Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» №12 за 2007 год

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.