Почему телескопы «стреляют» лазерами в небо: искусственные звёзды для астрономов

Многие из нас наверняка видели фотографии крупных астрономических обсерваторий. Эти научные сооружения являются нашими глазами в мир далёких звёзд. Лично меня в этом вопросе заинтересовала одна интересная деталь. Иногда телескопы будто «стреляют» лазерами в космос. На первый взгляд, это может показаться странным, однако именно лазеры играют одну из ключевых ролей в современной астрономии. Благодаря им учёные способны компенсировать одно из главных препятствий для наземных наблюдений — искажения, создаваемые атмосферой Земли. В этой статье мы разберём, почему мерцают звёзды, и как с этой проблемой справляется адаптивная оптика, которой в некоторых случаях без лазера не обойтись.

Почему звёзды мерцают

Если наблюдать за звёздами с поверхности Земли, то можно заметить их характерное мерцание. Это явление связано с турбулентностью земной атмосферы, где постоянно перемешиваются тёплые и холодные воздушные потоки. Из-за этого оптические свойства слоёв воздуха, через которые проходит свет звезды, непрерывно меняются. В результате меняется и угол, под которым свет достигает наших глаз, поэтому звезда кажется мерцающей. Более того, различные длины волн света преломляются по-разному. К слову, это явление называют дисперсией. Поэтому иногда кажется, что звезда слегка переливается различными оттенками.

Для нас такое мерцание лишь делает ночное небо более живописным и завораживающим. Однако для астрономов оно становится серьёзной проблемой. Из-за атмосферных искажений изображение звезды в телескопе теряет четкость и превращается в размытое пятно. Особенно трудно изучать слабые или очень близко расположенные объекты, поскольку их изображения могут сливаться друг с другом, что делает наблюдения менее точными.

Как адаптивная оптика исправляет атмосферные искажения

Чтобы бороться с этой проблемой, инженеры разработали технологию адаптивной оптики. Если сказать вкратце, то её принцип основан на простой идее: если атмосфера искажает свет, то можно попробовать компенсировать эти искажения прямо внутри телескопа. Для этого зеркала современных телескопов делают тонкими и гибкими. За зеркальной поверхностью располагается система миниатюрных приводов или магнитов, которые могут изменять форму зеркала с невероятной точностью. Компьютер анализирует получаемый сигнал и мгновенно корректирует кривизну зеркала, тем самым компенсируя атмосферные искажения.

Вместе с этим для корректной работы необходимо знать, как именно следует изменить форму зеркала в данный момент. Искажения могут сильно отличаться в зависимости от времени и места наблюдения, состояния атмосферы и даже участка неба, на который направлен телескоп. Поэтому нужен своеобразный ориентир, которым может служить яркая звезда с хорошо известными параметрами. Её изображение анализирует компьютер и рассчитывает, как нужно деформировать зеркало. После этого телескоп компенсирует атмосферные искажения и позволяет получить более чёткое изображение космического объекта.

Зачем телескопам нужны лазерные «искусственные звёзды»

А что, если подходящая яркая звезда находится далеко от объекта, который хотят изучать астрономы? Ответ довольно прост — тогда учёные создают собственный ориентир прямо в небе. Именно для этого используется мощный лазер, излучающий свет с длиной волны около 589 нанометров. Этот луч направляют вверх, в сторону исследуемого участка неба. Он проходит через атмосферу практически без потерь и достигает высоты примерно 90 километров.

На этой высоте находится так называемый натриевый слой. Это область мезосферы, содержащая относительно большое количество атомов натрия. Считается, что этот натрий появляется там благодаря сгоранию микрометеоритов в атмосфере. Атомы натрия обладают важным свойством: они активно поглощают электромагнитное излучение именно с длиной волны 589 нанометров. Когда лазерный луч достигает этого слоя, атомы натрия поглощают его энергию, переходят в возбуждённое состояние, а затем снова возвращаются в исходное, излучая свет во всех направлениях. В результате в верхних слоях атмосферы появляется небольшое яркое светящееся пятно, которое также называют опорной лазерной звездой. Поскольку эту точку создали сами учёные, её параметры известны заранее. После этого её используют для калибровки адаптивной оптики телескопа, что позволяет в дальнейшем получить более чёткие изображения реальных звёзд.

Заключение

Таким образом, лазерный луч помогает телескопам в их нелёгкой работе. Создавая искусственные звёзды на высоте десятков километров, астрономы получают эталонный источник света, который очень важен для системы адаптивной оптики. Благодаря этой технологии наземные обсерватории способны получать изображения далёких объектов почти такой же чёткости, как и космические телескопы. Теперь становится предельно ясно, что каждый раз, когда в ночном небе над обсерваторией вспыхивает лазерный луч — учёные делают ещё один шаг к изучению Вселенной.