Просто космос. Построить телескоп — миллиарды долларов, увидеть звезду — бесценно
В чилийской пустыне Атакама сделали лучшее фото звезды Бетельгейзе в созвездии Ориона, радиус которой в 1400 раз больше солнечного. Первые же наблюдения поверхности звезды, выполненные с помощью телескопа ALMA, помогли астрономам понять, как устроены протяженные атмосферы горячих и ярких сверхгигантских звезд. Знания достаются ученым дорогой ценой: стоимость проекта ALMA — около $1,4 млрд, и это еще не самый дорогой инструмент для космических наблюдений.
Самую подробную фотографию звезды Фомальгаут и окружающего ее протопланетного диска ученые получили, совместив данные ALMA и космического телескопа «Хаббл», расходы на создание, запуск и поддержку которого оценивают в $6,5 млрд. Возраст звезды, масса которой в 2,3 раза больше солнечной, — около 250 млн лет, при этом химический состав диска вокруг Фомальгаута примерно такой же, как у комет в нашей Солнечной системе. Такая химическая близость может указывать на то, что кометы этой планетной системы и нашей собственной образуются при одних и тех же условиях. Подробное фото одной из самых ярких звезд на небе поможет ученым детально изучить форму пылевого диска Фомальгаута и разобраться в том, как образуются планетные системы.
Черную дыру, в отличие от звезд, разглядеть нельзя: нам доступен только горизонт событий, а под ним гравитация настолько усиливается, что даже фотоны, которые движутся со скоростью света, не могут вырваться за пределы черной дыры.
Чтобы получить данные о супермассивной черной дыре Стрелец А* в центре Млечного Пути, международная группа ученых в рамках проекта Event Horizon Telescope построила «виртуальный» телескоп, объединив несколько радиотелескопов в разных точках Земли — от Гавайев до Антарктиды. Этот телескоп обеспечивает такой уровень детализации, что с его помощью «можно пересчитать стежки на бейсбольном мяче с расстояния 8000 миль (12 875 км)».
В апреле 2017 года, направив радиотелескопы на две точки — объект Стрелец А* и другую черную дыру в сверхгигантской эллиптической галактике Messier 87 созвездия Девы, ученые неделю собирали данные. Накопилось 500 терабайт информации на тысяче жестких дисков, и это еще без радиоданных из Антарктиды, где работу начали в октябре 2017 года после окончания зимы на Южном полюсе. Когда огромные массивы информации, добытые с помощью «виртуального» телескопа, удастся обработать и преобразовать в изображения, неизвестно. Но шанс представить, как выглядят черные дыры, еще никогда не был так реален.
С помощью телескопа Pan-STARRS — проекта стоимостью $40 млн, который за четыре года сделал более 500 000 фотографий звезд и галактик в разных цветовых диапазонах, ученые из Гавайского астрономического института составили самую большую цифровую карту космоса.
Сверхмощные телескопы: все точнее, все глубже
Первые телескопы появились в начале XVII века. Диаметром они были около 20 мм, а увеличивать умели не больше чем в 10 раз. Но и этого хватило, чтобы перевернуть представление человечества о Вселенной. При помощи своих первых телескопов и несмотря на значительные аберрации Галилей обнаружил на Луне темные пятна, которые назвал морями и горными цепями, открыл четыре спутника Юпитера и наблюдал различные фазы Венеры. А еще установил, что Млечный Путь — это скопление звезд, и увидел пятна на Солнце, изменение положения которых доказывало гелиоцентрическую систему мира.
Шли годы, росли размеры телескопов и увеличивалась их стоимость. Трудно сказать, во сколько обошелся Галилею его телескоп, но в конце XIX века были доступны в широкой продаже модели с зеркалом от 7,5 до 20 сантиметров по цене от $2000 до $47 000 в современных ценах.
В XX веке оптические телескопы выросли в размерах, исследователи научились получать сигналы в инфракрасном, ультрафиолетовом, радио- и других диапазонах. Для этого инженеры сумели собирать сигналы с множества антенн, так в обсерватории ALMA их работает до 66, причем они имеют диаметр 12 метров. Для глубокого изучения Вселенной на ранней стадии формирования и наблюдения за экзопланетами по всему миру активно строят еще более исполинские телескопы с более чувствительными инструментами.
