Экспериментальный коронограф телескопа «Роман»: новый шаг в астрофизике

Окно запуска космического телескопа NASA имени Нэнси Грейс Роман (Nancy Grace Roman Space Telescope) откроется уже в ближайшее время. Основной научный инструмент обсерватории призван продвинуть исследования практически во всех областях астрофизики. Однако внутри аппарата скрыт еще один важнейший компонент — экспериментальный коронограф, рассчитанный на решение предельно сложной задачи.

С помощью этого прибора ученые намерены впервые в истории напрямую зафиксировать звездный свет, который отражается от поверхности экзопланеты. Этот амбициозный проект должен проложить путь к созданию будущих космических обсерваторий, способных получать прямые снимки планет земного типа, вращающихся вокруг звезд, подобных нашему Солнцу. Реализация подобной задачи выходит далеко за рамки возможностей современного инженерного дела, поэтому базовая технология проходит проверку именно на борту телескопа «Роман».

Как отмечает Ванесса Бейли (Vanessa Bailey), астрофизик из Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) и исследователь коронографа, первое испытание оборудования в реальных космических условиях позволит определить, какие технологические аспекты потребуют дальнейшей доработки.

Как работает коронограф и в чём сложность снимков

По своей сути коронограф представляет собой специализированный научный экран, блоковый «зонтик», закрывающий яркое излучение центральной звезды, чтобы сделать видимым сравнительно тусклый объект поблизости. Подобные приборы уже неоднократно отправлялись в космос — ими оснащены, в частности, космические телескопы «Хаббл» (Hubble) и «Джеймс Уэбб» (James Webb).

Однако коронограф на телескопе «Роман» опережает своих предшественников на несколько поколений. Главное отличие заключается в использовании адаптивной оптики — системы, которая активным образом меняет форму зеркал для нейтрализации световых искажений. Специалисты NASA сравнивают эту задачу с попыткой сфотографировать светлячка, сидящего рядом с мощным прожектором поискового аппарата, причем съемка ведется с другого конца страны.

Астрофизик Маргарет Тернбулл (Margaret Turnbull) из Института SETI, возглавляющая одну из научных групп коронографа, подчеркивает критическую точность работы: любой паразитный лучик звездного света, попавший не в то место, способно полностью засветить и разрушить ценный участок получаемого кадра.

Адаптивная оптика в космосе: управляемые зеркала и микроприводы

Технология адаптивной оптики давно стала стандартом для крупнейших наземных обсерваторий, таких как Очень большой телескоп (VLT) в Чили или двойная обсерватория Кека (Keck) на Гавайях. В наземных условиях системы адаптивной оптики постоянно отслеживают искажения, вызываемые плотными и движущимися слоями земной атмосферы, компенсируя их для получения четких изображений.

Космическим телескопам адаптивная оптика ранее не требовалась, поскольку они работают за пределами атмосферных помех. Однако ученые еще никогда не предпринимали попыток рассмотреть старые, холодные экзопланеты, которые подсвечиваются исключительно за счет отражения света своего светила.

Ключевую роль в успехе миссии «Роман» играют два деформируемых зеркала, размер каждого из которых не превышает человеческую ладонь. Каждое зеркало оснащено примерно 2300 микроскопическими актуаторами (электрическими приводами). При подаче небольшого электрического напряжения актуаторы расширяются и с высокой точностью меняют геометрию отражающей поверхности, отменяя оптическую интерференцию. Это первый случай в истории NASA, когда активные деформируемые зеркала будут работать в открытом космосе.

Чувствительные детекторы и маски сложной формы

Сами по себе деформируемые зеркала не способны решить проблему без вспомогательного оснащения. Системе необходимы сверхчувствительные детекторы, умеющие усиливать сигнал буквально от одиночных фотонов, так как количество частиц света, долетающих до прибора от далекой планеты, крайне мало.

Сердцем любого коронографа остаются так называемые звездные маски (маски-затенятели). В случае аппарата «Роман» используются маски сложной фигурной формы. Брюс Макинтош (Bruce Macintosh), руководитель Обсерваторий Калифорнийского университета и лидер исследовательской группы, характеризует эти компоненты как невероятно красивые и технически сложные конструкции, аналогов которым в космосе еще не было.

Для сравнения, коронографические элементы на телескопе «Хаббл» представляли собой относительно простые металлические пластины, механически перекрывавшие прямой поток света от звезды.

Программа испытаний на орбите и научные цели

В ходе эксплуатации коронографа инженеры соберут большой объем тестовой информации, чтобы детально проанализировать работу системы в условиях микрогравитации и излучения, а также выявить нюансы перед будущими миссиями. Первые проверки коронографа пройдут на нескольких уже известной науке экзопланетах.

По словам Маргарет Тернбулл, если прибор не сможет обнаружить эти планеты, инженеры сразу поймут наличие неполадок в оборудовании, так как существование указанных небесных тел доказано другими методами.

Кроме того, объектами наблюдений станут звезды, окруженные пылевыми и осколочными дисками. Коронограф поможет зафиксировать промежутки в этих дисках, которые могут указывать на присутствие пока не открытых планет, а также даст представление о том, насколько структура нашей Солнечной системы уникальна на фоне других звездных систем.

Задел для будущих космических обсерваторий

Результаты работы коронографа телескопа «Роман» станут фундаментальной основой для проектирования следующих поколений научных аппаратов. В частности, речь идет о перспективной космической обсерватории Habitable Worlds Observatory (HWO), запуск которой NASA планирует ориентировочно на 2040-е годы. Для нее потребуется коронограф, работающий до 100 раз эффективнее текущего.

Аналогичные решения на базе адаптивной оптики планируется задействовать и в проекте космического телескопа Lazuli Space Observatory, который был анонсирован исследовательским институтом при участии бывшего генерального директора Google Эрика Шмидта.

Помимо поиска экзопланет, коронографы высокого разрешения позволят астрономам детально изучать двойные звездные системы и исследовать объекты, скрытые вблизи ярчайших квазаров.

Как подчеркивает Джули Макэнери (Julie McEnery), старший научный сотрудник проекта «Роман» из Центра космических полетов имени Годдарда NASA, лучший способ доказать жизнеспособность новой технологии — это продемонстрировать с ее помощью значимый научный результат.

Источник: www.wired.com