Препятствия для астрономических наблюдений на Земле
Атмосфера Земли мешает астрономическим наблюдениям. Проблема не только в облачной погоде, но и в температурных колебаниях в атмосфере, из-за которых наземным телескопам требуются сложные системы адаптивной оптики для чёткого изображения. Радиотелескопам облака не мешают, но для эффективной работы их нужно размещать в «радиотихих» местах.
Пространство за пределами атмосферы Земли
Стремление выйти за пределы атмосферных и других ограничений привело к созданию космических телескопов, которые значительно продвинули наше понимание космоса. Однако они дороги и сложны в изготовлении. Для телескопов в точке L1, недоступной для миссий по обслуживанию, это особенно актуально.
Телескопы на Луне
Уже несколько десятилетий обсуждается идея строительства телескопов на Луне. Лунные телескопы имеют те же преимущества, что и космические, в чём-то их превосходят и могут быть намного дешевле и проще в обслуживании.
Луна — естественное место для наблюдений, поскольку у неё нет атмосферы, которая могла бы мешать наблюдениям. А для радиотелескопов обратная сторона Луны — отличное место, поскольку она изолирована от земного радиошума и практически радиотихая.
Оптический интерферометр на Луне
По мере того как различные космические агентства и частные компании работают над созданием присутствия на Луне, идея лунного телескопа становится всё более реальной. Последнее исследование, посвящённое лунному телескопу, проведено Институтом космических исследований Кека (Keck Institute for Space Studies, KISS) и касается оптического интерферометра.
Интерферометры мощны и позволяют нескольким телескопам работать вместе как единому виртуальному телескопу. Однако лунная среда сама по себе представляет проблему. Что в ней полезно, а что проблематично?
Преимущества и недостатки лунных телескопов
В новом отчёте рассматриваются не только преимущества, но и недостатки лунных телескопов. Они также развенчивают некоторые препятствия как не столь серьёзные.
Название отчёта: «Астрономическая оптическая интерферометрия с лунной поверхности». Это результат семинара-исследования, проведённого 18–22 ноября 2024 года. Инициаторы исследования — обсерватория Лоуэлла, JPL и Калифорнийский технологический институт. Участники — NASA, JAXA, Caltech, а также представители других университетов и частных космических компаний. Работа опубликована на сервере препринтов arXiv.
Лунные условия и их влияние на интерферометры
Интерферометрия хорошо изучена и уже даёт исключительные результаты. Проблема в самой лунной среде. Что в ней полезно, а что проблематично?
Начать с лунной поверхности. Она покрыта пыльным реголитом и нестабильна. Миссии «Аполлон» продемонстрировали, насколько абразивной и коррозионной может быть пыль. Лунная пыль имеет более острые края, чем земная, и может разъедать важные компоненты, такие как уплотнения. В лунном вакууме частицы пыли могут прикрепляться к оборудованию электростатически. Пыль трудно удалить, и она может ускорить износ движущихся частей.
Но в отчёте отмечается, что эта проблема известна, и над её решением работают. «Разрабатываются технологии для эффективного удаления реголита с поверхностей, которые могут быть применимы к различным конструкциям интерферометров», — пишут авторы.
Они также отмечают, что в рамках миссии Firefly Blue Ghost Mission 1 на космический корабль был установлен электродинамический пылевой щит, который эффективно удалил лунную пыль с некоторых поверхностей космического корабля. Они также отмечают, что китайский посадочный модуль Chang’e 3 нёс ультрафиолетовый телескоп, который работал три года без проблем, связанных с лунной пылью.
Колебания температуры на Луне от дня к ночи — ещё одно препятствие. «Большие перепады температур могут быть проблемой для электроники и оптики, которым для работы и вычислений требуется термическая стабильность», — говорится в отчёте. Сам лунный реголит, обладающий высокой изоляцией, может стать решением. Авторы объясняют, что некоторые лунные интерферометры можно закопать в реголит, чтобы избежать резких перепадов температуры. Однако это также может способствовать перегреву.
В отчёте говорится, что система активных и пассивных систем охлаждения может быть адаптирована к конкретному месту. Возможно, лучше всего построить интерферометр в затенённой области, которая остаётся холодной, и управлять именно этим, а не пытаться управлять резкими перепадами температуры. Независимо от места расположения телескопа, его придётся строить с учётом некоторой степени нагрева, охлаждения и расширения и сжатия.
Перспективы строительства оптического интерферометра на Луне
Несмотря на трудности строительства и обслуживания телескопа на Луне, идея заманчива. Научные результаты того стоят, считают авторы. Они объясняют, что два важнейших аспекта работы телескопа можно улучшить с помощью лунного телескопа.
