Что такое астроклимат и световое загрязнение и причем тут Пулковская обсерватория
Президиум РАН в начале июня постановил в течение пяти лет перевести астрономические наблюдения из Пулковской обсерватории под Петербургом на другие наблюдательные базы, расположенные «в более благоприятных астроклиматических условиях». Это решение ожидаемо не вызвало одобрения среди ученых — астроклиматические условия под Петербургом, и правда, далеко не самые лучшие, но на территории нашей страны они в принципе не очень благоприятны, и закрытие давно и стабильно работающего научного объекта не может радовать. В том, что такое астроклимат, от чего зависят его параметры и что делать астрономам, если он оказывается слишком суров, редакция N + 1 разбиралась с помощью ученых из МГУ и Пулковской обсерватории.
Условия для астрономических наблюдений в каждой конкретной точке описывают многие параметры и характеристики. Один из них — угловой размер видимого диска звезды. Конечно, звезды — точечные объекты, в отличие от Солнца и планет, в обычный телескоп (без специальных ухищрений) мы не можем увидеть диск звезды. Однако из-за дифракции света на краю объектива телескопа изображение даже точечного источника будет выглядеть как кружок определенного размера. В идеальном случае, то есть с безупречной оптикой и за пределами атмосферы, размер этого кружка (его называют диском Эйри) будет зависеть только от длины волны и диаметра объектива.
Но реальные телескопы даже в самых лучших климатических условиях дают разрешающую способность не лучше 0,5 угловой секунды. Один из самых лучших современных инструментов — европейский оптический интерферометр VLT, состоящий из четырех телескопов с диаметром зеркала восемь метров, находящихся в Чили, лучшем по астроклимату месте на планете, позволяет получить разрешение от 0,05 до 0,001 секунды. Но на этих телескопах используется адаптивная оптика, которая способна корректировать влияние атмосферы и получать изображение, близкое к дифракционному пределу. Без учета возможностей адаптивной оптики даже в лучшем астроклимате видимый диск звезды может «размываться» от 0,4 до 1-2 секунд.
Первый враг астрономических наблюдений — атмосферная турбулентность. Приземный слой воздуха, как правило, нагревается значительно сильнее, чем вышележащие слои, поэтому на границе этих слоев свет преломляется. Изменение температуры воздуха на один градус Цельсия меняет показатель преломления на 10-6, что уже сказывается на качестве изображения. Кроме того, эти слои могут перемешиваться ветром, дрейфовать по высоте — в результате изображение будет постоянно смещаться, «скакать» с места на места. Снизить влияние турбулентности можно, если поднять телескоп над приземным слоем воздуха — например, установить его на горной вершине. Кроме того, необходимо исключить влияние локальных источников тепла по соседству с телескопом — именно поэтому в астрономических куполах не должно быть отопления.
Астроном Борис Сафонов, участник группы изучения астроклимата на Кавказской горной обсерватории МГУ, объясняет, что для измерений турбулентности атмосферы используют специальные инструменты, так называемые датчики дифференциальных дрожаний изображений. Такой прибор обычно монтируется на небольшом телескопе (30-35 сантиметров) и «смотрит» на звезду с двух диаметрально противоположных участков апертуры телескопа. Из-за турбулентности изображения от каждого из них будут постоянно двигаться в фокальной плоскости относительно друг друга. Измеряя амплитуду этого движения, можно оценивать качество изображения.
«Измерять атмосферную турбулентность необходимо, потому что это позволяет оценить эффективность работы будущего телескопа, причем для телескопа с адаптивной оптикой это критически важно, потому что адаптивная оптика позволяет отчасти корректировать это влияние», — подчеркивает Сафонов.
Характеристики турбулентности позволяют понять, какой инструмент имеет смысл ставить в том или ином месте. Скажем, в районе Кавказской горной обсерватории (КГО) в Карачаево-Черкесии размытие изображения из-за турбулентности составляет около 0,9 секунды, а в Чили или на Гавайях — 0,6–0,65 секунды.
И это означает, что телескоп с диаметром зеркала 1 метр в Чили позволит изучать такие же слабые объекты как двухметровый — на Кавказе.
«Поэтому часто нет смысла строить большой и дорогой телескоп в плохом месте. Возможно, имеет смысл больше средств вложить в то, чтобы поставить меньший телескоп, но в хорошем месте с точки зрения турбулентности», — говорит Сафонов.
Вторая проблема — это прозрачность атмосферы, которая характеризуется тем, насколько снижается яркость света, пока он достигает телескопа. Например, яркость снижается на 20 процентов за счет рэлеевского рассеяния на молекулах атмосферных газов. Кроме того, свет задерживают частицы пыли, капли воды, кристаллы льда. С рэлеевским рассеянием можно бороться, только поднявшись на большую высоту, а количество пыли, аэрозолей зависят от погоды и от конкретного места. В частности, в городах много источников пыли, поэтому рядом с густонаселенными районами прозрачность атмосферы снижается.
