Оптическая интерферометрия в астрономии выходит на новый рубеж
Возвышаясь над Лос-Анджелесом, шесть небольших куполов ютятся среди сосен на вершине горы Вильсон. По одиночке 1-метровые телескопы, находящиеся в этих зданиях, не способны конкурировать с крупнейшими наземными и космическими телескопами. Но вместе телескопы обсерватории Маунт-Вилсон дают одни из самых резких из когда-либо сделанных изображений.
Расположенные в форме буквы «Y» телескопы являются частью Центра Астрономии Высокого Углового Разрешения [CHARA - Center for High Angular Resolution Astronomy]. Свет от каждого из них через вакуумные трубы направляется в центральное помещение, где происходит его интерферометрия. Это дает CHARA разрешающую способность, эквивалентную одному телескопу с 300-метровым зеркалом, что в 50 раз больше, чем разрешение Хаббла. CHARA позволяет увидеть детали на поверхности звезд, когда на других телескопах можно разглядеть лишь размытые пятна света.
Радиоастрономы используют интерферометры уже более полувека, отстававшая оптическая интерферометрия теперь отмечает совершеннолетие. Несколько обсерваторий показали серьезные научные результаты, в том числе исследователи с массива CHARA, опубликовавшие на прошедшей неделе статью в журнале Nature [464, 870-872]. В конце прошлого года команде исследователей удалось запечатлеть пылевой диск шириной почти с Солнечную Систему, когда тот проходил по диску старой звезды-сверхгиганта, закрывая часть идущего от нее света. Это стало первым прямым изображением затменно-двойной системы, которая озадачивала астроном более ста лет. «Это перемещает нас в область, которой уже десятилетия наслаждается радиоастрономия», - заявил Роберт Стенсел [Robert Stencel, Университет Денвера], соавтор статьи.
С самого начала радиоастрономии ученые пользовались рядом преимуществ [этой части спектра электромагнитных волн] в сравнении с оптическими наблюдениями. Атмосфера Земли не размывает радиоволны, в отличие от более коротковолнового видимого света. Кроме того, радиосигналы с разных «тарелок» могут быть оцифрованы, переданы в электронном виде, а после рекомбинированны в интерференционной картине – основе изображения высокого разрешения. Эта относительная простота обработки позволила радиоастрономам объединить данные с «тарелок» по всему миру, создавая виртуальный массив с базой шириной в Землю.
Но в оптической интерферометрии астрономы должны соединять слабые световые потоки в реальном времени путем перенаправления их по системе туннелей с нанометровым уровнем точности. Они также должны противостоять эффекту атмосферного размытия, используя технологию адаптивной оптики. Так как многие оптические массивы используют сравнительно небольшие телескопы, у них есть проблема в сборе достаточного светового потока для изучения чего-нибудь еще помимо ближайших ярких звезд.
Технический прогресс
Даже с этими ограничениями оптическая интерферометрия позволила по-новому взглянуть на звезды, например, обмен веществом в двойных системах и деформацию звезд, вследствие вращения. Теперь ученые продвигают технику, «складывая» свет из более чем двух телескопов. Множество лучей не только делает сбор данных более эффективным [больше фотонов пойманы и используются], они также обеспечивают перекрестную проверку данных, что упрощает создание исходного изображения из интерференционной картины. В 2007 году CHARA впервые продемонстрировал четырехлучевой «сумматор», в следующем году ученые центра планируют попытку записи шести лучей [пучков] одновременно.
Совершенствования обращают некогда трудные эксперименты в рутинные операции, открывая путь астрономам, не являющимися экспертами в интерферометрии. «Теперь мы получаем все больше обычных пользователей», - говорит Франсуа Дельпланк [Fran?oise Delplancke], глава группы интерферометрии Интерферометра Очень Большого Телескоп [VLTI - Very Large Telescope Interferometer] Европейской Южная Обсерватория. Число публикаций на основе оптической интерферометрии выросло с 9 в 1999 году до 56 в 2006. Данные с VLTI являются причиной около половины из них.
Поддержка средств США в этой области более фрагментирована. CHARA – эксплуатируется университетом при поддержке Национального Научного Фонда. Потенциальный конкурент - Magdalena Ridge Observatory [Нью-Мексико] – уже столкнулся с простоями из-за проблем с финансированием. НАСА поддерживает интерферометр на основе обсерватории Кек на Гавайях, состоящей из двух телескопов, диаметр первичных зеркал которых составляет 10 метров. Предполагалось, что этот интерферометр достигнет возможностей VLTI после добавления от 4 до 6 малых «боковых» телескопов [для увеличения базы]. Но вспомогательный проект был свернут в 2006 году из-за экологических и культурных вопросов, связанных со строительством новых телескопов на вершине горы Мауна-Кеа.
Все же не все опустили руки на Мауна-Кеа, где расположена крупнейшая «колония» гигантских телескопов на планете. Гай Перрин [Guy Perrin, Парижская Обсерватория], главный исследователь Гавайского Оптического Массива Нанорадиальной Астрономии [OHANA - Optical Hawaiian Array for Nano-radian Astronomy], соединяет 7 больших телескопов на вершине [горы Мауна-Кеа] в массив с базой в 800 метров. Для проверки новых принципов построения систем Перрин уже создавал интерферометр на основе двух телескопов Кек посредством оптического волокна, которое избавит от необходимости соединять телескопы туннелями.
Застигнутый на прошлой неделе по телефону, Перрин был занят реализацией второй стадии на Мауна-Кеа [Гавайи] – соединением волоконно-оптической линией телескопа Джемини Север с Канадо-франко-гавайским телескопом. В тоже время, в Чили он помогает в разработке интегрированной оптики, которая будет эффективно «складывать» лучи на крошечном кремневом чипе, а не в больших сложных комнатах.
Хотя технологические трудности в осуществлении проекта OHANA все еще остаются высокими, говорит Перрин, главная проблема может возникнуть, когда установка будет создана и потребуется получить одновременно телескопное время всех обсерваторий Мауна-Кеа.
Первое прямое изображение затменно-двойной звезды - Эпсилон Возничего, состоящей из старой, яркой звезды и невидимого компаньона, окруженного пылевым диском
