Текст книги "Журнал «Вокруг Света» №12 за 2007 год"

Небо глазами роботов

 В прошлом небо казалось людям образцом стабильности, недаром Кант сравнивал его с нерушимостью нравственного закона. Но постепенно на небе обнаруживалось все больше динамизма: звезды постепенно смещались, меняя за тысячелетия рисунок созвездий. Никому и в голову не приходило, что есть небесные объекты, видимые лишь несколько минут. А если и приходило, то не было инструментов, с помощью которых это можно зафиксировать. И лишь в последние годы произошли резкие и качественные изменения в способах астрономических наблюдений.

Астрономы старой школы не воспринимали всерьез сообщения об объектах, появляющихся на небе на несколько минут или секунд. В любом случае такие наблюдения нельзя было подтвердить фотопластинками, которые на создание изображения использовали всего лишь около одного процента собранного телескопами света. Остальной свет пропадал зря, никак не воздействуя на фотоэмульсию, и поэтому, чтобы «вытянуть» слабые объекты, применялись экспозиции длительностью десятки минут, а иногда и несколько часов. Транзиенты исчезали с таких снимков, как люди и машины с городских фотографий, сделанных камерой-обскура.

Революция началась в 1990-х годах с приходом в астрономию больших ПЗС-матриц, мощных процессоров и сетей передачи данных. Вместе они позволили открывать и изучать явления в новом временном масштабе, который прежде ускользал от наблюдения. И тогда выяснилось, что в небе кипит бурная жизнь. Здесь сотнями взрываются сверхновые , далекие планеты затмевают свои звезды, носятся десятки тысяч астероидов , темные гравитационные линзы фокусируют на Земле свет далеких звезд, и происходит еще много интересного и непонятного. Но чтобы все это увидеть, нужны очень чувствительные и внимательные «глаза» с максимально широким полем зрения.

В погоне за вспышкой

26 сентября 2006 года космический гамма-телескоп SWIFT зарегистрировал чрезвычайно далекую вспышку жесткого излучения. Через несколько секунд в центре обработки данных NASA получили и обработали сигнал. Приблизительные координаты источника появились на сайте и были разосланы во все заинтересованные организации мира. Сотрудники Лаборатории релятивистской астрофизики Государственного астрономического института им. Штернберга (ГАИШ) в Москве получили сообщение среди ночи по СМС. И одновременно по мобильному интернету (кабель был в течение всего года поврежден) извещение поступило в подмосковную деревню, где расположен робот-телескоп МАСТЕР. Он немедленно прервал текущую программу наблюдений и стал наводиться в точку с указанными координатами. Еще несколько лет назад такая оперативность в астрономических наблюдениях была просто немыслимой.

Прошло всего 76 секунд, а робот-телескоп уже начал первую из серии 30-секундных экспозиций, на которых видно, как постепенно гаснет едва различимое пятнышко – оптическое излучение колоссального взрыва на краю Вселенной, в 11 миллиардах световых лет от Земли. Через несколько минут свечению предстояло исчезнуть, во всяком случае, так всегда бывало раньше. Но вместо этого на пятой минуте оно стало разгораться снова и, достигнув максимума на десятой минуте, окончательно угасло только через час. Незначительная, казалось бы, аномалия заставила астрофизиков ГАИШ несколько месяцев ломать голову. В конце концов объяснить странную вспышку удалось, только предположив, что на месте взрыва образовалась вращающаяся черная дыра . Если эта гипотеза получит поддержку научного сообщества (а вскоре была зарегистрирована еще одна подобная вспышка), можно будет говорить о совершенно новом способе подтверждения существования черных дыр. Но все это было бы невозможно, если бы не поразительная слаженность работы наблюдательной техники. Только благодаря телескопам-роботам мы можем сегодня изучать столь быстротечные небесные явления, которые на профессиональном жаргоне называют транзиентами.