На Гавайях, у вершины потухшего вулкана Мауна-Кеа к 2022 году планируют возвести оптический тридцатиметровый телескоп ТМТ стоимостью $1,4 млрд. Если все пойдет по плану, его главное зеркало будет состоять из почти 500 (!) шестиугольных сегментов общей площадью 665 квадратных метров. По этому показателю TMT в 1,8 раза превзойдет Гигантский Магелланов телескоп GMT в Чили с диаметром составного зеркала 25,5 метров, который выйдет на полную мощность к 2025 году. Стоимость проекта составит около $1 млрд.
Самым большим телескопом мира TMT пробудет всего два года: в 2024 году начнет наблюдения Чрезвычайно большой европейский телескоп E-ELT — проект стоимостью около €1 млрд и с рекордным диаметром зеркала 39,3 метра. Его строят на горе Серро-Армазонес в чилийской пустыне Атакама. Главное зеркало этого гиганта сложат из 798 сегментов, которые будут собирать свет с площади 978 квадратных метров.
Огромный скачок для человечества
Не самый дорогой, но точно один из самых масштабных проектов — телескоп SKA. В нем планируется получать сигнал на антенны, расположенные на общей площади более 1 квадратного километра. По расчетам, он станет в десятки раз более чувствительным и в сотни раз более быстрым, чем все существующие радиоастрономические инструменты. Чтобы собирать, хранить и обрабатывать данные, выявляя полезный сигнал из шумов, будет применяться специальное программное обеспечение. Первая фаза строительства SKA обойдется примерно в €650 млн, стоимость второй пока не определена.
Процесс конструирования SKA разбит на две фазы: SKA1 в Южной Африке планируют завершить в следующем году, а уже к 2021-му собираются начать наблюдения. Потом начнется вторая фаза — SKA2: проект расширят на другие африканские страны и продолжат развивать австралийскую часть. В перспективе мегателескоп будет использовать до миллиона антенн, которые вкупе позволят астрономам исследовать космос в разы быстрее и в более далекие области, чем это происходит сейчас.
Приемные антенны будут расположены в разных странах и даже на разных континентах (расстояние между приемниками увеличивает разрешающую способность телескопа). Мощности этой обсерватории должно хватить, чтобы обнаружить даже очень слабые радиосигналы, излучаемые космическими источниками, которые находятся в миллиардах световых лет от Земли. В частности, она поможет ученым изучить процесс формирования первых звезд Вселенной более 13 млрд лет назад.
Компонент первой фазы проекта телескоп ASKAP построили в Австралии в 2012 году за $155 млн. Южноафриканская часть мегателескопа SKA — MeerKAT — начала работу в июле 2016 года. Даже обладая всего 16 достроенными на тот момент параболическими антеннами, MeerKAT в первый же сеанс обнаружил 1300 не известных прежде галактик на том участке неба, где раньше удавалось найти только 70.
Сейчас MeerKAT — уже самый большой и самый чувствительный радиотелескоп в Южном полушарии: он включает больше полусотни огромных антенн, специальные помещения для электронного оборудования, а также отлаженные средства связи и детально продуманные коммуникационные сети. Стоимость проекта MeerKAT составляет 2 млрд южноафриканских рандов ($157 млн).
Как оживить железо
Современные супертелескопы или обсерватории — это не просто увеличенная в X раз конструкция Галилея или радиоприемник. Они работают благодаря интеллектуальному программному обеспечению, без которого приставку «супер» они бы заслуживали разве что размерами. Например, в проекте MeerKAT программа AssetWise от Bentley Systems используется, чтобы оптимизировать производительность телескопов, гарантировать требуемую пропускную способность для перемещения гигантских массивов информации, а также их экономичное, но надежное хранение. А главное — обеспечивать комфортное сотрудничество разных проектных команд, разбросанных по всему миру. Без программного обеспечения управлять визуальными данными телескопа таких масштабов и всем документооборотом (а куда без него?) просто невозможно.
Как эволюционирует Вселенная? Точна ли теория относительности Эйнштейна или можно предложить более совершенную? Какова природа «темной материи» и «темной энергии»? Откуда берется космический магнетизм? Есть ли жизнь где-то еще во Вселенной? Ученые возлагают на SKA большие надежды в поиске ответов на эти и многие другие фундаментальные вопросы науки.