# 2116 г. Новогодняя сказка.

Эл П Яровер

2116 г. Новогодняя сказка.

Сказка ложь, да в ней намек

Добрым молодцам урок

А.С. Пушкин

Всегда трудно предсказать что-нибудь. Особенно будущее.

Ниль Бор


Предисловие переводчика.


Эта статья - одна из серии статей из декабрьского номера журнала "Физика Сегодня" (Physics Today) 2016 г., ежемесячного журнала Американского Физического Общества. Хотя общество формально американское, его членами являются также и иностранные ученые, и журнал можно считать международным. Обычно в журнале печатаются обзорные статьи о последних достижениях в физике, о проблемах физического образования, проблемах финансирования науки, статьи из истории физики, письма читателей с дискуссиями, рецензии новых книг и т.п. Но этот декабрьский выпуск несколько необычен, так как его главные статьи посвящены не последним достижениям, а попыткам предсказания достижений на 100 лет вперед. Эта статья "Первое изображение, полученное с помощью Mегателескопа" - одна из них.


Первое изображение, полученное с помощью Mегателескопа

(Перевод с английского: Megatelescope releases its first image, Robert Austin, Physics Today, December 2116)


Роберт Остин, приглашенный доцент кафедры физики политехнического университета во Флориде, Лейкленд (Florida Polytechnic University in Lakeland ), и онлайн инструктор астрономии в Университете Феникса (University of Phoenix)


Несмотря на то, что строительство астрономического телескопа "Пояс Астероидов" только начинается, уже удалось с непревзойденной четкостью сфотографировать с его помощью экзопланету.

В поясе астероидов происходят важные события. Если посмотреть в подзорную трубу на область между орбитами Марса и Юпитера, откроется картина, напоминающая рой светлячков, мигающих в далеком темном лесу. Беспрецендентная активность на внутренней и внешней границах Солнечной системы нацелена на построение Астрономического Телескопа Пояса Астероидов (AТПА). Это наиболее амбициозный научный проект из когда-либо предпринятых. Мощные импульсы лазерного света, которые выглядят с Земли как вспышки светлячков, превращают миллиарды астероидов размером от 1 до 10 метров в астрономическое зеркало диаметром в 5 АЕ (АЕ-астрономическая единица, равная радиусу орбиты Земли вокруг Солнца). Лазеры AТПА обрабатывают тысячи астероидов в час, разрезая и полируя их поверхности до зеркального блеска и придавая им высокую отражательную способность. В прошлом месяце телескоп прошел отметку в 1% от планового размера. Чтобы отметить это веху, с помощью AТАП было получено первое изображение поверхности экзопланеты.

Каменные зеркала на камнях

Идея АТПА проиллюстрированная на Рис.1, восходит к почти столетней давности работе Энди Пиллмайера (Pillmaier), в то время доцента Университета Пурду (Purdue University) [1].


Рис. 1. Астрономический Телескоп Пояса Астероидов (AТПА). АТПА фокусирует свет от отполированных до зеркального блеска с помощью лазера астероидов на приемники изображений, парящие в простанстве выше и ниже плоскости Солнечной системы. Для управления направленностью приемников изображений и зеркал-астероидов также используются мощные лазерные пучки, что позволяет АТПА настраиваться на различные участки небесной сферы. Остатки от оплавления астероидов при их полировке собраны в пару подковообразных экранов виде "Следов Дьявлола" (Devil's Footprints). Эти экраны предохраняют приемники изображений от попадания прямых солнечных лучей. (Фото предоставлено Лаурой Ким.)

При поддержке небольшого исследовательского гранта, Пиллмайер использовал лазер для формированияи и полировки искусственного астероида, имевшего форму сферы диаметром в 1сантиметр, сделанного из пироуглерода и подвешенного на магнитной подвеске в вакууме, до превращения его в зеркало высокого оптического качества. Была сформирована не только плоская оптическая поверхность с высокой отражающей способностью, но и обратная сторона углеродной сферы была превращена в полусферическую выпуклость. Используя тот же лазер, который сформировал зеркальную огранку, Пиллмайер смог также управлять ориентацией зеркала, используя давление фотонов, направлемых под нужным углом на эту сферическую выпуклость.

