Обращенные к звездам. Прошлое, настоящее и будущее астрономии - Эмили Левеск

ловила себя на том, что поворачиваю распечатку или ноутбук под странными углами в соответствии с ориентацией телескопа и пытаюсь решить, вижу ли я именно этот треугольник звезд, указывающий, что мой объект находится поблизости. Трудность еще и в том, что тусклые объекты часто не фиксируются при быстрой съемке направляющей камерой и появляются только в реальных данных, после гораздо более длительной выдержки. Так что лучше потратить несколько минут на то, чтобы перепроверить и скорректировать положение телескопа, чем обнаружить, что он два часа снимает не то, что нужно. Напрасно тратить телескопное время и так уже почти преступление, но наблюдать не тот объект — это еще хуже, чем не наблюдать вовсе.

Разумно проводить время у телескопа важно не только с научной, но и с финансовой точки зрения. Строительство телескопа обходится дорого, иногда в сотни миллионов долларов: на эти деньги обустраивают местность, обычно удаленную, возводят все здания обсерватории и, разумеется, изготавливают огромные, тщательно отполированные зеркала и современные научные приборы, из которых состоит сам телескоп. Функционирование телескопа также требует больших вложений, от зарплаты персонала до электроснабжения. Большинство обсерваторий финансируется за счет грантов и средств, предоставляемых университетами, исследовательскими консорциумами и такими организациями, как НАСА и Национальный научный фонд. Астрономы, которым выделяют ночи для наблюдений, как правило, не платят за эту привилегию из своего кармана. Тем не менее стоимость одной ночи на телескопе часто приводят, чтобы наглядно показать, насколько ценно телескопное время. Если учитывать как затраты на строительство, так и текущие эксплуатационные расходы, то эксплуатация лучших мировых телескопов обходится от 15 000 до 55 000 долларов за ночь, при этом их единственная прибыль — это научные успехи, которые становятся возможны благодаря им.

Ограниченное время сеанса, внушительная стоимость ночи, особая ценность чистого ясного неба, список объектов для наблюдения — все это делает процесс наблюдения ощутимо волнующим и даже тревожным. Крайне важно переключаться с одного объекта на следующий как можно быстрее, чтобы приступить к сбору данных, не теряя ни секунды, и в то же время нельзя пожертвовать точностью. Из-за этого астроном-наблюдатель часто нервничает, спеша проверить положение телескопа. Но в конце концов мы, несмотря на тиканье часов и бешено колотящееся сердце, убеждаем себя, что наверняка совершенно точно смотрим на нужную точку в космосе и можно открывать затвор камеры и приступать к записи данных. И тогда телескоп фиксирует свою цель и плавно следует за ней, пока планета вращается, а мы ждем, когда съемка завершится, чтобы снова начать все сначала.

Когда съемка заканчивается, на экран приходят долгожданные данные с телескопа, и выглядят они… прямо скажем, ужасно. Великолепные разноцветные изображения галактик, сверкающих звезд и газовых пузырей получаются только после серьезной обработки. Но в кино их показывают уже «готовыми», поэтому, кстати, желающих посмотреть на настоящие научные снимки часто ждет огромное разочарование. На самом деле астрономам не приходится видеть ярко-красные стрелки и мигающие оповещения на экране, которые сообщали бы: «Обнаружена новая звезда!», «Зафиксирован рекордный уровень плутония!» или вообще: «О боже, мы все умрем!» — разве что какой-нибудь предприимчивый ученый напишет код и удобный пользовательский интерфейс, которые позволят автоматически сделать все это на необработанных данных.

Фиксация данных в астрономии, грубо говоря, сводится к двум способам: визуализации и спектроскопии. Визуализация в данном случае означает фотографирование ночного неба. Обычно мы делаем снимки с помощью фильтров, которые строго контролируют длину волны получаемого излучения, позволяя только синему, зеленому или красному свету проходить через камеру телескопа к детектору. Это позволяет нам очень точно фиксировать, сколько света излучает звезда в определенном узком диапазоне длин волн. Делая снимки в нескольких диапазонах длин волн, а затем комбинируя их, мы получаем прекрасные цветные изображения и с помощью этих данных можем многое узнать об изучаемом объекте. Подобные изображения позволяют увидеть форму галактики, распределение газа в туманности, степень яркости звезды и точное положение всех этих объектов на небе.

Спектроскопия значительно менее фотогенична, но не менее эффективна с научной точки зрения. Микроскопически выровненная отражающая поверхность или призма автоматически раскладывает свет, полученный от объекта, на волны разной длины. (Хороший пример — эффект радуги, который можно увидеть на обороте компакт-диска.) Синий свет с самой короткой длиной волны направляется в крайнюю левую часть ПЗС-матрицы, свет с наибольшей длиной волны — в правую часть, а промежуточные длины волн распределяются посередине. Разложение света и затем определение, сколько его мы получаем на каждой длине волны, даст нам спектр объекта; это делает прибор под названием спектрограф, который, по сути, делает снимок спектра. Спектр прекрасно позволяет анализировать химический состав объекта, поскольку свет, поглощаемый или излучаемый определенными молекулами или атомами, имеет точно известную длину волны. Самый яркий свет от водорода будет казаться желтоватым, ионизированный кислород дает голубой цвет, ионизированный кальций образует три красные линии, а совокупный спектр любого объекта можно считывать как уникальный отпечаток пальца, дающий краткое представление о физических свойствах и химическом составе любого наблюдаемого объекта. С помощью спектра также можно измерить, с какой скоростью объект движется в пространстве и вращается, или даже определить, как далеко он находится.

Данные визуализации и спектроскопии требуют серьезной последующей обработки, прежде чем можно будет извлечь из них научную информацию. Необработанные данные на ПЗС перекрывает какофония бесполезных данных. Электрические помехи от детектора, свет от луны и нашей собственной атмосферы, который телескоп уловил вместе с наблюдавшейся звездой, и даже такие мелочи, как рассеянные тепловые сигнатуры или сверхчувствительный (или недостаточно чувствительный) пиксель на ПЗС-матрице, — все это застилает реальные данные туманом плохих сигналов. Для решения этой проблемы проводится редукция данных, то есть сокращение их объема, что позволяет вычистить все лишнее и добраться до научных данных, которые нам действительно необходимы. Это требует невероятной точности: важно не выбросить полезный сигнал и не оставить в данных мусор, а при этом еще и сохранить целостность данных. Публикацию красивых астрономических изображений неспециалисты иногда встречают недовольными комментариями: «Это же все обработано!» Естественно, все обработано — как палеонтологи, склонившись над хрупкими останками динозавра, показавшимися из земли, бережно счищают с них грязь и песок крошечными кисточками, чтобы обнажить окаменелую кость, так и мы удаляем с наших данных электронный «песок», чтобы увидеть все четко и ясно.

Все вышесказанное означает, что открытия редко совершаются непосредственно у телескопа: как правило, данные требуется тщательно изучить, прежде чем можно будет сделать какие-либо выводы. Тем не менее опытные астрономы могут быстро выполнить предварительную редукцию прямо у телескопа, чтобы сразу оценить, какие данные удалось получить. Именно здесь проявляется преимущество цифровых данных: