Нил Тайсон - На службе у войны: негласный союз астрофизики и армии

Если бы теория изготовления телескопов и могла со временем полностью перейти в практику, то существовали бы, однако, определенные границы, за которыми невозможно дальнейшее совершенствование телескопов, ибо воздух, через который мы смотрим на звезды, находится в постоянном дрожании, как это можно видеть <���…> по мерцанию неподвижных звезд [240].

Далее Ньютон предполагал, что хорошим местом для установки телескопа может быть вершина горы, и он был прав. Но даже при наилучшем выборе места установки атмосфера продолжает вредить. Роберт В. Даффнер, историк оптики в научно-исследовательской лаборатории ВВС в Нью-Мексико, сравнивает наблюдения звезд сквозь атмосферу с наблюдением предметов через замерзшее стекло или занавеску в душевой: вы видите приблизительные формы, но никаких подробностей.

Что происходит, когда звезда мерцает? Атмосфера представляет собой мозаику воздушных ячеек, имеющих различную температуру и плотность, а следовательно, и оптические свойства. Каждый раз, когда световой луч переходит из одной ячейки в другую, он немного изгибается и меняет направление. Похожая картина возникает, когда череда мелких волн на воде набегает на беспорядочно разбросанную гряду камней, которые искажают ровный фронт каждой волны – и к берегу эта волна подбегает в виде ряда изломанных участков разной высоты и направления. Так и наша колеблющаяся атмосфера заставляет изображение звезды не только хаотически смещаться в разные стороны, но и постоянно менять яркость. Серия сделанных с большой частотой последовательных фотографий запечатлеет расплывчатое круглое пятно; ваши глаза увидят мерцающую звезду. При сильной турбулентности воздух заполняется множеством маленьких ячеек, и звезды начинают бешено мигать.

Хорошо бы придумать способ компенсации искажений, которые турбулентные ячейки в атмосфере вносят в свет звезд. Это все равно что восстановить первоначальную картину волн на воде после того, как они прошли через каменную гряду. Чтобы сделать это со светом, придется записывать его сотни раз в секунду, причем каждый раз вам понадобится достаточно света, чтобы одновременно отслеживать и корректировать любые происходящие в атмосфере изменения. Поэтому для того, чтобы обеспечить такую коррекцию в непосредственной близости от исследуемого вами объекта, вам нужна яркая опорная звезда – чтобы на ее лучи воздействовали те же турбулентные ячейки в атмосфере, что в то же самое время действуют и на лучи от объекта. Но ведь таких звезд на небе очень мало, и крайне маловероятно, чтобы одна из них оказалась в нужном нам маленьком участке неба. Что же делать? Создать «искусственную звезду». Послать мощный лазерный пучок далеко за пределы стратосферы, где турбулентность минимальна и есть постоянно пополняющийся за счет испарения метеоров запас атомов натрия. Стоит только возбудить атомы натрия и заставить их светиться – и на ночном небе, в том месте, в каком вы пожелаете, загорится яркая точка.

До 1990-х любой, кому требовалось добиться высокого углового разрешения при наблюдении звездного поля или галактики сквозь турбулентную пелену атмосферы, располагал двумя очевидными возможностями. План А: закрыть купол телескопа и лечь спать. План Б: найти несколько миллиардов долларов, построить новый телескоп, запустить его на космическую орбиту за пределы атмосферы и наблюдать Вселенную оттуда. В 1990 году реализация плана Б привела к созданию космического телескопа Хаббла, который произвел такой же поразительный скачок в разрешении по сравнению с наземными телескопами того времени, каким был скачок от наблюдений невооруженным глазом к первому телескопу Галилея.

Рассмотрим теперь менее очевидный по сравнению с планами А и Б способ справиться с проблемой мерцаний. Добро пожаловать в мир адаптивной оптики. Этот новаторский метод основан на использовании лазерных «искусственных звезд» и гибких деформируемых зеркальных поверхностей для коррекции нежелательных искажений, внесенных земной атмосферой. Матрица плунжеров-толкателей, установленная с тыльной стороны деформируемого зеркала телескопа, непрерывно регулирует точную форму поверхности зеркала: корректирует переменную атмосферную турбулентность, устраняя атмосферные неоднородности волнового фронта, возникающие при переходе от одной турбулентной ячейки к другой и от одного момента времени к следующему. Все системы адаптивной оптики, кроме основного гибкого зеркала, содержат и вторичное, жесткое – для отслеживания и коррекции смещения изображения как целого в результате более крупномасштабных движений в атмосфере и самом телескопе. В качестве необходимых компонентов в систему адаптивной оптики входят светоделители, интерферометры, камеры слежения и, конечно, специализированные компьютерные программы. Все это вместе чрезвычайно дорого и сложно. Но и поразительно эффективно: четкость наземных изображений может соперничать с четкостью изображений, полученных в космосе [241].

Кто же воплотил идею адаптивной оптики в жизнь? Астрофизики? Нет! Но не потому, что они недостаточно к этому стремились. Еще в 1950-х они уже разработали ее основную концепцию и потенциальные решения. Но пока они искали возможности их реализации, Министерство обороны США уже получило секретные результаты секретных исследований, финансируемых и проводимых с конца 1960-х до конца 1980-х такими организациями, как Управление перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ США, Научно-исследовательская лаборатория ВВС и Лаборатория Филлипса на базе ВВС Киртланд в Нью-Мексико, Оптический центр ВВС Мауи, предприятие Itek Optical Systems близ базы ВВС Хэнском в Массачусетсе, Центр ВВС по разработке авиационной техники в Нью-Йорке, Лаборатория Линкольна MIT, Лаборатория проблем видимости в Институте Океанографии Скриппса и Стратегическая оборонная инициатива. Дополнительную интеллектуальную поддержку оказывала совершенно секретная группа ученых советников по вопросам национальной безопасности, известная под названием «Джейсоны». Созданная в 1960 году и состоящая из «мак-артуровских гениев» [242], нобелевских лауреатов и выдающихся академических физиков, группа «Джейсонов» обеспечивает военных ультрасовременными идеями о том, как вести войну, как ее закончить и как предотвратить. И с самых первых летних встреч «Джейсонов» среди них всегда находилось несколько участников, чьей специальностью было изучение космоса.

Именно кто-то из «Джейсонов» и придумал адаптивную оптику, но подробности этих исследований были обнародованы только 27 мая 1991 года. В этот день на 178-м съезде Американского астрономического общества, обращаясь к битком набитому залу, Роберт Фьюгейт, технический директор Лаборатории ВВС США Starfire Optical Range на базе ВВС в Киртланде, начал свою презентацию словами: «Леди и джентльмены, я здесь, чтобы сообщить вам, что адаптивная оптика на основе лазерных “искусственных звезд” работает!» В доказательство были предъявлены две фотографии двойной звезды 53 Большой Медведицы. На одном снимке под воздействием атмосферной турбулентности звездная пара слилась в сплошной световой клубок; зато на другом, сделанном с применением адаптивной оптики, были ясно видны обе звезды. Так Фьюгейт рассекретил адаптивную оптику, и теперь ученые могли заняться ее приспособлением к своим нуждам.