Эти ранние исследования продемонстрировали практическую возможность формирования и управления компонентами больших зеркал в космическом пространстве с помощью лазерного света. Пиллмайер верил, что разработанные им методы когда-нибудь приведут к созданию мега-телескопа с размерами порядка размера земной орбиты, но реализация его мечты должна был дожидаться развития достаточно мощных лазеров и оптических разветвителей, способных обрабатывать и, если нужно, дробить на части астероиды, и появления квантовых компьютеров, которые могли бы управлять и отслеживать десятки миллионов по-разному ориентированных зеркал, расположенных на расстояниях многих астрономических единиц.

Проект медленно прогрессировал до 2090 года. Затем, при финансовой поддержке со стороны глобального космического консорциума, Вера Курасова (Kurasova) и ее колектив в Харьковском физико-техническом институте воспроизвели эксперимент Пиллмайера с реальным астероидом [2]. Они использовали пару лазеров с термоядерной накачкой и применяемых для добычи полезных ископаемых на астероидах, чтобы переформировать астероид 2-метрового диаметра в большой вариант полированной углеродной сферы Пиллмайера, а затем сориентировали ограненное ими зеркало с точностью, необходимой для функционирования телескопа размером в астрономическую единицу. Успех этого эксперимента пробудил интерес мирового астрономического сообщества, что позволило собрать достаточное количество государственных и частных средств для запуска проекта АТАП, нацеленного прежде всего на получение изображений экзопланет.

Пресс-секретарь проекта Лаура Ким отмечает, что " В прошлом веке были сделаны многие великие открытия, и мы узнали много нового об атмосферах близлежащих экзопланет. Но и я, и остальная часть астрономического сообщества не будем удовлетворены, пока не увидим эти планеты так же, как мы можем видеть Землю с Луны ".

Хотя пока закончен только 1% от проектых размеров АТАПа, он уже способен давать изображения близлежащих экзопланет, которые намного превосходят по четкости все, что было достигнуто до сих пор. В прошлом месяце было опубликовано первое такое изображение планеты Gliese 832с (Рис. 2). АТПА настолько громаден, что полученное первичное изображение экзопланеты заняло площадь в 640 000 м2 в фокальной плоскости телескопа. Конструкторы телескопа продолжают обучатся правильному расположению уже готовых озеркаленных астероидов и манипуляциям, необходимым для их правильной ориентации с тем, чтобы максимальное время экспозиции оставалось небольшим. Тем не менее, эта замечательная публикация показывает, что мы вступаем в совершенно новую эру наблюдательной астрономии. Когда АТПА достигнет своей проектной мощности (см таблицу ниже), размеры изображений ближайших экзопланет, таких как Gliese 832 с, находящаяся на расстоянии в 16 световых лет от Земли, могут составить 2,5 terapixels. Это соответствовало бы разрешению около 10 метров на поверхности планеты.


Рис. 2. Первое изображение экзо планеты Глизе 832 C, полученное с помощью астрономического телескопа пояса астероидов АТПА. Это изображение было опубликовано в прошлом месяце, после того, как был завершен 1%. проекта строительства телескопа (Фото предоставлено Лаурой Ким)

Таблица. Астрономический телескоп пояса астероидов. Параметры изображений:

Диаметр зеркала

- 5 астрономических единиц (АЕ)

Фокусное расстояние

40 АЕ

Общая площадь зеркала

4 в 109 m2 (в настоящее время),

4 в 1011 m2 (в окончательном виде)

Угловое разрешение

3 в 10--7 arcsec (в настоящее время),

2 в 10--11 arcsec (в окончательном виде)

Дьявол кроется в деталях

Лазеры, которые в настоящее время полируют оптические компоненты АТАП, могут также подстраивать ориентацию десятков миллионов (и в конечном счете даже миллиардов) озеркаленных астероидов, чтобы направлять свет от небесных источников, которые лежат выше и ниже плоскости Солнечной системы для точной фокусировки их изображений на фотоприемниках. Телескоп можно настраивать на разные цели, вращая все его зеркала-астероиды и маневрируя ориенрацией матриц фотоприемников изображений для согласования их с расположением нужной фокальной точки. В конечном счете АТПА будет перетасовывать миллионы приемников изображений, как если бы они были шахматными фигурами, в процессе скарирования неба в поисках информации о ранней вселенной и наличия в ней признаков обитаемых и необитаемых миров.

