Как работают космические телескопы: зеркала, длины волн и видение космической истории

Каждый космический телескоп выполняет одну и ту же основную работу: собрать как можно больше света от слабого, удаленного источника и сфокусировать его на детектор. Способ сбора света и то, какие длины волн можно захватить, зависит от конструкции зеркал и того, где телескоп находится в космосе, согласно обзору науки о телескопах НАСА.

Зачем вообще запускать телескоп в космос

Наземные телескопы смотрят сквозь земную атмосферу, где движущиеся потоки воздуха искажают входящий свет — тот же эффект, который заставляет звезды мерцать. На странице программы Hubble НАСА объясняется, что это движение размывает изображения, полученные с земли, и что атмосфера также поглощает большую часть ультрафиолетового и инфракрасного излучения до того, как оно достигает поверхности.

Орбитируя примерно в 300 милях над Землей, Hubble избегает этого атмосферного размытия и может обнаруживать объекты примерно в десять раз слабее, чем эквивалентные наземные телескопы, согласно НАСА. Космические телескопы также могут наблюдать непрерывно, без помех со стороны погоды, дневного света или светового загрязнения от города.

Зеркала, а не просто линзы

Ранние телескопы использовали стеклянные линзы для преломления света, конструкция называется рефракционной. На странице Telescopes 101 НАСА отмечается, что большие линзы становятся тяжелыми и трудными для запуска, поэтому большинство современных телескопов — это рефлекторные телескопы, которые используют изогнутые зеркала, так как зеркала могут быть тоньше и легче для того же размера.

В типичной рефлекторной конструкции свет попадает на большое первичное зеркало, имеющее форму параболоида, и отскакивает на меньшее вторичное зеркало. На телескопе James Webb Space Telescope в частности, описание зеркал Webb от НАСА добавляет еще два этапа: свет от вторичного зеркала отражается на вогнутое третичное зеркало, а затем на плоское зеркало точной наводки, прежде чем попасть в научные приборы.

Различные телескопы, различный свет

Видимый, ультрафиолетовый и инфракрасный свет могут быть сфокусированы с помощью аналогичных форм зеркал, но различных покрытий. 18 шестигранных сегментов первичного зеркала Webb, изготовленные из металла бериллия и покрытые 100-нанометровым слоем золота, специально настроены для эффективного отражения инфракрасного света, согласно описанию зеркал Webb от НАСА. Hubble, напротив, построен для сбора ультрафиолетового, видимого и ближнего инфракрасного света, говорит НАСА.

Рентгеновские лучи ведут себя по-другому: они просто пройдут сквозь обычное зеркало или будут поглощены, подобно пулям, попадающим в стену, объясняет Chandra X-ray Center при Гарварде. Зеркала Chandra вместо этого имеют форму вложенных цилиндрических стволов, покрытых иридием, отражая рентгеновские лучи только под неглубоким углом 'скользящего падения', а не лоб в лоб, говорит центр. Chandra использует четыре вложенные пары зеркал, восемь зеркал в общей сложности, отполированные и выровненные до 1,3 микрометра.

Гамма-лучи еще более энергичны и проходят прямо сквозь обычную оптику. НАСА отмечает, что гамма-лучевые телескопы, такие как Fermi, вместо этого используют детекторы, которые отслеживают частицы, образующиеся когда гамма-лучи попадают на плотный материал, такой как вольфрам, восстанавливая происхождение луча из этих следов частиц, а не фокусируя лучи зеркалом.

Почему важно местоположение: отдаленная орбита Webb

Webb не вращается близко к Земле, как Hubble. На странице миссии НАСА сказано, что Webb движется вокруг второй точки Лагранжа Sun-Earth, L2, примерно в 1,5 миллионе километров от Земли, совершая один оборот примерно за шесть месяцев. В этом месте Солнце, Земля и Луна находятся с одной стороны от космического аппарата, позволяя солнечному экрану теннисного корта Webb непрерывно блокировать их тепло и свет.

Это экранирование необходимо, потому что Webb наблюдает инфракрасный свет, который по сути является теплом. НАСА утверждает, что телескоп работает при экстремально низких температурах — примерно минус 370 градусов по Фаренгейту, согласно странице орбиты Webb — так что любое случайное тепло от Солнца или Земли не затопляет детекторы инфракрасным шумом и не перегружает слабые сигналы от далеких галактик.

Видение прошлого, а не только далекого

Поскольку свет распространяется с фиксированной конечной скоростью, смотреть дальше в космос означает смотреть дальше назад во времени. На странице научного обзора Webb НАСА отмечается, что телескоп может обнаруживать инфракрасный свет от галактик на расстоянии более 13,5 миллиардов световых лет — что означает, что свет, захватываемый сегодня, покинул эти галактики более 13,5 миллиардов лет назад, когда Вселенная была молода. Наблюдение света, по сути, показывает объект в том виде, в котором он существовал в момент отправления света, а не в том виде, в котором он выглядит сейчас.

Webb несет четыре научных прибора для анализа этого древнего света: NIRCam и NIRSpec для визуализации и спектроскопии ближнего инфракрасного диапазона, MIRI для наблюдений в среднем инфракрасном диапазоне и датчик точной наводки в сочетании с прибором NIRISS, согласно обзору телескопа НАСА.

От зеркала к изображению на Земле

Современные космические телескопы не используют фотографическую пленку. На странице НАСА о том, как работают телескопы, говорится, что свет, сфокусированный зеркалами, падает на электронные детекторы, которые преобразуют его в цифровые сигналы. Эти сигналы сохраняются бортовыми компьютерами и передаются на наземные станции на Земле, где ученые восстанавливают данные в изображения, выпускаемые в открытый доступ.