Оптическая вспышка на месте гамма-всплеска 26 сентября 2006 года была зарегистрирована на пределе чувствительности телескопа МАСТЕР. После начального спада на 400-й секунде блеск стал нарастать, по-видимому, за счет излучения вещества, находящегося в эргосфере только что образовавшейся черной дыры

 Затяжной прыжок в черную дыру

Известно, что при коллапсе массивной звезды образуется черная дыра – сферическая область пространства-времени, окруженная горизонтом событий, из-под которого ничто не может выйти наружу. Но если исходная звезда вращалась, возникшая черная дыра устроена сложнее: горизонт у нее поменьше, зато его, подобно белку вокруг яичного желтка, окружает особая область – эргосфера, в которой само пространство вращается и увлекает за собой любые объекты. Остановиться здесь нельзя никакими силами, но вот выбраться при некотором везении возможно. Если скорость вращения коллапсирующей звезды очень велика, вещество не может сразу уйти под горизонт и «зависает» в эргосфере, пока не потеряет из-за газодинамического трения лишнюю энергию. При этом оно разогревается до чудовищной температуры и интенсивно излучает. Именно этим астрофизики ГАИШ объясняют редкие случаи затянувшегося оптического свечения гамма-всплесков. В январе 2007 года было зарегистрировано еще одно такое событие, где коллапсирущее вещество получило «отсрочку приговора» на целых пять часов. Излучение в это время приходит к нам из области, которая по размерам даже меньше обычного гравитационного радиуса (горизонт у вращающейся черной дыры меньше, чем у обычной). Из-за огромного гравитационного поля время здесь замедляется в 10– 15 раз. Нигде больше во Вселенной мы не наблюдаем процессов, происходящих в условиях столь сильно выраженных эффектов общей теории относительности.

Наблюдательные «малыши»

Приемником излучения нового поколения стали полупроводниковые ПЗС-матрицы – приборы с зарядовой связью, или, как иногда более удачно расшифровывают эту аббревиатуру, пропорциональные зарядовые счетчики. В каждой из миллионов ячеек на поверхности ПЗС-матрицы под действием света накапливается заряд, пропорциональный количеству попавшего в эту ячейку излучения. Хорошая матрица регистрирует до 90% собранного телескопом света – почти на два порядка больше, чем фотопластинка. Соответственно и экспозицию можно сократить в десятки раз.

У робота-телескопа МАСТЕР четыре трубы: основная (35 см) регистрирует звезды до 19– 20m, остальные параллельно ведут съемку с различными фильтрами, но могут уловить только яркие объекты

Телескоп МАСТЕР, который зарегистрировал описанную вначале удивительную вспышку, имеет диаметр всего 35 сантиметров – у иных любителей астрономии есть инструменты покрупнее, – но на нем установлена вполне профессиональная охлаждаемая с помощью элементов Пельтье 16-мегапиксельная ПЗС-матрица. Объекты до 19-й звездной величины она регистрирует всего за 30—45 секунд. (Невооруженным глазом видны звезды до шестой величины – 6m. Каждые следующие пять звездных величин соответствуют ослаблению блеска в 100 раз.) Еще полминуты уходит на загрузку изображения в память компьютера. За ночь МАСТЕР делает сотни снимков, каждый из которых покрывает поле 2,4х2,4 градуса и «весит» около 60 мегабайт.

Но для того чтобы робот «увидел» интересный новый объект, мало того, что он будет в кадре, надо еще найти его на снимке и определить координаты. Первоначально предполагалось, что можно просто вычесть два снимка, сделанных в разное время, чтобы автоматически выявить новые и исчезнувшие объекты. Но это не сработало: слишком велики оказались различия между кадрами. На изображение влияет температура, состояние атмосферы, переменность звезд, шумы и неоднородности матрицы, наконец, то, как та или иная звезда легла на сетку пикселей ПЗС.