Как и в прототипе Пиллмайера, каждый из озеркаленных астероидов АТПА имеет полированную плоскую отражающую поверхность и столь же полированную полусферическую поверхность с противоположной стороны, как показано на Рис. 3.


Рис. 3. Тщательно отполированныеастероиды, такие, как показано на этом рисунке, образуют зеркальные секции гигантского астрономического телескопа пояса астероидов. Плоская, отражающая поверхность составляет около на этом примере 10 метров в диаметре. Сферическая полированная поверхность на противоподожной стороне плоского зеркала позволяет квантовому компьютеру АТПА управлять ориентацией этой его секции. (Фото предоставлено Лаурой Ким.)


Мощные пучки лазерного света, отражаясь от полусферической поверхности, служат в качестве исполнительных механизмов, создающих крутящие моменты для поворота зеркальной плоскости астероида в желаемом направлении. Скоординированные с ними лазерные импульсы, направленные на фронтальную плоскую поверхность, обеспечивают передачу только момента вращения. Изготовление обычной монолитной матрицы фотоприемников, которая бы охватывала всю фокальную плоскость АТПА было бы не реальным с практической точки зрения. Поэтому команда Лауры Ким предложила новый подход, основанный на диатомах, микроскопических организмах с силикатным скелетом, любимое детище нанотехнологов. Группа биологов методами генной инженерии вырастила диатомы для производства нескольких специализированных органов [4]. Некоторые из этих органов преобразуют свет в электрические сигналы. Другие являются аккумуляторами энергии СВЧ, необходимой для работы фотоприемников. Ещё одни используют сигналы со звездной системы позиционирования (ЗСП) для определения трехмерного координат своего местоположения, измерения времени, и цифрового кодирования для передачи данных. Триллионы самовоспроизводящиеся датчиков могут быть просто выращены "в чане". Когда они развернуты в пространстве, небесная паутина пересекающихся лазерных лучей размещает облака этих микроскопических оптических датчиков в нужных местах. Считывание изображений начинается, когда лучи мазеров включают фотоприемники и выдают команды на передачу.

Управляемые электромагнитным полем мазеров, фотоприемники направлют свои выходы к приемной антенне и передают с помощью лучей свои сигналы. Громадный набор всех этих данных затем передается в мозг АТПА, который формирует из них изображение. Для того, чтобы блокировать прямые солнечные лучи от засвечивания фотоприемников, остатки от оплавления астероидов при их полировке собраны в пару подковообразных экранов виде "Следов дьявола" (Devil's Footprints). Этот образ восходит к юношеским воспоминаниям Ким ее студенческие лет в университете Мюнхена. Как она вспоминает, "самый главный собор Мюнхена, великолепный Фрауэнкирхе, имеет очень интересную особенность, с которой вы сталкиваетесь как только входите в него. В полу имеется пониженный участок, отдаленно напоминающий след ступни. Когда вы стоите на этой части пола, ни одно из окон не видно.

Множество легенд объясняют происхождение этого эффекта. "Насколько я помню," говорит Лаура, "когда дьявол вошел в только что законченный строительством собор, он был поражен обилием солнечного света, проникающего через оконные витражи. В порыве гнева он топнул ногой, оставив отпечаток в камне, и сказал: "С этой минуты чтобы никто не видел ни одного окна с этого места!". Если вы стоите на этом месте, колонны, которые поддерживают потолок собора, блокируют вид на окна. "Наша система солнечных экранов из астероидного щебня играет ту же роль," отмечает она. "Но это нужно из-за нашей любви к космоса, а не потому. что мы ненавидим солнечный свет."


