Атмосферу Земли предложили использовать как линзу телескопа

Ученый оценил возможность использования преломления света в атмосфере Земли для проведения астрономических наблюдений. Результаты работы показывают, что подобная атмосферная линза будет весьма эффективна и позволит достичь увеличения яркости сигнала в тысячи раз. В итоге получается, что метровый детектор на оптимальной орбите будет усиливать сигнал примерно как обычный телескоп диаметром около 150 метров, пишет исследователь в препринте на arXiv.org.

Основной задачей телескопов является увеличение яркости далеких объектов, что достигается за счет фокусировки света с большой площади. Обычно для этого используется комбинация оптических приборов двух видов: линз или искривленных зеркал. Использование крупных элементов и накопление сигнала обеспечивают возможность регистрации намного более тусклых объектов, чем доступны для наблюдения невооруженным глазом.

На данный момент в процессе строительства находятся три самых крупных телескопа с монолитными зеркалами — это Гигантский Магелланов телескоп (24,5 метра), Тридцатиметровый телескоп (30 метров) и Чрезвычайно большой телескоп ELT (39,3 метра). Столь крупные приборы позволяют исследовать экстремально тусклые тела, но при этом также стоят астрономически дорого — более одного миллиарда долларов США каждая обсерватория. Космические обсерватории еще более затратны: оценочная стоимость телескопа «Джеймс Уэбб» со скромным по земным меркам диаметром зеркала в 6,5 метров превысила 10 миллиардов долларов.

Существует несколько футуристических проектов телескопов, которые опираются не только на созданные человеком оптические приборы, но и на естественные тела. Например, есть идея использовать искривление траекторий лучей света в гравитационном поле Солнца для фокусировки изображения. В таком случае приемник, расположенный на фокальной линии, сможет получать прямые изображения экзопланет размером около мегапикселя. Однако гравитационный фокус Солнца расположен очень далеко, примерно на 550 астрономических единицах от светила.

Дэвид Киппинг (David Kipping) из Колумбийского университета в США оценил возможность использования атмосферы Земли в качестве линзы телескопа — «терраскопа». Принцип его работы основан на относительно слабом преломлении света воздухом. Этот эффект легко наблюдать, так как именно он ответственен за красный цвет неба на восходе и закате. Более специфическим проявлением является искажение положений объектов около горизонта: в частности, Солнце кажется примерно на полградуса (то есть на один диаметр) выше над горизонтом, чем оно фактически находится.

Терраскоп будет обладать значительной степенью хроматизма, то есть будет фокусировать свет разной длины волны на разном расстоянии, в результате формируя фокальную линию, а не точку. Так как воздушный слой отклоняет волны оптического диапазона только примерно на один градус у поверхности Земли, то эта линия будет начинаться примерно на 85 процентах расстояния между планетой и Луной и уходить на бесконечность. Соответственно, детектор такого телескопа необходимо установить на орбите с высотой в сотни тысяч километров, но не далее радиуса Хилла (размера области гравитационного доминирования Земли), иначе он будет захвачен Солнцем.

Атмосфера по сравнению с обычно используемыми линзами представляет собой сложный объект. Основная особенность — изменение плотности и, следовательно, коэффициента преломления с высотой. Поэтому сильнее всего фокусируется свет вблизи поверхности, но также необходимо избегать блокирования света как самой Землей, так и облаками, подавляющее число которых расположено не выше 10 километров.

Дополнительными сложностями являются наличие в атмосфере различных аэрозолей и ее собственное свечение. Молекулы взвешенных в воздухе веществ поглощают свет на определенных частотах, что необходимо учитывать и по возможности избегать. Из-за свечения атмосфера никогда не бывает полностью темной, что также затрудняет наблюдения. К тому же, атмосфера распухает или сжимается в зависимости от температуры, что влияет на расстояние до фокуса.

Киппинг предлагает заблокировать нежелательную область при помощи коронографа, то есть специальной пластины, загораживающей центральную часть кадра, что обычно используется для наблюдения короны Солнца. Согласно его расчетам, оптимально расположить детектор как можно дальше, то есть примерно на одном радиусе Хилла. В таком случае он будет собирать свет, преломленный воздухом не ниже 13,7 километров над поверхностью Земли. При этом поглощение в атмосфере составит менее 10 процентов.

Результирующее увеличение потока энергии для терраскопа с диаметром в один метр должно составить порядка 45 тысяч для максимальной экспозиции в 20 часов, но из-за яркого свечения атмосферы на дневной стороне эта величина будет примерно в два раза меньше. Получается, что метровый терраскоп будет примерно также эффективен в плане изучения тусклых объектов, как и 150-метровый телескоп на поверхности Земли.

Ранее сообщалось, что на крупнейшем российском телескопе БТА установили прежнее зеркало, которое сняли в прошлом году. Также недавно космический телескоп TESS закончил обзор южной половины неба и нашел 850 потенциальных планет.

Тимур Кешелава