Пришлось заниматься поштучным распознаванием всех видимых на снимке звезд, а их обычно бывает 10—15 тысяч. Тут-то и понадобился мощный процессор с большим объемом памяти, куда для быстроты обработки загружаются данные всех доступных каталогов звезд и галактик. Первым делом программа определяет блеск и взаимное расположение всех звезд на снимке, а затем начинает искать по каталогу участок неба, где известные звезды образуют такую же конфигурацию. Чем больше звезд – тем труднее задача. Вблизи Млечного Пути в кадр попадает более ста тысяч звезд, и такие участки приходится пока обходить – их просто не успеть обработать за те 1,5 минуты, пока телескоп делает следующий снимок.

Когда звезды распознаны, среди них непременно обнаруживаются сотни объектов, которые не удается отождествить по каталогу. Часть из них оказывается астероидами – это тоже проверяется по базе данных, в которой зарегистрировано около 160 тысяч малых планет. Оставшиеся «лишние» точки – это, по большей части, не новые объекты, а дефекты изображения. Привлекать к ним внимание астрономов еще рано. Робот должен снова сфотографировать ту же область неба, и только сохранившиеся на повторном кадре «неопознанные объекты» могут считаться реально существующими на небе.

Современная астрономическая ПЗС-матрица. Небольшие сегменты используются для гидирования телескопа (отслеживания движения неба). На крупных инструментах они управляют еще и адаптивной оптикой

Сетчатка есть, хрусталик не нужен

ПЗС-матрица – это плоский кремниевый кристалл, поверхность которого разбита на миллионы мельчайших клеточек. Каждая из них – ловушка для электронов, выбиваемых светом из кристалла. Вертикальные линейки сетки образованы внедренной в кристалл примесью, которая препятствует поперечному дрейфу электронов. А от продольных смещений их удерживает электрическое поле тонких горизонтальных электродов из прозрачного поликристаллического кремния, нанесенных на поверхность матрицы. Они создают множество потенциальных ям, в которых накапливаются электроны. После экспозиции напряжение на электродах начинает волнообразно меняться, смещая накопленные заряды к краю матрицы, где их величина строчка за строчкой измеряется и заносится в память. При избытке света некоторые электронные ловушки переполняются и заряд перетекает в соседние. Этот эффект называется блюмингом. Для борьбы с ним на ПЗС могут быть предусмотрены специальные «сточные канавы», но это снижает разрешение и чувствительность матрицы. Из-за тепловых флуктуаций электроны могут появляться в ловушках и без воздействия света. Для снижения этого шума матрицу охлаждают на десятки и даже сотни градусов. Наблюдениям мешают и сами управляющие электроды – они поглощают синий свет и ультрафиолет. С этим справляются, сошлифовав кремниевый кристалл до толщины 10—20 микрон и нанеся электроды с тыльной стороны. Стоимость таких астрономических матриц, понятное дело, тоже астрономическая.

Звездный мартиролог

Таким «неопознанным объектом» может, например, оказаться вспышка сверхновой – колоссальный взрыв, отмечающий гибель массивной звезды. На десятки дней она сравнивается по светимости с галактикой, содержащей сотни миллиардов обычных звезд. Так что, если рядом с туманным пятнышком далекой галактики появилась неподвижная светлая точка, которой тут раньше не было, скорее всего, это сверхновая.

Но окончательное решение может принять только человек. Телескоп МАСТЕР после хорошей ночи наблюдений выдает около сотни кандидатов в сверхновые (первое время, пока параметры поиска еще не были толком отрегулированы, их бывало больше тысячи). Утром сотрудники ГАИШ, а иногда и студенты проверяют список, сравнивая «подозрительные» снимки галактик с их изображениями из классических обзоров неба – Паломарского и Слоуновского, а также с прошлыми снимками самого МАСТЕРа. Абсолютное большинство кандидатов при этом отпадает. В августе, когда студенты на каникулах, а сотрудники в отпусках, бывает, что проверка затягивается – некому открыть сверхновую! А между тем конкуренты не дремлют. Бюро астрономических телеграмм постоянно публикует информацию об открытых сверхновых. Обидно, когда в списке непроверенных еще кандидатов загорается пометка: эта сверхновая уже открыта кем-то другим.

