Астрономи обсерваторії Кітт-Пік пробують впровадити альтернативу адаптивної оптики - ПЗС-матриці з ортогональним перенесенням зарядів.
На тлі легендарного телескопа Mayall і найбільшого в світі спектрографа, що працюють в обсерваторії Кітт-Пік, телескоп WIYN не так грандіозний і міг би загубитися. Однак використані на ньому новітні технології ставлять його в один ряд з самими грандіозними інструментами наземної астрономії.
Пісок і камінь
На всій планеті не так вже й багато місць, в яких географічні та кліматичні умови склалися для астрономів-спостерігачів найкращим чином. Це посушлива чилійська пустеля Атакама, де стоять чотири 8,2-метрових гіганта обсерваторії VLT і масив міліметрових телескопів ALMA. Це гора Мауна-Кеа на Гавайях, де телескопів більше, ніж на будь-який інший вершині планети, і нагір'я Антарктиди, де працює 10-метровий South Pole Telescope. У цьому ж ряду розташувалася і пустеля Сонора на кордоні США з Мексикою: тут працює Національна обсерваторія Кітт-Пік.
Частково заповнений OTCCD-матрицями масив телескопа WIYN. Саме в такій конфігурації (дев'ять матриць в центрі і чотири по краях) телескоп працював перші два роки. Сьогодні їх число доведено до 30.
Сонора, одна з найбільших, сухих і жарких пустель Північної Америки, займає територію кількох штатів. Тут живуть індіанці племені папаго - «Тохоно-оодхам», «люди пустелі», близькі до народу піма. Що височіє над місцевістю гора Кітт-Пік (на місцевій мові оодхам - Лоліго) для них до сих пір священна, але не настільки, як розташований трохи далі пік Бабоквіварі. Тому - на відміну від аборигенів Гавайських островів, які недавно все-таки заблокували будівництво на Мауна-Кеа нового 30-метрового телескопа - землю на Кітт-Пік індіанці віддали в оренду ще понад півстоліття тому за цілком прийнятною ціною в чверть долара за акр. Новий договір, підписаний на початку XXI століття, залишив ці умови в силі і зробив можливою модернізацію телескопів. Працівники обсерваторії можуть спокійно планувати роботу на десятиліття вперед, не побоюючись проблем з індіанцями. Відсутність поблизу міст знижує світлове забруднення неба, висота 2000 м над рівнем моря зменшує товщину атмосфери над обсерваторією, а посушливий клімат забезпечує близько 260 «чистих», безхмарних ночей в році (72%). Сьогодні на схилах Кітт-Пік, як гриби на пні, щільно розташувалися «капелюшки» 26 телескопів. Гора відкрита для відвідувачів, і будь-яка людина, не обов'язково астроном, може обійти цю територію. Головне - не шуміти, про що нагадують турботливі написи: «Будь ласка, зберігайте тишу: вдень астрономи сплять».
Вплив різних шарів атмосфери на зображення зірки
У звичайній фотографії ПЗС майже витіснені матрицями на основі технології комплементарної структури метал-оксид-напівпровідник - КМОП. Ця технологія дозволяє інтегрувати на одному кристалі і матрицю світлочутливих детекторів, і цифрову електроніку для обробки отриманого з неї сигналу. У КМОП-матрицях зняття сигналу відбувається з безлічі пікселів паралельно і одночасно. Це дозволяє, зокрема, не чекати закінчення експонування і отримувати дані в режимі реального часу. Однак для професійної астрономії в деяких випадках все ще зручніше і вигідніше використовувати старі добрі ПЗС - в першу чергу через дуже низького рівня шуму при високому рівні чутливості.
Антени та дзеркала
Циклопічний телескоп Mayall, названий на честь другого директора обсерваторії Ніколаса Мейола, - найбільший оптичний телескоп на Кітт-Пік і один з 20 найбільших в світі. Його 4-метрове і 15-тонне головне дзеркало хоч і працює в зв'язці з не найсучаснішим обладнанням, все ще дозволяє вести спостереження екстра-класу. Телескоп працює з початку 1970-х років і свого часу допоміг вивчити руху далеких галактик, розкривши роль темної матерії в розширенні Всесвіту.
Поблизу знаходиться сонячний телескоп McMath-Pierce - найбільший в світі коронограф. Його дзеркало встановлено під 30-метровою вежею, в «колодязі», що минає ще на 60 м в глибину гори. Така «шахтна» конструкція дозволяє відмовитися від вторинного дзеркала і знімає проблему екранування частини світлового потоку, приховує телескоп від сильних вітрів і перепадів температур. Недарма за 60 років роботи цей інструмент дозволив помітити на Сонце спектральні лінії бору, гелію, фтору, води.
Крім того, на Кітт-Пік працюють два радіотелескопу, один з яких входить в мережу Very Long Baseline Array (VLBA). Об'єднуючи десяток таких інструментів, розташованих в Північній і Південній Америках, на Гаваях і в Німеччині, мережа працює як єдиний радіоінтерферометр з наддовгих - понад 8000 км - базою і величезною роздільною здатністю. Телескоп VLBA бере участь в роботі і ще більшого радіоінтерферометра міжнародної програми «Радіоастрон», одним з плечей якого служить російський супутник «Спектр-Р», що знаходиться на орбіті заввишки до 350 000 км.