Влажность воздуха влияет на прозрачность атмосферы в целом и в особенности на инфракрасный диапазон. Чем больше воды в атмосфере, тем хуже она пропускает длинноволновое излучение. Астрономы измеряют влажность количеством осажденной воды: если взять всю воду из атмосферы и вылить ее на поверхность, то получится слой некоторой толщины. Скажем, в пустыне Чили — это примерно 1-2 миллиметра, а в Антарктиде это могут быть доли миллиметров. «Там многие эксперименты можно ставить, почти как в космосе, например, можно измерять неоднородность микроволнового фона», — объясняет Сафонов.
На проницающую силу — способность видеть предельно слабые объекты — влияет и фон неба: дело в том, что атомы азота и кислорода в верхней части атмосферы возбуждаются за счет солнечного излучения днем, а ночью «высвечиваются». Еще один источник света — межпланетная пыль в Солнечной системе, так называемый зодиакальный свет. Так возникает свечение, которое никак нельзя убрать. Даже в абсолютно идеальных условиях квадратная секунда небосвода ночью излучает как звезда 21-й звездной величины.
Наконец проблемы создают обычная погода и климат: наблюдать звезды можно только в ясные ночи, и количество безоблачных ночей может очень сильно отличаться от места к месту. В частности, в районе Кавказской горной обсерватории МГУ около 45-50 процентов ясных ночей, в чилийской пустыне Атакама — 87–90 процентов, на Гавайях чуть поменьше, около 83 процентов, говорит Борис Сафонов. Очень хорошие места, с точки зрения астроклимата, есть в Средней Азии. Например, в Узбекистане в районе обсерватории Майданак в год приходится около 65-70 процентов безоблачных ночей.
Имеет значение еще и близость обсерватории к экватору. Там ночная темнота наступает гораздо быстрее, чем в северных широтах, где сумерки могут длиться часами из-за более пологой «траектории» движения Солнца по небу. «Сумерки — потерянное время для наблюдений, из-за этого на экваторе подходящего ночного времени в два раза больше, чем на полюсах», — объясняет ученый. По этой причине большинство крупных обсерваторий расположены относительно недалеко от экватора, российские КГО и также расположенная в Карачаево-Черкесии Специальная астрофизическая обсерватория — самые северные в мире крупные обсерватории.
На всех крупных обсерваториях параметры астроклимата отслеживают в реальном времени и используют при оперативном планировании, когда решают, что наиболее эффективно наблюдать в данный момент. Например, здесь можно следить за тем как меняется турбулентность в атмосфере, ее прозрачность и фон неба над Кавказской горной обсерваторией МГУ.
Карта светового загрязнения, цветовая шкала справа показывает, во сколько раз свечение неба в данной точке превышает природный фон
Астрономы рассказывают, что после землетрясения в 1994 году, вызвавшего отключения электричества в Лос-Анджелесе, в экстренные службы в предрассветные часы начали звонить люди, обеспокоенные видом странного серебристого облака, распростершегося над городом. На самом деле они были напуганы зрелищем Млечного пути. Сегодня примерно треть человечества (60 процентов европейцев и 80 процентов жителей Америки) не могут увидеть своими глазами красоту Млечного пути из-за «засветки». В небесах городов даже в ясную погоду видна лишь небольшая часть самых ярких звезд, все остальное у нас «крадет» световое загрязнение.
Свет от рекламы, уличных фонарей, фар автомобилей рассеивается на молекулах атмосферы, каплях воды и частицах пыли, порождая свечение неба. По словам Сафонова, аэрозоли поднимаются на высоту 15-20 километров, а значит, засветка от города будет видна на дистанции около 150-200 километров (если представить себе, что между границей города и вами лежит незаселенная пустыня).
Широкое распространение светодиодных светильников усугубляет проблему: максимум их излучения приходится на фиолетово-синюю часть спектра с длиной волны около 390 нанометров, которая рассеивается в атмосфере в 16 раз сильнее, чем свет ламп накаливания, где максимум приходится на 780 нанометров. Поэтому светодиоды значительно усиливают фон неба.
Поэтому современные обсерватории «мигрируют» все дальше и дальше от цивилизации, в места, удаленные от всяческого жилья. «Телескопы VLT в Чили расположены в десятках километров от ближайших поселков», — говорит научный сотрудник Пулковской обсерватории Кирилл Масленников. «Даже знаменитый отель обсерватории, где снималась часть сцен „Кванта милосердия“, хотя и находится на расстоянии несколько километров от телескопов, построен так, что все его окна смотрят в противоположную сторону от горы. И кроме того, действует строгое правило: если в номере горит свет, то шторы должны быть закрыты, ничего не должно просачиваться из здания отеля. Требования таковы, что даже эта ничтожная засветка должна быть устранена», — рассказывает ученый.
Мест, пригодных для серьезных астрономических наблюдений, становится все меньше, их поиском и защитой занимается специальная Комиссия B7 Международного астрономического союза. Сам Союз и другие организации, например International Dark Sky Association, готовят рекомендации для снижения уровня светового загрязнения — как правильно устанавливать осветительные приборы, как сократить уровень бессмысленной засветки неба. Они подчеркивают, что избыточное освещение влияет не только на удобство астрономов, но и на здоровье людей (меняя циркадные ритмы), на экономику (которая несет дополнительные расходы на избыточное освещение). Всеобщее мнение, что уличное освещение помогает снизить уровень уличной преступности, может быть, как считают эксперты Британской астрономической ассоциации, не вполне оправданно.
