория обнаружит миллионы новых объектов в солнечной системе, включая 90 процентов всех крупных астероидов, пролетающих мимо Земли, и тысячи крошечных миров далеко за орбитой Нептуна.
По сути, производя покадровую видеосъёмку, обсерватория раскроет бесчисленное множество новых переходных и чувствительных ко времени явлений в далёком космосе, таких как квазары, выходящие из сверхмассивных
чёрных дыр.
Она будет тщательно изучать особый тип взрывающейся двойной звезды, называемой сверхновой типа Ia, которая необходима для астрономических измерений и может пролить больше света на природу тёмной энергии.
Фото: scientificamerican.com
Астрономы планируют поделиться снимками с камеры - «первым взглядом», как они это называют - 23 июня 2025 года. «Я буду беспокоиться о том, работает ли оптическая систма; именно об этом я буду думать в первую очередь», - говорит Мегиас Хомар. А затем он обратит своё внимание на главную миссию: наблюдение за космосом.
Астрономы, желающие использовать обсерваторию Рубин, часто говорят о ценности простого наблюдения за Вселенной. Фундаментальные исследования - это общественное благо, говорят они, которое может дать новое представление об истории, одновременно улучшая общее будущее.