В крупной галактике вроде нашей или туманности Андромеды сверхновые вспыхивают примерно раз в сотню лет. Чтобы добиться успеха, надо внимательно следить за тысячами галактик. В XX веке сверхновые искали «вручную». Сначала они вообще были побочным результатом других наблюдений – свежие снимки галактик на всякий случай сравнивали со старыми и иногда находили сверхновые. Темп открытий составлял всего десяток-другой вспышек в год, но уже это позволило заметно уточнить теорию эволюции звезд. Потом сверхновые стали искать целенаправленно. Подключились к работе и астрономы-любители. В первой половине 1990-х американский астрофизик Карл Пеннипакер (Carl Pennypacker) даже организовал образовательный проект Hands-on Universe («Ручная Вселенная») с целью привлечь школьников к поиску сверхновых на многочисленных снимках галактик с разных телескопов, и в 1994 году была открыта первая «школьная сверхновая». Общими усилиями поток зарегистрированных звездных некрологов вырос до нескольких десятков в год, а в 1997 году перевалил за сотню.

В 1998 году группа под руководством Сола Перлмуттера (Saul Perlmutter) из Калифорнийского университета в Беркли, в которую входил и Пеннипакер, на основе наблюдений далеких сверхновых показала, что наша Вселенная в последние несколько миллиардов лет расширяется не с замедлением, как следовало из общепринятых космологических теорий, а ускоренно. Причина этого ускорения получила название «темной энергии», но ее природа пока остается непонятной. Ясно только, что для уточнения ее параметров нужно собрать как можно больше данных по далеким, а значит, слабым сверхновым.

И вот, на рубеже веков за дело взялись роботы. В проекте KAIT, стартовавшем в 1998 году, телескоп с зеркалом 76 сантиметров методично, по программе «ходит» по известным ярким галактикам. Статистика открытий: одна сверхновая на 7 000 наблюдавшихся галактик. В 2002 году KAIT вышел на крейсерскую скорость – 80—90 сверхновых в год. Но такой метод поиска приводит к искажению статистики: сверхновые ищут «под фонарем» – там, где шансы найти выше. Небольшие или далекие и потому малозаметные галактики, которых гораздо больше, чем крупных, оставались без внимания. А для космологических задач важно, чтобы данные были однородными. В идеале надо обнаруживать все доступные наблюдению вспышки, которых ежегодно происходит несколько тысяч.

Шаг в этом направлении был сделан в проекте «Фабрика близких сверхновых» (Nearby Supernova Factory). Здесь решили не строить специальный робот-телескоп, а просто по-своему обработать данные, идущие с уже имеющихся широкоугольных камер NASA, которые действуют по программе поиска астероидов, сближающихся с Землей. (Кстати, во многом благодаря этой программе число открытых астероидов уже перевалило за 160 тысяч.) Каждую ночь камеры поставляют для анализа 50 гигабайт данных и, надо сказать, не зря. В 2005 году было открыто 15 сверхновых, в 2006-м – 67, а в этом году уже к сентябрю «Фабрика» выдала на-гора 131 взорвавшуюся звезду. Всего же в мире за 2006 год открыли 551 сверхновую, и можно ожидать, что в 2007 году их число перевалит за 600.

Первая экзопланета была открыта методом микролинзирования 21 июля 2003 года в эксперименте OGLE. Плавный «горб» (см.график) на кривой блеска далекой звезды в ядре Галактики вызван звездой-линзой, а короткие сильные всплески на нем – планетой примерно в 1,5 раза массивнее Юпитера

Микролинзирование на звезде с планетами

По эффекту гравитационного микролинзирования можно приближенно определить некоторые параметры линзы. Например, ширина пика пропорциональна корню квадратному из ее массы. Конечно, есть еще зависимость от скорости и направления движения, но при большом числе событий можно определить усредненную массу линз. Линза звездной массы действует примерно в течение месяца, а планетной – несколько часов. Приведенная кривая – гравитационный автограф звезды с двумя небольшими планетами.

