Как работает матрица большого телескопа: подробно о сложном26.01.2022 05:33

На фоне легендарного телескопа Mayall и крупнейшего в мире спектрографа, работающих в обсерватории Китт-Пик, телескоп WIYN не так грандиозен и мог бы затеряться. Однако использованные на нем новейшие технологии ставят его в один ряд с самыми грандиозными инструментами наземной астрономии.

На всей планете не так уж и много мест, в которых географические и климатические условия сложились для астрономов-наблюдателей наилучшим образом. Это засушливая чилийская пустыня Атакама, где стоят четыре 8,2-метровых гиганта обсерватории VLT и массив миллиметровых телескопов ALMA. Это гора Мауна-Кеа на Гавайях, где телескопов больше, чем на любой другой вершине планеты, и нагорья Антарктиды, где работает 10-метровый South Pole Telescope. В этом же ряду расположилась и пустыня Сонора на границе США с Мексикой: здесь работает Национальная обсерватория Китт-Пик.

Частично заполненный OTCCD-матрицами массив телескопа WIYN. Именно в такой конфигурации (девять матриц в центре и четыре по краям) телескоп работал первые два года. Сегодня их число доведено до 30.

Сонора, одна из самых больших, сухих и жарких пустынь Северной Америки, занимает территорию нескольких штатов. Здесь живут индейцы племени папаго — «тохоно-оодхам», «люди пустыни», близкие к народу пима. Возвышающаяся над местностью гора Китт-Пик (на местном языке оодхам — Лолигам) для них до сих пор священна, но не настолько, как расположенный чуть дальше пик Бабоквивари. Поэтому — в отличие от аборигенов Гавайских островов, которые недавно все-таки заблокировали строительство на Мауна-Кеа нового 30-метрового телескопа — землю на Китт-Пик индейцы отдали в аренду еще более полувека назад по вполне сходной цене в четверть доллара за акр. Новый договор, подписанный в начале XXI века, оставил эти условия в силе и сделал возможной модернизацию телескопов. Работники обсерватории могут спокойно планировать работу на десятилетия вперед, не опасаясь проблем с индейцами. Отсутствие поблизости городов снижает световое загрязнение неба, высота в 2000 м над уровнем моря уменьшает толщину атмосферы над обсерваторией, а засушливый климат обеспечивает порядка 260 «чистых», безоблачных ночей в году (72%). Сегодня на склонах Китт-Пик, как грибы на пне, плотно расположились «шляпки» 26 телескопов. Гора открыта для посетителей, и любой человек, не обязательно астроном, может обойти эту территорию. Главное — не шуметь, о чем напоминают заботливые надписи: «Пожалуйста, сохраняйте тишину: днем астрономы спят».

Влияние различных слоев атмосферы на изображение звезды

В обычной фотографии ПЗС почти вытеснены матрицами на основе технологии комплементарной структуры металл-оксид-полупроводник — КМОП. Эта технология позволяет интегрировать на одном кристалле и матрицу светочувствительных детекторов, и цифровую электронику для обработки полученного с нее сигнала. В КМОП-матрицах снятие сигнала происходит со множества пикселей параллельно и одновременно. Это позволяет, в частности, не дожидаться окончания экспонирования и получать данные в режиме реального времени. Однако для профессиональной астрономии в некоторых случаях все еще удобнее и выгоднее использовать старые добрые ПЗС — в первую очередь из-за очень низкого уровня шума при высоком уровне чувствительности.

Циклопический телескоп Mayall, названый в честь второго директора обсерватории Николаса Мейола, — самый большой оптический телескоп на Китт-Пик и один из 20 самых крупных в мире. Его 4-метровое и 15-тонное главное зеркало хоть и работает в связке с не самым современным оборудованием, все еще позволяет вести наблюдения экстра-класса. Телескоп работает с начала 1970-х годов и в свое время помог изучить движения далеких галактик, раскрыв роль темной материи в расширении Вселенной.

Поблизости находится солнечный телескоп McMath-Pierce — самый большой в мире коронограф. Его зеркало установлено под 30-метровой башней, в «колодце», уходящем еще на 60 м в глубину горы. Такая «шахтная» конструкция позволяет отказаться от вторичного зеркала и снимает проблему экранирования части светового потока, скрывает телескоп от сильных ветров и перепадов температур. Недаром за 60 лет работы этот инструмент позволил заметить на Солнце спектральные линии бора, гелия, фтора, воды.

Кроме того, на Китт-Пик работают два радиотелескопа, один из которых входит в сеть Very Long Baseline Array (VLBA). Объединяя десяток таких инструментов, расположенных в Северной и Южной Америках, на Гавайях и в Германии, сеть работает как единый радиоинтерферометр со сверхдлинной — более 8000 км — базой и огромной разрешающей способностью. Телескоп VLBA участвует в работе и еще более крупного радиоинтерферометра международной программы «Радиоастрон», одним из плеч которого служит российский спутник «Спектр-Р», находящийся на орбите высотой до 350 000 км.

WIYN — не самый заметный на первый взгляд телескоп на горе, но самый молодой: «первый свет» он увидел в 1994 году. Его зеркало имеет диаметр 3,5 м, зато по качеству изображения он легко поспорит с 6-метровым Mayall. WIYN можно назвать жемчужиной Китт-Пик, а жемчужиной самого телескопа — его необычную ПЗС-матрицу, которая позволяет радикально улучшать качество изображений.

