НАСА научилось динамически устранять пикометровые искажения с оптики телескопа


    В «чистой комнате» Центра космических полетов Годдарда техники раскрывают сегментированное зеркало обсерватории Джеймса Уэбба в рамках подготовки к тесту юстировки летом 2016 года. Фото: NASA/Chris Gunn

    Чтобы найти и определить характеристики десятков экзопланет, похожих на Землю, требуется очень стабильный космический телескоп, оптические компоненты которого двигаются и искажают картинку не более чем на несколько пикометров — это меньше, чем размер атома. Требуются и инструменты нового поколения, способные гарантировать такой уровень стабильности. Полтора года назад НАСА выделило финансирование научно-исследовательской группе в Центре космических полетов Годдарда и компании 4-D Technology на создание высокоскоростного интерферометра, который должен обеспечить пикометровую стабильность телескопа. Такую задачу раньше не удавалось решить никому.

    Как и во всех интерферометрах, здесь световой пучок разделяется на несколько когерентных пучков. Каждый из них проходит свой путь, а затем они снова объединяются, создавая интерференционную картину, по которой можно установить разность фаз интерферирующих пучков в данной точке картины. Так можно зарегистрировать малейшее движение или смещение материала. Такой интерферометр использовали при юстировке 18 зеркал обсерватории Джеймса Уэбба.

    В НАСА решили, что замерять только поверхность зеркал недостаточно. Поэтому в Центре космических полетов Годдарда совместно с компанией 4-D Technology разработали продвинутый динамический лазерный интерферометр, который одновременно регистрирует смещения не только зеркал, но и их креплений и других конструктивных компонентов, работая в условиях вибрации, шума или воздушной турбулентности. Инструмент был на четыре порядка точнее, чем любая подобная техника в то время. Вскоре после его создания инструмент сразу же начали использовать в лабораториях, чистых комнатах и испытательных камерах всех участников проекта.

    Но этого тоже было недостаточно для выполнения космических миссий типа LUVOIR (Large UV Optical Infrared Surveyor). Концепция предполагает, что большие зеркала диаметром 8−18 м покрывают одновременно ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны длин волн. Телескопы LUVOIR смогут анализировать структуру и состав поверхности экзопланет, а также снимать слабые околозвёздные диски, чтобы дать представление о том, как формируются планеты. Более того, такие телескопы смогут определять биосигнатуры в атмосферах удалённых экзопланет: содержание CO2, CO, молекулярного кислорода (O2), озона (O3), воды (H2O) и метана (CH4).

    Съёмка одновременно в разных спектрах LUVOIR поможет понять, как УФ-излучение материнской звезды регулирует атмосферную фотохимию на обитаемых планетах.

    25 января 2018 года научно-исследовательская группа в Центра космических полетов Годдарда объявила о создании инструмента, который сделает возможным пикометровую точность телескопа. Этот первый в своём роде уникальный инструмент такого рода — спекл-интерферометр (speckle interferometer).


    Эксперты по оптике Центра Годдарда Бабак Сальф (слева), и Ли Фейнберг (справа) при помощи инженера Эли Гри-МакМахона (в центре) из компании Genesis разработали Систему ультрастабильного теплового вакуума (Ultra-Stable Thermal Vacuum system), которую будут использовать для проверки измерений интерферометра с точностью 12 пикометров

    Учёные продемонстрировали, что новый интерферометр способен динамически регистрировать смещения на 1,5-метровом сегментированном зеркале телескопа и его опорной конструкции с точностью 25 пикометров.

    Такие смещения атомного масштаба на отдельных участках зеркала могут происходить из-за изменения температуры или в результате «неаккуратной» транспортировки с Земли, когда ракета-носитель разгоняется с ускорением 6,5 g. Учёные говорят, что даже смещение на один атом повлияет на точность измерения атмосферы и поверхности удалённых экзопланет.

    Разработчики теперь собираются протестировать интерферометр в установке ультрастабильного теплового вакуума — и посмотреть, способен ли он регистрировать смещения в 12 пикометров, то есть в 1/10 диаметра атома водорода.
    Поддержать автора
    Поделиться публикацией

    Комментарии 12

      0
      Они эту бандуру на орбиту вместе со телескопом запустят?
        +1
        мамарОдная, мы ещё в самом начале пути по практическому изучению космоса, а уже такие точности вынь да положь — чёж дальше-то будет?
          +3
          Для Джеймса Уэбба это ещё не много — примерно со вторичное зеркало:



          Главное чтобы с ним ничего не случилось, а то предложений по созданию новых космических телескопов осталось весьма мало, и если что-то пойдёт не так — это будет уже не только серьёзный удар по репутации NASA, но возможно и закат для космических телескопов.
            0
            Простите мне мой скептицизм, но как такое возможно.
            С одной стороны, говоря слово пикометр важно понимать что мыговорим о величинах на порядок-полтора меньших чем типичные длины связей в молекулах. Более того 10-12 пикометров это примено размер атома водорода. Как можно определать смещения в таких шкалах, помня что есть тепловые коллебания, например.
            Я просто про то что если бы вы наблюдали за изолированным атомом, то такие наблюдения стоили бы вам не малых усилий, но авторы декларируют такую точность на макроскопических объектах.
            Чудеса?!
              0

              Ну, в LIGO, насколько я помню, была достигнута на несколько порядков большая точность.

                +4
                1. Это измеряется при температуре 1 мК (millikelvin: www.nasa.gov/feature/goddard/2018/nasa-poised-to-topple-a-planet-finding-barrier). Какие там колебания?
                2. Измеряется не изолированный атом, а средний профиль поверхности, например 1 мм х 1 мм, где локальные возмущения от отделных атомов сглаживаются
                  +1
                  Речь идет не об установке одного атома в точное положение а об установке в точное положение огромного количества атомов так, чтобы их среднее положение имело заданные координаты. Это вполне решаемая задача. Пример — игла электронного микроскопа.
                    0
                    Пример — игла электронного микроскопа.
                    Наверное, вы имели в виду атомно-силовой или сканирующий туннельный микроскоп?
                      0
                      Упс. Точно.
                  0
                  Определить + исправить кривизну зеркала проще чем просто определить кривизну и затем программным способом скорректировать изображение?

                  Мало того, постоянно колеблющаяся поверхность зеркала дает динамическую картинку, собирая которую некоторое время (делая предположение что измеряемый объект относительно неподвижен и неизменен) можно так же аналитически повысить разрешение.

                  Подобное направление как то развивается или признано тупиковым по каким то фундаментальным причинам?
                    +3
                    Насколько я понимаю, из-за кривизны зеркала изображение на его выходе не просто искривляется, а размывается. В результате возникают потери энергии (точнее, ее перераспределение по площади изображения), из-за чего и так микроскопически слабый сигнал «тонет» в шумах.
                    +1
                    Когда читаю такие новости, это кажется просто волшебством каким-то, реально, за пределами понимания среднего человек типа меня — регистрировать смещения, сравнимые с размерами отдельных атомов. Чудеса, да и только!

                    В каком всё-таки мы интересном мире живём.

                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                    Самое читаемое