НАСА разрабатывает новую оптику для космического телескопа

Новая технология позволит увидеть на планетах такие признаки жизни, как кислород и жидкая вода

Несмотря на то, что в последние 15 лет были обнаружены сотни планет, вращающихся вокруг других звезд, мы все еще не можем ответить на извечный вопрос о том, есть ли жизнь на какой-нибудь из этих планет. Однако новая технология НАСА может изменить ситуацию, предоставляя возможность наблюдать не только за планетами схожего с нашей размера, расположенными в потенциально обитаемой зоне своей звезды, но и возможность увидеть такие признаки жизни, как кислород и жидкая вода.

Ученые из Исследовательского центра НАСА «Эймс» в Моффитт Филд, штат Калифорния, разрабатывают новую оптику для космического телескопа, которая способна не только обнаруживать планеты, похожие на Землю, но и фотографировать их. Для создания таких фотографий, называемых «прямой визуализацией», в новой технологии будет использоваться так называемая методика фазово-индукционной амплитудной аподизации (PIAA). Разработка аподизации началась в 2003 году и за это время успела продемонстрировать правильность задумки концепции и технологии. Ученые протестировали прототип, и проект должен быть реализован в ходе предстоящих космических полетов, организуемых НАСА для получения изображений экзопланет. Сама миссия планируется на 2020-е годы.

«Блокируя блики и дифракции от звезды, мы сможем увидеть те планеты, которые без новой технологии были бы скрыты. Благодаря новинке мы впервые получим непосредственное изображение потенциально обитаемой зоны экзопланет», – рассказывает Руслан Беликов, астрофизик НАСА и технический руководитель группы в Эймсе, занимающейся экспериментальной разработкой коронографов.


Система PIAA использует два специально разработанных приспособления несферической оптики, чтобы изменить свет в «видении» телескопа и придать этому свету «высокую контрастность», пригодную для фотофиксации. Фото с сайта nasa.gov

Сегодня ученые в основном пользуются косвенными методами, одним из которых, к примеру, является «транзитный метод», для обнаружения планет за пределами Солнечной системы. В соответствии с ним измеряется затемнение звезды, когда планета проходит между ней и линией видимости телескопа. Наблюдая за изменениями освещенности звезд, ученые могут определить размер планеты, ее расстояние от звезды и орбитальный период. Этот метод в настоящее время используется миссией «Кеплер», запущенной НАСА в 2009 году; ее целью является нахождение в потенциально обитаемой зоне планет, схожих по размерам с Землей.

В будущем, однако, для обнаружения биомаркеров жизни, таких как кислород и жидкая вода, на планетах, внешне похожих на Землю, вращающихся вокруг звезд, похожих на наше Солнце, будет использован иной подход в дизайне и концепции. PIAA обладает возможностью «прямой визуализации», что обозначает фактическое фотографирование экзопланет. Трудности при создании таких фотографий в том, что блеск звезды вызывает дифракцию и блики, освещая вращающиеся по орбитам планеты. Чтобы решить эту проблему, телескопу необходимо подавить дифракцию света звезд.

Система PIAA использует два специально разработанных несферических зеркала, чтобы преобразовать свет, зарегистрированный датчиками телескопа, в новый распознаваемый им объект с высокой контрастностью. Эта новая высокая контрастность способна подавить дифракцию и превратить яркий свет от звезды на изображении в небольшое пятно, которое фактически блокирует свет, излучаемый звездой, что, тем не менее, не влияет на восприятие света, излучаемого планетами. Инструменты, которые блокируют свет звезд, как правило, называют «коронографами»; изначально они разрабатывались для блокировки сияния нашего Солнца, чтобы мы смогли видеть его внешнюю газовую оболочку или корону. PIAA – это своего рода особенно мощный тип коронографа, созданный на грани современных знаний физики.

Телескопическая оптика имеет крошечные дефекты, так называемые аберрации, которые вызывают нечеткость в изображении звезды. На современном уровне развития нашей цивилизации невозможно создать полностью свободную от аберраций оптику, однако их можно скорректировать с помощью отдельных зеркал, способных быстро менять свою форму. «Такие зеркала называются деформирующимися. Они предупреждают возможные искажений оптики телескопа», – пояснил Беликов. PIAA или в целом коронографы блокируют блеск звезд, однако они способны показывать Земле запрашиваемые планеты, только если размер телескопической оптики идеален, чего никогда не бывает.


Телескопическая оптика имеет крошечные дефекты, называемые аберрацией, которые вызывают нечеткости в изображениях. Фото с сайта nasa.gov

Деформирующиеся зеркала исправляют эти недостатки благодаря своей системе контроля волнового фронта. Эта система «фиксирует» неидеальные фрагменты телескопической оптики для того, чтобы коронограф мог работать правильно.


На верхнем фото представлен образец, созданный деформирующим зеркалом. Любые искажения могут быть скорректированы подобными зеркалами, способными активно менять форму.

Экспериментальные коронографы с деформирующимися зеркалами были сконструированы в «Эймс» Бостонской корпорацией микромашин. Они представляют собой квадраты размером 1 на 1 сантиметр, в которые встроены сетка размером 32\32 ячейки и 1024 привода соответственно. Они могут генерировать любые желаемые формы на зеркале. Управляя формой поверхности деформирующегося зеркала, можно снизить аберрацию в телескопе настолько, чтобы он смог полностью запечатлеть на фотографии планеты размером с Землю.

«Поверхность этих деформирующих зеркал настолько вариативна и обладает такой высокой точностью, что мы даже не в состоянии ее измерить», – прокомментировал Беликов.


Каждое зеркало представляет собой квадрат размером 1 на 1 сантиметр. В основном используется сетка размером 32\32 ячейки, или с 1024 приводами, которые способны создать любую желаемую форму.

Несмотря на то, что было принято решение о дальнейшем совершенствовании PIAA, технология уже готова к выполнению своей миссии. Существует две ее разновидности: одна предназначена для маленьких телескопов, другая – для очень больших. Для проведения миссии в сентябре 2011 года, организованной НАСА, был выбран один телескоп небольших размеров Exoplanetary Circumstellar Environment и один большой телескоп Disk Explorer (EXCEDE).

Под руководством Университета Аризоны в Тусоне, в партнерстве с Исследовательским центром «Эймс» и компанией Lockheed Martin Space Science большой телескоп будет направлять на Землю изображения околозвездной пыли и мусора, а также изображения больших планет в обитаемых зонах, однако это не касается планет, похожих на Землю.

«EXCEDE проделает огромную работу и сможет стать предвестником больших миссий, однако просто сфотографировать экзопланеты недостаточно», – поясняет Беликов. Чтобы увидеть похожие на Землю планеты, нужен гораздо больший телескоп. Команда, занимающаяся разработкой коронографов в «Эймсе», кроме работы над EXCEDE, также сотрудничает с Лабораторией реактивного движения (JPL) НАСА в Пасадене, чтобы создать технологию коронографа, приспособленную для больших телескопов, способных наблюдать за экзопланетами. В настоящее время две независимые друг от друга команды занимаются разработкой различных видов технологий коронографа.

«Коронограф до настоящего времени находился в воздухе, а не в вакууме. Наша команда продвинулась в разработке данной технология настолько, что она уже готова для вакуумных испытаний», – прокомментировал Беликов.