А теперь давайте заменим лампочку какой-нибудь далекой галактикой и посмотрим на нее через наш телескоп. Теперь вместо сферы, окружающей лампочку, представьте вокруг этой далекой-далекой галактики гигантскую невидимую сферу, на поверхности которой примостилась Земля. Поток энергии, то есть фотоны, движется от галактики сквозь эту сферу. Наша задача – уловить какую-то долю этого света, используя зеркала телескопа. Проблема в том, что площадь нашего телескопа по сравнению со всей площадью воображаемой сферы крайне мала, поэтому мы можем уловить лишь ничтожно малую долю этих фотонов. Вот почему мы постоянно создаем телескопы все бо́льших размеров.

«Хаббл», который наблюдает за Вселенной с крайне удобной позиции – за пределами земной атмосферы, – благодаря своим выдающимся возможностям к производству четких снимков произвел революцию в нашем представлении о галактиках. Запущенный в 1990 году, «Хаббл» и сегодня продолжает поставлять науке уникальные данные

На самом деле, как уже было отмечено выше, на Земле крайне мало телескопов, которые могли бы выполнять наблюдения так, как нам нужно, учитывая то, что новые объекты всегда светят слабее и находятся дальше, а наблюдаемая Вселенная безгранична. Поэтому такие телескопы должны не только быть большими, но зачастую еще и размещаться в экстремальных местах: на вершинах гор, на высоких плато или, что еще лучше, в космосе. Все потому, что после путешествия длиной в 10 млрд лет эти фотоны, прежде чем попасть на наши детекторы, должны пройти последний барьер – атмосферу Земли. Она полна помех – из-за молекул, поглощающих фотоны; еще больше положение ухудшают определенные световые частоты. Атмосфера работает как фильтр, который блокирует часть лучей, идущих из космоса. Возьмем, к примеру, ультрафиолетовые (УФ-) фотоны: они представляют собой весьма полезный для астрофизики образец, так как их излучают молодые массивные звезды. Благодаря этому определение уровня интенсивности УФ-излучения галактики может использоваться для установления активности формирования звезд (хотя это довольно сложный процесс). Однако атмосфера Земли исключительно хорошо поглощает УФ-фотоны. И это прекрасно, потому что так она защищает нас от смертельного облучения солнечными УФ-лучами. Но она же делает занятие УФ-астрономией на Земле исключительно трудным, позволяя захватить волны длиной примерно 300 нм, прежде чем все УФ-излучение будет заблокировано. Однако стоит разместить УФ-чувствительный детектор в космосе, за пределами атмосферы, – и проблема исчезает. Один из современных орбитальных космических телескопов – работающий в УФ-диапазоне GALEX (от англ. Galaxy Evolution Explorer – «Исследователь эволюции галактик») – был запущен в 2003 году и закончил свою миссию в 2013-м. GALEX должен был измерять УФ-излучение, выпущенное молодыми массивными звездами в ближних и дальних галактиках, чтобы воссоздать историю формирования звезд во Вселенной. Он выполнял наблюдения, проведение которых на Земле просто невозможно.

Атмосфера не только поглощает часть излучения, которое мы хотим собирать, – она также задает направление, в котором фотоны движутся. Это приводит к получению искаженных и размытых изображений, как если бы мы пытались сфотографировать монету на дне бассейна. И здесь вступает в игру принцип преломления: изменение направления луча (волны), возникающее на границе двух сред, через которые этот луч проходит, меняя скорость. Наша атмосфера – не гладкая и не однородная; она состоит из большого количества разных движущихся и турбулентных слоев и «клеток». Если вы посмотрите не на монету в бассейне, а попытаетесь сфокусироваться на свете звезды, больше похожей на точку на небосводе, то увидите не стабильное яркое свечение, а его размытую, как бы мерцающую версию. Степень размытости, возникающей из-за атмосферы, называется видимостью, и еще совсем недавно она была фундаментальным препятствием для увеличения резкости изображений астрономических объектов, которые можно было сделать с поверхности Земли.