Гравитационные линзы и далекие земли

Если темную энергию изучают по сверхновым, которые видны за миллиарды световых лет, то темную материю приходится изучать по объектам совершенно невидимым. Характер движения звезд вокруг центра нашей Галактики еще много лет назад показал, что масса вещества в ней должна быть значительно больше, чем мы видим, наблюдая светящиеся звезды и туманности. Какое-то невидимое вещество притягивает звезды, заставляя их быстрее обращаться вокруг галактического центра. Согласно одной из гипотез, эта темная материя могла бы состоять из массивных несветящихся объектов – одиноких черных дыр, тусклых белых и коричневых карликов, отбившихся от звезд планет. Непосредственно увидеть их практически невозможно. Однако американский астрофизик польского происхождения Богдан Пачинский (Bogdan Paczynski) предложил неожиданно простой способ проверки этой гипотезы. По теории относительности, любая масса немного искривляет проходящие рядом с ним световые лучи, а значит, каждый темный компактный объект – это летящая в космосе линза, которая, проходя в точности между нами и далекой звездой, будет фокусировать и усиливать ее излучение. Этот эффект называют гравитационным микролинзированием (в отличие от обычного гравитационного линзирования, когда свет идет от квазара, а линзой служит находящаяся на пути галактика). Вероятность такого события очень невелика, но если следить сразу за миллионами звезд, гравитационные линзы должны себя проявить. Чтобы повысить шансы, Пачинский предложил наблюдать район центра нашей Галактики, а также Магеллановы Облака, где концентрация звезд очень велика.

Проект OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment) , начавшийся в 1992 году, успешно продолжается и сейчас. В центре Галактики регулярно отслеживается 130 миллионов звезд, в Магеллановых Облаках – 33 миллиона. Конечно же, все этапы этих наблюдений полностью автоматизированы. Телескоп установлен в обсерватории Лас-Кампанас (Чили) и работает без участия человека. Лишь раз в неделю заходит сотрудник сменить ленту для записи данных и на всякий случай перезагрузить компьютер. Ежегодно здесь регистрируется более 500 событий микролинзирования. Причем среди них найдено несколько таких, когда рядом с объектом звездной массы явно находилась небольшая планета – всего в несколько раз тяжелее Земли.

Этот смелый эксперимент позволил открыть новое астрономическое явление с помощью очень скромного оборудования. Правда, в итоге выяснилось, что обнаруженных невидимых объектов недостаточно, чтобы списать на них темную материю. Но это как раз тот случай, когда принято говорить: отрицательный результат тоже результат.

Вселенская деревня

Наиболее ярко роботы проявили себя в деле изучения гамма-всплесков, где требуется мгновенная реакция на регистрируемые события. Первый такой роботизированный телескоп ROTSE-I построил Карл Акерлоф (Carl Akerlof) в Национальной лаборатории Лос-Аламос (штат Нью-Мексико). Инструмент состоял из четырех оптических труб диаметром всего 11 сантиметров. Он заработал в 1997 году и отзывался на сигналы орбитальных гаммаобсерваторий COMPTON и HETE.

Гамма-всплески были открыты в конце 1960-х годов американскими спутниками, следившими за ядерными испытаниями. Наряду со взрывами на Земле они стали регистрировать короткие импульсы жесткого излучения из космоса. Тридцать лет оставалась непонятным, что их порождает и даже на каком расстоянии от Земли они случаются, а все потому, что никак не удавалось получить о них никакой дополнительной информации. За те десятки секунд, в течение которых длится типичный гамма-всплеск, другие инструменты просто не успевали на него отреагировать. К тому же гамма-телескоп определяет координаты источника с низкой точностью, так что после вспышки искать источник по координатам бесполезно. Нужно действовать молниеносно и попробовать поймать источник в оптике, пока он не угас.