Готовый к использованию массив из 64 матриц ортогонального переноса — ОТА

В свое время астрономы использовали для съемки звезд и небесных тел фотопластинки. Появление ПЗС-матриц произвело в астрономических наблюдениях (как и в фотографии) настоящую революцию, но основные проблемы принципиально не изменились. Дело в том, что астрономические объекты являются тусклыми, так что, несмотря на большие диаметры зеркал телескопов, для их фотосъемки требуются длительные выдержки. А еще они подвижны, что как раз становится проблемой при такой съемке.

Суточное движение звезд на небосводе можно компенсировать с помощью систем гидирования, которые поворачивают телескоп синхронно с вращением Земли. Однако существуют искажения, которые невозможно компенсировать таким способом. Все наземные оптические телескопы имеют один и тот же недостаток: изменчивая атмосфера нашей планеты неравномерно и непредсказуемо преломляет световые волны, приходящие от далеких астрономических объектов, размывает и искажает полученную картинку.

Для решения этой проблемы телескопы приходится либо выводить за пределы атмосферы, либо оснащать системами адаптивной оптики (АО). Используя деформируемые зеркала, которые изменяют геометрию по сигналам системы управления, АО позволяет частично компенсировать искажения, вносимые турбулентностью земной атмосферы. В качестве обратной связи в АО используются изображения опорных звезд — настоящих или искусственных, «зажженных» лазерным лучом на краю атмосферы, на высоте около 90 км. Эта технология довольно дорога даже по меркам обсерваторий, которые иногда обходятся в миллиарды долларов. Да и компенсация такая имеет свои ограничения: в частности, она далеко не идеальна по всему полю зрения. Так что желание астрономов бороться с деградацией изображения с помощью более дешевых альтернатив и доработок можно понять.

Одной из таких альтернатив стала ПЗС-матрица с ортогональным переносом изображения (Orthogonal Transfer CCD, OTCCD), идея которой была предложена около 20 лет назад Полом Шехтером и его коллегами по Массачусетскому технологическому институту (MIT). Напомним, что традиционная ПЗС-матрица (CCD) состоит из массива светочувствительных ячеек, которые накапливают заряд, регистрируя попадающие на них фотоны. Когда экспозиция закончена (и только тогда), заряды последовательно, один за другим, считываются. Ячейка за ячейкой каждой строки передаются на считывающее устройство, которое преобразует аналоговый сигнал в цифровой. Если источник излучения в процессе съемки и накопления ПЗС-матрицей заряда сместится, то его изображение окажется «размазано» по нескольким ячейкам. Восстановить его изначальный вид будет практически невозможно.

Cлева — классическая ПЗС-матрица: писксель состоит из нескольких затворов, расположенных линейно. При считывании к затворам поочередно (циклически) прикладывается управляющее напряжение, которое заставляет накопленные заряды (электроны) смещаться в одном (и только в одном) направлении, как на конвейере. Справа — вариант OTCCD-матрицы с ортогональным переносом. Ее пиксели состоят уже из четырех затворов другой геометрии, которая позволяет перемещать заряд в двух перпендикулярных направлениях.

В отличие от этого, заряды во время экспозиции матрицы OTCCD не просто накапливаются в своих ячейках, но и могут перемещаться в соседние — влево-вправо и вверх-вниз. Делается это по команде системы управления, которая с помощью отдельных независимых датчиков отслеживает расположение какой-нибудь опорной звезды (как в системах с АО). Как только система замечает, что ориентир сместился, она распространяет его движение на соседние пиксели и «заставляет» все заряды из них вернуться обратно. Десятки раз в секунду изображение «плавает», заряды перепрыгивают на соседние пиксели, а система управления ловит и возвращает их на место.

Это позволяет компенсировать влияние турбулентности атмосферы, вибрации телескопа, ошибки в слежении за звездой и добиться отличного разрешения. Первые подобные матрицы состояли всего из 512×512 элементов, но уже они показывали прекрасные результаты: угловое разрешение инструментов сильно увеличилось, выросло и отношение сигнала к шуму. Следующее поколение OTCCD представляет собой уже целый набор матриц — OTA (Orthogonal Transfer Array). Каждая из них имеет свою независимую систему управления переносом зарядов и может использовать свою собственную опорную звезду, что позволяет добиваться весьма эффективной компенсации мелкого дрожания практически по всему полю зрения. При этом OTA не исключают параллельного применения и адаптивной оптики. Тот же телескоп WIYN оснащен и системой АО, а его главный инструмент, камера ODI (One Degree Imager), насчитывает 30 OTA-массивов по 64 матрицы 480×496 пикселей каждая.

В дополнение к массиву матриц OTA на телескопе WIYN имеются и спектрограф, и камера для наблюдений в ИК-диапазоне, поэтому неудивительно, что расписание его наблюдений заполнено на несколько месяцев вперед. Научные интересы работающих с ним астрономов очень широки: поиск и подтверждение новых экзопланет, детальное изучение послесвечения сверхновых, наблюдения за далекими скоплениями галактик и пылевыми хвостами астероидов…

Но с телескопом WIYN работают не только ученые. Здесь постоянно заняты несколько техников, которые следят за его состоянием, заправляют жидким азотом, а ночной оператор помогает вести наблюдения: инструмент слишком дорогой и сложный, чтобы можно было доверить его астрономам на всю ночь. Такая работа подходит не всякому — надо бодрствовать целую ночь, каждые 20 минут переориентируя телескоп на новую точку и отгоняя слишком ретивых студентов от пульта управления. Но некоторые даже довольны: во время таких наблюдений мы познакомились с оператором, который в перерывах пишет научно-фантастические книги. Тишина и безлюдье, пустынные горы и близкий космос — они всегда вдохновляют.