Один из четырех телескопов VLT Европейской южной обсерватории в процессе работы. Яркая полоса стреляет в небо мощным лазером, который используется для создания искусственной «звезды-поводыря» путем возбуждения атомов натрия высоко в атмосфере. Возбужденный натрий светится, как звезда, свет которой используется в качестве эталонного источника для выполнения корректирующей адаптивной оптики, которая может повысить четкость изображений, снятых с Земли, и компенсировать эффект размытия, возникающий из-за турбулентной атмосферы планеты

Для решения этой проблемы есть два пути. Первый – самый простой: запустите телескоп в космос, чтобы вообще не нужно было смотреть через атмосферу. Однако здесь есть другая сложность: запуск объектов на орбиту – слишком дорогой и рискованный процесс. Рискованный потому, что вы должны запустить хрупкий и дорогостоящий инструмент на орбиту, прикрепив его к ракете. Но и отдача велика, и мы, разумеется, приходим к концепции всемирно известного детища космической съемки – телескопа «Хаббл». Он довольно мал, если сравнивать площадь его зеркала сплощадью зеркал наземных телескопов (зеркала очень тяжелые, и поэтому тащить их в космос очень затратно), но зато ему не приходится бороться с поглощением или искажением излучения в атмосфере, так что он производит исключительно четкую и высокочувствительную съемку. Второй путь – разработка какой-то наземной технологии, которая позволит скорректировать помехи, вызванные земной атмосферой. В этом случае можно использовать самые большие зеркала, вес которых не позволяет развернуть их в космосе. Тогда видимость с поверхности Земли улучшится, и разрешение наземных телескопов с такой технологией может даже превзойти «Хаббл». Секрет заключается в активном контроле оптики телескопа, чтобы компенсировать стремительно меняющуюся модуляцию поступающих световых лучей, в результате корректируя искажения, вызванные атмосферой. Чтобы добиться эффективности выполнения исследований, эту коррекцию нужно производить несколько сотен раз в секунду. Звучит нереально, не правда ли? Тем не менее технология существует – это называется адаптивной оптикой, и вот как она работает.

Представьте, что вы бросили камень в бассейн со стоячей водой и наблюдаете за тем, как по поверхности воды расходятся круги от точки его падения. Возле места удара круги сохраняют отчетливую округлую форму, но чем дальше от него, тем шире становится их окружность и тем больше они становятся похожими на параллельные волны. Те же принципы действуют и в отношении лучей света от отдаленных астрономических источников, входящих в столкновение с атмосферой Земли. К тому моменту, когда излучение достигает Земли, световые лучи приобретают форму идеальных параллельных волн, но при прохождении через атмосферу ее молекулы нарушают это идеальное состояние и искажают параллельные очертания, что и приводит к «размыванию» изображения. Для научных целей нам необходимо убрать это вмешательство, возвращая входящим волнам их параллельное состояние.

Чтобы это сделать, нужно отслеживать искажения в ярком эталонном «точечном» источнике, подобном звезде. При отсутствии атмосферных искажений звезда должна выглядеть как одиночный устойчивый источник света с характерными формами. Если рядом с местом вашего наблюдения такой яркой звезды нет, на помощь приходят телескопы с мощным лазером, который может создать фальшивую звезду, захватывая атомы натрия, находящиеся в тонком слое атмосферы на высоте 100 км. Отслеживая модуляции этого опорного источника в виде искусственной звезды, специальная аппаратура выявляет и корректирует искажения, вносимые земной атмосферой, как если бы мы смотрели на него не через атмосферу, а из космоса, – для приближения к реальным условиям размеры зеркала телескопа могут быть изменены (совсем немного). Один из способов достижения такой компенсации – использование специально сконструированных зеркал с крошечными сегментами, которые могут двигаться вверх и вниз, изменяя очертания поверхности зеркала, что позволяет разгладить входящие волновые фронты. Это примерно то же, что подбросить в воздух теннисные мячики, а затем попытаться поймать их все строго в один и тот же момент. Результаты работы адаптивной оптики изумительны – почти 30-кратное улучшение разрешения по сравнению с обычными наземными наблюдениями.