Только в 1997 году было зарегистрировано так называемое послесвечение гамма-всплеска – излучение газа, окружающего место космической катастрофы. Но увидеть в оптике, как развивается сам взрыв, удалось только в 1999 году. 23 января ROTSE-I навелся на источник всего через 22 секунды после его регистрации гаммателескопом – повезло, что инструмент сразу смотрел почти в нужную сторону. Тогда вспышку застали еще на «подъеме». На первом кадре источник имел звездную величину 12m, а в максимуме блеска – примерно через 2 минуты – стал ярче 9m. Именно эти наблюдения позволили окончательно убедиться в том, что гамма-всплески происходят на космологических расстояниях в миллиарды световых лет, буквально на краю наблюдаемой Вселенной, там, где ее возраст составляет всего 20% от современного.

Вспышка, зарегистрированная тогда ROTSE-I, лишь немного не дотягивала до видимости невооруженным глазом, и при этом гамма-всплеск был не самым ярким. Значит, природа наделила наш разум такими органами чувств, что их как раз хватает увидеть границы дома, в котором мы живем. В отличие от города, в деревне вам видна околица. И наша Вселенная, подобно деревне, простреливается одним взглядом.

После нескольких лет успешной работы компьютер, который управлял телескопом ROTSE-I, был взломан хакерами, и в ответ служба безопасности Лос-Аламоса – это как-никак центр ядерных исследований – потребовала немедленно вывести эксперимент с их территории. Телескоп перебазировали в Чили, где он теперь методично строит кривые блеска переменных звезд. Хотя поля зрения и быстродействия ROTSE-I достаточно для того, чтобы дважды за ночь отснять все видимое небо, его программное обеспечение не позволяет вести самостоятельный поиск транзиентов – не написаны соответствующие программы. Это, кстати, довольно распространенная проблема – труд программистов дорог, а телескопы-роботы, напротив, весьма скромные в финансовом плане инструменты. ROTSE-I, к примеру, обошелся всего в 200 тысяч долларов, большая часть из которых пошла на приобретение ПЗС-матриц. Содержать в течение пары лет команду квалифицированных программистов-разработчиков обошлось бы дороже.

Между тем именно софт (программное обеспечение) является ключевым элементом, отличающим полноценный робот-телескоп от обычного автоматизированного инструмента, складывающего снимки в архив для последующей ручной обработки. Программы, управляющие телескопом МАСТЕР, например, сами по сигналам погодных датчиков открывают крышу обсерватории и начинают наблюдения. Получив сообщение о гамма-всплеске, робот не только делает снимки, но и сам ищет новый объект и, найдя, уточняет координаты и автоматически отправляет сообщение в Бюро астрономических телеграмм. Это позволяет как можно быстрее подключить к работе других наблюдателей.

Плотность покрытия неба снимками телескопа МАСТЕР за 3 года. Неохваченная (темная) полоса – Млечный Путь, где снимки трудно анализировать

Новые горизонты

Но один телескоп-робот, даже если он безупречно запрограммирован, не может решить задачу полного мониторинга всего неба. Для этого нужна сеть телескопов на разных широтах и долготах, которые вместе смогут целиком охватить «взглядом» все ночное небо и обеспечат независимость от капризов погоды. Первая такая сеть создана под руководством все того же Карла Акерлофа и состоит из четырех телескопов-роботов ROTSE-III, расположенных в Техасе, Австралии , Намибии и Турции . Это уже довольно серьезные инструменты диаметром 45 сантиметров с полем зрения 1,85х1,85 градуса. Их основная задача – по-прежнему реакция на гамма-всплески, но в остальное время они ведут патрулирование неба. Вот только получаемые снимки подвергаются лишь первичной обработке – определяются координаты и звездные величины видимых на снимке объектов, но не распознается, что нового появилось на небе. Все данные выкладываются в Интернет и доступны для дальнейшей обработки другим научным группам.