Один из способов скорректировать влияние турбулентностей — использовать адаптивную оптику, которая настраивается по искусственной звезде. Ее создают в небе с помощью мощного лазера, чей луч заставляет излучать атомы натрия на высоте около 80-100 километров.
В России сейчас нет мест с хорошим астроклиматом, по крайней мере, достаточно хорошим, чтобы там имело смысл строить действительно большие телескопы. Однако первоначально многие обсерватории мира строились именно рядом со столицами.
«Дело в том, что в позапрошлом веке многие обсерватории решали задачи скорее географические, чем астрономические. Их основное назначение было — привязка географических координат к системе координат небесных для построения хороших географических карт и точных измерений времени. И это все нужно было привязать к столице, поэтому и появились обсерватории в Гринвиче, недалеко от Лондона, Парижская обсерватория в черте города, Пулковская обсерватория по соседству с Петербургом. Для астрометрических наблюдений — точных измерений координат звезд — астроклимат в Пулково приемлемый», — объясняет Кирилл Масленников.
Однако сейчас эти географические и хронометрические задачи уже не являются центральными в фундаментальной астрономии, они отошли на второй-третий план, для их решения существуют новые технические средства, в том числе не связанные с оптическими наблюдениями.
Астрономы давно уже поняли, что астроклимат в центре страны не позволяет проводить серьезные наблюдения, поэтому многие обсерватории создавали базы в регионах с хорошим климатом: в Крыму, на Кавказе, на Памире.
«У Пулковской обсерватории была база на Памире, была база в Николаеве, в Благовещенске. В частности, Памирская станция очень интересна с точки зрения микроволновых наблюдений, там рекордно низкая влажность, такая же, как в чилийской пустыне Атакама, где стоит телескоп ALMA, там примерно такие же климатические характеристики. Но сейчас и эта база, и многие другие остались за пределами России», — объясняет Масленников. В России же у Пулковской обсерватории сохранилась Кисловодская Горная астрономическая станция, но там занимаются главным образом изучением активности Солнца.
Сейчас в самом Пулково работают три оптических инструмента, к числу решаемых ими фундаментальных задач относятся, например, наблюдения широких пар двойных звезд. Достаточно много двойных звезд обращаются друг вокруг друга по очень широким орбитам, где один оборот может занимать десятки тысяч лет. Пулковский астроном Алексей Киселев разработал метод параметров видимого движения, который позволяет по сравнительно короткой дуге получить орбиту целиком, а знание орбит двойных звезд, в свою очередь, — один из немногих методов непосредственно измерения звездных масс.
«Здесь важно, чтобы эти ряды были длинными, они должны продолжаться десятилетиями. Одна и та же пара фотографируется много лет, и вот появляется крохотный кусочек орбиты, а потом по этому крохотному кусочку благодаря методу Киселева удается восстановить полную форму орбиты», — говорит Масленников.
Кроме того, пулковские астрономы наблюдают систему спутников Юпитера, систему спутников Сатурна, чтобы уточнить параметры их движения, наблюдают астероиды, покрытия, продолжаются и традиционные для обсерватории астрометрические и геодезические наблюдения.
Однако астрофизические наблюдения на мировом уровне вести в Пулково нельзя — и дело не только в астроклимате. В России уже полвека — с момента постройки шестиметрового телескопа БТА — не создавали крупных современных астрономических инструментов. За это время были утрачены и технологии, и кадры. За пятилетний срок, который установил президиум РАН для переноса наблюдений, не получится разработать новые инструменты — новые телескопы строятся десятилетиями, а стоимость их может составлять миллиарды долларов.
Получается, что астрономам из Пулковской обсерватории предлагают уже в ближайшее время свернуть хоть и второстепенные, но все же живые научные наблюдения, но практически ничего не предлагают взамен. Защитники обсерватории полагают, что решение РАН, которое многие называют капитуляцией, мотивировано интересами застройщиков, желающих возвести по соседству, в защитной зоне обсерватории, жилой массив. Действия ученых — сборы подписей, митинги, статьи в прессе — мотивированы понятным желанием уберечь от напора коммерции «место силы», которым Пулково, безусловно, является. Но даже если предположить, что защитники обсерватории добьются отмены решения о ее закрытии, это не поможет российской астрономии выбраться из глубоко провинциального состояния.
Действительным выходом из этой ситуации могло бы стать вступление России в Европейскую южную обсерваторию (ESO), которая сейчас строит в Чили крупнейший в мире телескоп ELT. Участие в этом проекте откроет российским ученым доступ к этому и другим инструментам мирового уровня, отмечает Масленников. Россию уже давно приглашают вступить в ESO, и российские власти не раз обещали рассмотреть этот вопрос, но решения пока нет. И возможно, это более серьезная проблема, чем неблагоприятный астроклимат.