Разместить ПЗС-матрицу в главном фокусе телескопа или обсерватории – отличный способ получения превосходных изображений; похожую технологию используют уже более 100 лет. Но возможно ли использовать одну только ПЗС-матрицу, без зеркал или линз?
Сотни лет принцип использования телескопа был простейшим из простейших: создать линзу или зеркало для сбора большого количества света, сфокусировать его на детекторе (глаз, фотопластинка, электронное устройство), и увидеть что-то, лежащее далеко за пределами возможностей невооружённого глаза. Со временем линзы и зеркала становились больше в диаметре и их делали со всё возрастающей точностью, а детекторы достигли уровня, на котором они способны собирать и использовать каждый поступающий фотон. Качество детекторов может заставить вас задуматься о том, зачем нам вообще нужны линзы! Об этом и спрашивает наш читатель:
Зачем нам нужны линзы и зеркала для создания телескопа, если у нас есть ПЗС-датчики? Почему бы вместо того, чтобы делать 10-метровое зеркало или линзу, фокусирующую свет на маленьком датчике, не сделать 10-метровый датчик?
Вопрос очень хитрый, ведь если бы могли такое сделать, это произвело бы революцию.
Сравнение размеров зеркал различных существующих и предлагаемых телескопов. Когда заработает Гигантский Магелланов телескоп, он станет крупнейшем в мире, и первым в классе оптических телескопов с диаметром более 25 м; впоследствии его должен будет превзойти Европейский чрезвычайно большой телескоп. Но у всех этих телескопов есть зеркала.
Неважно, насколько хорошо отражает наша поверхность, насколько точно мы шлифуем и полируем наши линзы, насколько равномерно и осторожно мы наносим покрытие, и насколько хорошо мы отталкиваем и уничтожаем пыль — никакое зеркало или линза никогда не будут оптически идеальными на 100%. Некая доля света будет теряться на каждом шаге и с каждым отражением. Учитывая, что современные крупнейшие схемы телескопов требуют многоступенчатых зеркал, включая большое отверстие в основном зеркале, обеспечивающее хорошее местоположение для отражения света, в схеме для сбора информации о Вселенной с использованием зеркал и линз есть неотъемлемые ограничения.
Цель ясна и прекрасна: удалить ненужные шаги, устранить любые потери света. Эта идея может показаться простой, и поскольку ПЗС-датчики становятся всё более распространёнными и дешевеют, возможно, она и найдёт своё применение в астрономии будущего. Но реализация такой мечты будет не очень простой, поскольку на её пути есть очень важные препятствия, которые необходимо преодолеть, чтобы получить телескоп без зеркал или линз. Давайте пройдёмся по ним.
Изображение 1887 года туманности Андромеды впервые продемонстрировало структуру спиральных рукавов ближайшей крупной галактики к Млечному Пути. Она полностью белая из-за того, что фотография была сделана без применения фильтров – вместо того, чтобы сделать фото через красный, зелёный и синий фильтр, а потом совместить эти цвета.
1) ПЗС прекрасно измеряют свет, но они не сортируют и не фильтруют длины волн. Вы не думали над тем, почему все старые фотографии звёзд и галактик выполнены чёрно-белыми, несмотря на то, что у самих звёзд и галактик есть определённые цвета? Всё потому, что они не собирали свет отдельными фильтрами по разным длинам волн. Даже современные телескопы располагают фильтр между приходящим светом и ПЗС/камерой, чтобы нацелиться на определённую длину волны или набор длин волн, сделать несколько изображений с несколькими фильтрами, а потом воссоздать изображение в истинных цветах или в ложных.
Галактика Андромеды (М31), снятая с наземного телескопа через несколько фильтров, после чего по этим фотографиям был создан цветной портрет
Этого можно избежать, создав полный набор фильтров для каждого отдельного элемента ПЗС, но конструкция получится громоздкой, дорогой и потребует, чтобы эти фильтры были расположены где-то за элементами ПЗС, поскольку нужно сохранить полноту участка сбора света, который в обычной ситуации занимало бы зеркало или линзы, смотрящие в небо. Это не непреодолимое препятствие, но для этой проблемы в настоящее время решений у нас нет.
ПЗС большой площади чрезвычайно полезны для сбора и обнаружения света, и для максимизации пользы каждого отдельного приходящего фотона. Но без зеркала или линз, предварительно фокусирующих свет, всенаправленная природа ПЗС не сможет выдать осмысленное изображение наблюдаемого объекта
2) ПЗС не измеряет направление пришедшего света. Для получения осмысленных изображений, которые так хорошо выходят у телескопов, им необходимо измерять не только интенсивность и длину волны входящего света, но и его направление. У линз и зеркал есть замечательное свойство – свет, приходящий от чрезвычайно удалённого источника, перпендикулярный к плоскости зеркала, фокусируется таким образом, что попадает в камеру/фотопластинку/ПЗС, а свет с других направлений из-за отражений и преломлений туда не попадает. Для отдельной ПЗС-матрицы это не так: она регистрирует свет с любого направления. Если вы не сведёте лучи в пучок, не сфокусируете свет заранее, вы просто увидите яркое белое небо по всем направлениям — никакой информации о направлении света там не сохранится.
Схема работы аппаратуры солнечного телескопа МакМаса-Пирса, телескопа с самым длинным оптическим тоннелем в мире. Даже ему в итоге требуется зеркало для получения высококачественных изображений.
