НАСА научилось динамически устранять пикометровые искажения с оптики телескопа
В «чистой комнате» Центра космических полетов Годдарда техники раскрывают сегментированное зеркало обсерватории Джеймса Уэбба в рамках подготовки к тесту юстировки летом 2016 года. Фото: NASA/Chris Gunn
Чтобы найти и определить характеристики десятков экзопланет, похожих на Землю, требуется очень стабильный космический телескоп, оптические компоненты которого двигаются и искажают картинку не более чем на несколько пикометров — это меньше, чем размер атома. Требуются и инструменты нового поколения, способные гарантировать такой уровень стабильности. Полтора года назад НАСА выделило финансирование научно-исследовательской группе в Центре космических полетов Годдарда и компании 4-D Technology на создание высокоскоростного интерферометра, который должен обеспечить пикометровую стабильность телескопа. Такую задачу раньше не удавалось решить никому.
Как и во всех интерферометрах, здесь световой пучок разделяется на несколько когерентных пучков. Каждый из них проходит свой путь, а затем они снова объединяются, создавая интерференционную картину, по которой можно установить разность фаз интерферирующих пучков в данной точке картины. Так можно зарегистрировать малейшее движение или смещение материала. Такой интерферометр использовали при юстировке 18 зеркал обсерватории Джеймса Уэбба.
В НАСА решили, что замерять только поверхность зеркал недостаточно. Поэтому в Центре космических полетов Годдарда совместно с компанией 4-D Technology разработали продвинутый динамический лазерный интерферометр, который одновременно регистрирует смещения не только зеркал, но и их креплений и других конструктивных компонентов, работая в условиях вибрации, шума или воздушной турбулентности. Инструмент был на четыре порядка точнее, чем любая подобная техника в то время. Вскоре после его создания инструмент сразу же начали использовать в лабораториях, чистых комнатах и испытательных камерах всех участников проекта.
Но этого тоже было недостаточно для выполнения космических миссий типа LUVOIR (Large UV Optical Infrared Surveyor). Концепция предполагает, что большие зеркала диаметром 8−18 м покрывают одновременно ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны длин волн. Телескопы LUVOIR смогут анализировать структуру и состав поверхности экзопланет, а также снимать слабые околозвёздные диски, чтобы дать представление о том, как формируются планеты. Более того, такие телескопы смогут определять биосигнатуры в атмосферах удалённых экзопланет: содержание CO2, CO, молекулярного кислорода (O2), озона (O3), воды (H2O) и метана (CH4).
Съёмка одновременно в разных спектрах LUVOIR поможет понять, как УФ-излучение материнской звезды регулирует атмосферную фотохимию на обитаемых планетах.
25 января 2018 года научно-исследовательская группа в Центра космических полетов Годдарда объявила о создании инструмента, который сделает возможным пикометровую точность телескопа. Этот первый в своём роде уникальный инструмент такого рода — спекл-интерферометр (speckle interferometer).
Эксперты по оптике Центра Годдарда Бабак Сальф (слева), и Ли Фейнберг (справа) при помощи инженера Эли Гри-МакМахона (в центре) из компании Genesis разработали Систему ультрастабильного теплового вакуума (Ultra-Stable Thermal Vacuum system), которую будут использовать для проверки измерений интерферометра с точностью 12 пикометров
Учёные продемонстрировали, что новый интерферометр способен динамически регистрировать смещения на 1,5-метровом сегментированном зеркале телескопа и его опорной конструкции с точностью 25 пикометров.
Такие смещения атомного масштаба на отдельных участках зеркала могут происходить из-за изменения температуры или в результате «неаккуратной» транспортировки с Земли, когда ракета-носитель разгоняется с ускорением 6,5 g. Учёные говорят, что даже смещение на один атом повлияет на точность измерения атмосферы и поверхности удалённых экзопланет.
Разработчики теперь собираются протестировать интерферометр в установке ультрастабильного теплового вакуума — и посмотреть, способен ли он регистрировать смещения в 12 пикометров, то есть в 1/10 диаметра атома водорода.
