Гигантский глаз, способный разгадать тайны космоса

Сейчас большая группа астрономов со всего мира строит в Чили самый большой оптический телескоп в истории – Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT). Как только строительство будет завершено в 2028 году, оно сможет дать ответы, которые изменят наши знания о Вселенной.

Благодаря главному зеркалу диаметром 39 метров ELT будет иметь самую большую и идеальную отражающую поверхность из когда-либо созданных. Его светосила превысит мощность всех других крупных телескопов вместе взятых, что позволит ему обнаруживать объекты в миллионы раз тусклее, чем может видеть человеческий глаз.

Есть несколько причин, по которым нам нужен такой телескоп. Его невероятная чувствительность позволит ему получить изображения некоторых из первых когда-либо сформировавшихся галактик, свет которых прошел 13 миллиардов лет, чтобы достичь телескопа.

Наблюдения за такими далекими объектами могут позволить нам уточнить наше понимание космологии и природы темной материи и темной энергии.

Чужая жизнь

ELT также может дать ответ на самый фундаментальный вопрос: одни ли мы во Вселенной?

Ожидается, что ELT станет первым телескопом, который будет отслеживать экзопланеты, подобные Земле, — планеты, которые вращаются вокруг других звезд, но имеют такую ​​же массу, орбиту и близость к своему хозяину, что и Земля.

Занимая так называемую зону Златовласки, эти похожие на Землю планеты будут вращаться вокруг своей звезды на таком расстоянии, чтобы вода не кипела и не замерзала, создавая условия для существования жизни.

Разрешение камеры ELT будет в шесть раз выше, чем у космического телескопа Джеймса Уэбба, что позволит ей делать самые четкие изображения экзопланет. Но какими бы захватывающими ни были эти фотографии, они не расскажут всей истории.

Чтобы узнать, существует ли жизнь на экзопланете, астрономы должны дополнить визуализацию спектроскопией. В то время как изображения раскрывают форму, размер и структуру, спектры рассказывают нам о скорости, температуре и даже химическом составе астрономических объектов.

ELT будет содержать не один, а четыре спектрографа — инструмента, который рассеивает свет на составляющие его цвета, очень похоже на культовую призму на обложке альбома Pink Floyd «The Dark Side of the Moon».

Каждый из этих спектрографов размером с микроавтобус, тщательно контролируемый для обеспечения устойчивости, лежит в основе всех ключевых научных исследований ELT.

На гигантских экзопланетах инструмент Harmoni будет анализировать свет, прошедший через их атмосферу, в поисках признаков воды, кислорода, метана, углекислого газа и других газов, указывающих на существование жизни.

Чтобы обнаружить экзопланеты гораздо меньшего размера, похожие на Землю, потребуется более специализированный инструмент Andes. При стоимости около 35 миллионов евро (30 миллионов фунтов) Анды смогут обнаруживать крошечные изменения в длине волны света.

Благодаря предыдущим спутниковым миссиям астрономы уже имеют хорошее представление о том, где искать в небе экзопланеты.

Действительно, с помощью «транзитного метода» было обнаружено несколько тысяч подтвержденных или «кандидатных» экзопланет. Здесь космический телескоп смотрит на участок неба, содержащий тысячи звезд, и ищет крошечные периодические провалы в их интенсивности, вызванные тем, что вращающаяся планета проходит перед своей звездой.

Но Анды будут использовать другой метод для охоты на другие Земли. Когда экзопланета вращается вокруг своей родительской звезды, ее гравитация притягивает звезду, заставляя ее колебаться. Это движение невероятно мало; Орбита Земли заставляет Солнце колебаться со скоростью всего 10 сантиметров в секунду – скорость ходьбы черепахи.

Точно так же, как звук сирены скорой помощи увеличивается и уменьшается по мере движения к нам и от нас, длина волны света, наблюдаемого от колеблющейся звезды, увеличивается и уменьшается по мере того, как планета движется по своей орбите.

Примечательно, что Анды смогут обнаружить это незначительное изменение цвета света. Звездный свет, хотя он по существу непрерывен («белый») от ультрафиолетового до инфракрасного, содержит полосы, в которых атомы во внешней области звезды поглощают волны определенной длины по мере выхода света, выглядя темными в спектрах.

Небольшие сдвиги в положениях этих элементов — около 1/10 000 пикселя на сенсоре Andes — могут через месяцы и годы выявить периодические колебания. В конечном итоге это может помочь нам найти Землю 2.0.

В Университете Хериот-Ватт мы пилотируем разработку лазерной системы, известной как частотная гребенка, которая позволит Andes достичь такой исключительной точности. Подобно миллиметровым делениям на линейке, лазер будет калибровать спектрограф Анд, предоставляя спектр света, структурированный в виде тысяч регулярно расположенных длин волн.

Эта шкала будет оставаться постоянной на протяжении десятилетий, уменьшая ошибки измерений, возникающие из-за изменений температуры и давления в окружающей среде.

Учитывая, что стоимость строительства ELT составляет 1,45 миллиарда евро, некоторые усомнятся в ценности проекта.

Но значение астрономии охватывает тысячелетия и выходит за рамки культур и национальных границ. Только заглянув далеко за пределы Солнечной системы, мы сможем заглянуть за пределы «здесь и сейчас».

Деррик Телфорд Рид, профессор физики Университета Хериот-Ватт.