Можно подумать, что вариантом решения этой проблемы будет построить чрезвычайно длинную, непрозрачную трубу, перпендикулярную плоскости ПЗС-матрицы, но и это представляет собой проблему: без линз и зеркала свет всего, что расположено в поле зрения, попадёт на каждый пиксель вашей матрицы. Даже длиннейшей шахте из когда-либо построенных для этих целей, солнечному телескопу МакМаса-Пирса [длина шахты 220 м / прим. перев.], всё равно требуется зеркало или линзы для фокусировки света. Это самая большая проблема в использовании ПЗС-матрицы в одиночку для измерения света, и самая основная причина, по которой необходимо оборудовать её зеркалом или линзой.
На фото, сделанном на фабрике Astrium в Тулузе, показан набор из 106 ПЗС-матриц, составляющих фокальную плоскость космического телескопа Гея. ПЗС прикручены к поддерживающей их структуре (CSS). CSS (серая пластина под ПЗС) весит порядка 20 кг и сделана из карбида кремния (SiC), материала с замечательной термической и механической стабильностью. Размеры плоскости: 1 × 0,5 м
3) ПЗС слишком дороги для того, чтобы ими можно было покрыть массив диаметром в 10 метров. Сами по себе ПЗС-матрицы стоят дорого; передовая 12 мегапиксельная ПЗС, с пикселями (и покрывающими их микролинзами) размером в 3,1 мкм в поперечнике, продаётся за $3700. Чтобы покрыть ими площадь, эквивалентную 10-метровому зеркалу, потребовалось бы 700 000 матриц: такая стоимость приближается к неприемлемым $3 млрд. Для сравнения, Европейский чрезвычайно большой телескоп с основным зеркалом диаметром 39 метров вместе со всей обсерваторией и оборудованием оценивается в €1083 млн – меньше, чем половина от первой суммы.
На диаграмме показана новейшая система из пяти зеркал Европейского чрезвычайно большого телескопа. Перед тем, как попасть к научным инструментам, свет сначала отражается от гигантского вогнутого составного зеркала 39 м в диаметре (М1), затем отражается от двух 4-метровых зеркал, выпуклого (М2) и вогнутого (М3). Два последних зеркала (М4 и М5) формируют встроенную адаптивную оптическую систему для получения чрезвычайно чётких изображений на конечной фокальной плоскости.
Добавочное количество света, поступавшего бы в ПЗС без зеркал, было бы крохотным, поскольку на каждом отражении мы теряем порядка 5-10% света, но при этом переходя от 10-метрового до 39-метрового диаметра зеркала мы увеличиваем количество света на 1500% (тысячу пятьсот процентов)! Проще говоря, можно потратить деньги гораздо лучше, если вашей целью будет сбор большего количества света и увеличение разрешения.
На земле крупные и массивные телескопы обычно не представляют проблем, пока форма зеркал поддерживается идеальной для отражения света. Но в космосе стоимость запуска определяется размером и весом, поэтому каждая небольшая экономия дорогого стоит
4) Если вы хотите сэкономить на весе, есть решение получше. Космический телескоп Хаббла был невероятно сложным в запуске и развёртывании, не только из-за своего размера, но и из-за веса. Тяжесть основного зеркала была одним из крупнейших препятствий для миссии. А вот у телескопа Джеймса Уэбба площадь, собирающая свет, будет в семь раз больше, чем у Хаббла, а весить он будет даже меньше половины своего более крупного предшественника. В чём секрет? Отлейте зеркало, придайте ему форму, отполируйте – а затем высверлите материал с задней части.
Установка последнего, 18-го сегмента основного зеркала телескопа Джеймса Уэбба. Тёмные крышки защищают позолоченные сегменты зеркал, при этом с задней их части убрали уже 92% изначального материала.
В космосе с гравитацией бороться не нужно, поэтому для поддержки телескопа не требуется особая структурная прочность. После изготовления каждого из 18 сегментов телескопа Джеймса Уэбба, с их обратной стороны было высверлено 92% изначальной массы – это позволило поддержать форму передней части зеркала и кардинально сэкономить на весе.
Внутренности и основное зеркало Большого Канарского телескопа, обладателя самого большого зеркала в мире (10,4 м)
Есть много причин, по которым можно было бы построить телескоп без линз или зеркал – оптимизация по весу, стоимости, материалам, мощности сбора света, качеству изображения, разрешения в любом случае потребует каких-то компромиссов. Но то, что ПЗС-матрицы самостоятельно не способны измерять направление приходящего света, представляет собой большую проблему для создания беззеркального телескопа. Хотя каждая зеркальная поверхность, от которой отражается свет, приводит к его частичной потере, зеркала остаются лучшим способом получения изображений Вселенной с высоким разрешением, отличным качеством, с большой площадью сбора света и относительно невысокой стоимостью. Если стоимость ПЗС будет падать, если можно будет построить массив размером с зеркало телескопа, а также получится измерять направление приходящего света в реальном времени, тогда уже можно будет о чём-то разговаривать. Но пока не предвидится замены оптической науке. Более чем через 300 лет после первой публикации революционного трактата о природе света, правила Ньютона при создании отдельных телескопов ещё никто не победил!
Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части
Автор: Вячеслав Голованов