Гарантированное будущее АТПА

Почти все сырьевые материалы, необходимые для строительства АТПА, уже были в космическом пространстве. Они только были механически обработаны мощными лазерами, управляемыми с помощью выскопроизводительного квантового компьютера. Лазеры АТПА огранили метеороиды в лазерные расщепители, и лучи, исходящие из этих расщепителей, огранивали новые разщепители. "Таким образом," - говорит Ким, "число имеющихся в распоряжении лучей для превращения астероидов и метеороидов в ограненные зеркала растет в геометрической прогрессии. Руководители проекта подсчитали, что в процессе строительства будут озеркалены свыше 10 миллиардов астероидов. После десяти лет строительства уже озеркалено около 100 миллионов астероидов. Это число представляет собой лишь малую долю от общего количества, запланированного на целый век строительства ABAT. Как же строительство АТПА будет завершено в запланированные мроки? Когда ученые проекта задали этот вопрос квантовому мозгу АТПА, они получили ответ: "Я усовершенствуюсь в процуссе работы. Я подросток, и я все еще вижу много возможностей для обучения и совершенствования. Прогресс будет быстро нарастать, и я на пути к тому,чтобы достичь производительности 300 000 граней в денью Это производительность, достаточная для завершения строительства в начале следующего столетия".

Мозг ABAT в настоящее время обучился в такой степени, что стал спосбен управлять имеющимися 100 миллионами озеркаленных астероидов с точностью, позволяющей добиться качества изображения, намного превосходящего все, что намечал столетие назад Пиллмаер, когда он впервые предложил идею телескопа на основе астероидов. Тем не менее, угловое разрешение недавно опубликованного изображения планеты Gliese 832 c в 10 000 раз меньше теоретического предела 2 в 10-11 угловых секунд. Разрешение, несомненно, будет улучшаться с течением времени, но в настоящее время трудно сказать, какое оно будет через столетие. К удивлению руководителей проекта, мозг телескопа обучается так быстро, что он состоянии управлять множеством зеркал со улучшающейся точностью несмотря на рост количества уже озеркаленных астероидов. "Я не знаю, насколько хорошо АТПА будет функционировать после завершения строительства",- говорит Ким. "Я только знаю, что гораздо, гораздо лучше, чем сейчас". Материал, из которого образованы солнечные экраны "Следы дьявола", парящие выше и ниже плоскости орбиты пояса астероидов, составляют лишь небольшую часть отходов полировки астероидов. Подавляющее бОльшая часть отходов выметена лазерными лучами в центры обработки, где из них добываются драгоценные металлы. Благодаря этому строительство АТПА стало прибыльным предприятием, и проект в целом в последнее время стал самоокупаемым, так что путь к его завершению, повидимому свободен от проблем с финансированием. Строительство АТПА должно быть завершено к 2216 году. Но что тогда? Можно ли представить себе, что будет дальше? Посередине офиса Ким парит Голограмма солнечной системы. Ким показывет на Трояны Юпитера, две большие группы астероидов, которые разделяют с Юпитером орбиту вокруг Солнца. Она проводит рукой над ними, как будто она гладит кошку. Добавление Троянов в массив АТПА увеличит эффективный диаметр его апертуры почти в два раза, но, говорит Ким, этого мало. "Еще через 100 лет мы могли бы сформировать зеркало из астероидов вот здесь". Уголки ее рта озорно поднялись, а ее рука протянулась к пространству за Нептуном и на поясе Койпера.


Библиография

1. A. R. Pillmaier, Space Manuf. Technol. 2, 117 (2020).

2. V. V. Kurasova et al., INTP Manuf. 111, 1127 (2090).

3. L. A. Kim et al. (ABAT collaboration), Exoplanet. Stud. 98, 1709 (2116).

4. T. M. Hortonson et al. (ABAT collaboration), J. Diatom Eng. 152, 872 (2096).


Послесловие переводчика

Вот такая новогодняя сказка опубликована в журнале "Физика сегодня". Но, как говорил А.С. Пушкин, "Сказка ложь, да в ней намек, добрым молодцам урок". Какой же намек в этой сказке? Он замечателен! Для того, чтобы исследовать далекие галактики, не нужно строить звездолеты с какими-то там фотонными двигателями для полетов с околосветовой скоростью вопреки теории относительности. Можно просто оставаться дома в нашей солнечной системе и только научиться собирать и использовать свет от далеких галактик, распространяющийся со световой скоростью! А это уже задача, на пути решения которой нет фундаментальных ограничений.