Лунные телескопы будут иметь улучшенное пространственное разрешение по сравнению с одноапертурной космической системой. Они также будут более чувствительными, чем наземные оптические интерферометры. «Сочетание высокого пространственного разрешения и высокой чувствительности открывает уникальные области для исследований», — пишут авторы.
Одним из преимуществ строительства оптического интерферометра на Луне являются апертуры. «Телескопы, вероятно, будут иметь гораздо меньшие апертуры (в 10–50 раз) по сравнению с наземными установками из-за отсутствия атмосферы на Луне, что позволяет проводить гораздо более длительную когерентную интеграцию, не ограниченную атмосферными условиями», — говорится в отчёте. «Отсутствие атмосферной турбулентности означает, что небольшие лунные телескопы превосходят даже самые крупные наземные телескопы».
Все эти факторы означают, что вопросы, которые ставили в тупик астрономов и астрофизиков, возможно, наконец-то получат ответы.
Один из них касается «проблемы последнего парсека» при слияниях чёрных дыр. Астрофизики понимают силы, которые заставляют сверхмассивные чёрные дыры вращаться друг к другу, но не понимают, как они в конце концов сливаются. С улучшенными характеристиками лунный оптический интерферометр может заглянуть во внутренние области галактики и найти ответ.
Другой вопрос касается формирования планет. «Учитывая повсеместное распространение экзопланет, формирование планет должно быть высокоэффективным процессом, но теории, описывающие формирование и эволюцию планет из протопланетных дисков вокруг звёзд до главной последовательности, были плохо ограничены из-за нехватки чувствительности и разрешения в масштабах формирования планет», — говорится в отчёте. Понимание того, как формируются обитаемые планеты, является важной целью астрономии, и лунный оптический интерферометр может помочь в этом.
Лунный интерферометр также может помочь в изучении поверхностей коричневых карликов, физики звёздных взрывов, внегалактической шкалы расстояний и, конечно же, в изучении нашей Солнечной системы. Он также может помочь в астрометрии и «станет преобразующей возможностью в поиске настоящих экзопланет-аналогов Земли», — объясняют авторы, улучшая измерения радиальной скорости.
Оптический интерферометр на поверхности Луны поможет обсерватории обитаемых миров выполнять свою работу. «Астрометрическая точность однократного измерения на уровне 0,1µas, обеспечиваемая >100-метровыми лунными интерферометрическими базовыми линиями, будет направлять наблюдения HWO и предоставлять массы для атмосферных съёмок из спектров HWO», — говорится в отчёте.
Астрономы знают, что оптическая интерферометрия работает. Интерферометр Очень Большого Телескопа (VLTI) и Центр высокоразрешающей астрономии (CHARA) продемонстрировали это однозначно. Вопрос в том, можно ли это сделать на Луне?
В заключении своего отчёта исследователи отмечают, что некоторые вехи уже достигнуты. Появляется всё больше возможностей для полётов на Луну, поскольку государственные учреждения и частные компании наращивают свою деятельность. Мы уже знаем, что оптическая интерферометрия может работать. Мы также знаем, что с лунными условиями, включая вездесущую пыль, можно справиться, как это показал посадочный модуль Chang’e 3 и его телескоп. Так что мы не начинаем с нуля.
Так чего же мы ждём?
Нам всё ещё необходимо разработать соответствующую лунную инфраструктуру и технологии для поддержки лунного телескопа. «Это включает в себя мобильность по поверхности, коммуникационную/информационную инфраструктуру и возможность выживания в ночное время», — пишут авторы. Не забудьте включить туда источник питания.
Кроме того, необходимы конкретные предложения по миссиям, которые могут привести к созданию лунного телескопа. Это сводится к финансированию, и в США, по крайней мере, финансирование науки далеко не безопасно при нынешнем режиме.
Одно из предложений — эксперимент Moon Lightweight Interior and Telecoms (MoonLITE). Он будет состоять из посадочного модуля, ровера и двух небольших элементов интерферометра размером 50 см (2 дюйма). Посадочный модуль будет удерживать один элемент, а ровер доставит второй элемент в нужное место в 100 метрах от него. Он будет работать недолго, но продемонстрирует измерения миллисекундных угловых размеров слабых объектов.
Но общий вывод в отчёте кажется очевидным: «Пересечение зрелой технологии оптической интерферометрии и быстро развивающейся технологии доступа к лунной поверхности и выживания на ней даёт возможность создать оптические системы визуализации с угловым разрешением, на порядки превышающим то, что возможно с нынешними космическими обсерваториями, при уровнях чувствительности, на порядки превышающих наземные интерферометрические установки», — пишут авторы в своём заключении.