WIYN - не самий помітний на перший погляд телескоп на горі, але наймолодший: «перший світ» він побачив в 1994 році. Його дзеркало має діаметр 3,5 м, зате за якістю зображення він легко посперечається з 6-метровим Mayall. WIYN можна назвати перлиною Кітт-Пік, а перлиною самого телескопа - його незвичайну ПЗС-матрицю, яка дозволяє радикально покращувати якість зображень.
Готовий до використання масив з 64 матриць ортогонального перенесення - ОТА
убегающие зірки
Свого часу астрономи використовували для зйомки зірок і небесних тіл фотопластинки. Поява ПЗС-матриць справило в астрономічних спостереженнях (як і в фотографії) справжню революцію, але основні проблеми принципово не змінилися. Справа в тому, що астрономічні об'єкти є тьмяними, так що, незважаючи на великі діаметри дзеркал телескопів, для їх фотографування потрібні тривалі витримки. А ще вони рухливі, що як раз стає проблемою при такій зйомці.
Добовий рух зірок на небосхилі можна компенсувати за допомогою систем гидирования, які повертають телескоп синхронно з обертанням Землі. Однак існують спотворення, які неможливо компенсувати таким способом. Всі наземні оптичні телескопи мають один і той же недолік: мінлива атмосфера нашої планети нерівномірно і непередбачувано переломлює світлові хвилі, що приходять від далеких астрономічних об'єктів, розмиває і спотворює отриману картинку.
Для вирішення цієї проблеми телескопи доводиться або виводити за межі атмосфери, або оснащувати системами адаптивної оптики (АТ). Використовуючи деформуються дзеркала, які змінюють геометрію за сигналами системи управління, АТ дозволяє частково компенсувати спотворення, що вносяться турбулентністю земної атмосфери. В якості зворотнього зв'язку в АТ використовуються зображення опорних зірок - справжніх чи штучних, «засвічених» лазерним променем на краю атмосфери, на висоті близько 90 км. Ця технологія досить дорога навіть за мірками обсерваторій, які іноді обходяться в мільярди доларів. Та й компенсація така має свої обмеження: зокрема, вона далеко не ідеальна по всьому полю зору. Так що бажання астрономів боротися з деградацією зображення за допомогою більш дешевих альтернатив і доопрацювань можна зрозуміти.
Вліво-вправо і вгору-вниз
Однією з таких альтернатив стала ПЗС-матриця з ортогональним перенесенням зображення (Orthogonal Transfer CCD, OTCCD), ідея якої була запропонована близько 20 років тому Полом Шехтером і його колегами по Массачусетському технологічному інституту (MIT). Нагадаємо, що традиційна ПЗС-матриця (CCD) складається з масиву світлочутливих осередків, які накопичують заряд, реєструючи потрапляють на них фотони. Коли експозиція закінчена (і тільки тоді), заряди послідовно, один за іншим, зчитуються. Осередок за осередком кожного рядка передаються на пристрій, що зчитує пристрій, який перетворює аналоговий сигнал в цифровий. Якщо джерело випромінювання в процесі зйомки і накопичення ПЗС-матрицею заряду зміститься, то його зображення виявиться «розмазати» по кільком осередкам. Відновити його початковий вигляд буде практично неможливо.
Зліва - класична ПЗС-матриця: пісксель складається з декількох затворів, розташованих лінійно. При зчитуванні до затворам черзі (циклічно) прикладається напруга, що управляє, яке змушує накопичені заряди (електрони) зміщуватися в одному (і тільки в одному) напрямку, як на конвеєрі. Праворуч - варіант OTCCD-матриці з ортогональним переносом. Її пікселі складаються вже з чотирьох затворів інший геометрії, яка дозволяє переміщати заряд в двох перпендикулярних напрямках.
На відміну від цього, заряди під час експозиції матриці OTCCD не просто накопичуються в своїх осередках, а й можуть переміщатися в сусідні - вліво-вправо і вгору-вниз. Робиться це за командою системи управління, яка за допомогою окремих незалежних датчиків відстежує розташування який-небудь опорної зірки (як в системах з АТ). Як тільки система помічає, що орієнтир змістився, вона поширює його рух на сусідні пікселі і «змушує» все заряди з них повернутися назад. Десятки разів в секунду зображення «плаває», заряди перестрибують на сусідні пікселі, а система управління ловить і повертає їх на місце.
Це дозволяє компенсувати вплив турбулентності атмосфери, вібрації телескопа, помилки в стеженні за зіркою і домогтися відмінного дозволу. Перші подібні матриці складалися всього з 512 х 512 елементів, але вже вони показували прекрасні результати: кутовий дозвіл інструментів сильно збільшилася, зросла і ставлення сигналу ні галасу. Наступне покоління OTCCD є вже цілий набір матриць - OTA (Orthogonal Transfer Array). Кожна з них має свою незалежну систему управління перенесенням зарядів і може використовувати свою власну опорну зірку, що дозволяє домагатися досить ефективною компенсації дрібного тремтіння практично по всьому полю зору. При цьому OTA не виключають паралельного застосування і адаптивної оптики. Той же телескоп WIYN оснащений і системою АТ, а його головний інструмент, камера ODI (One Degree Imager), нараховує 30 OTA-масивів по 64 матриці 480 x 496 пікселів кожна.
Тиша і натхнення
На додаток до масиву матриць OTA на телескопі WIYN є і спектрограф, і камера для спостережень в ІК-діапазоні, тому не дивно, що розклад його спостережень заповнене на кілька місяців вперед. Наукові інтереси працюючих з ним астрономів дуже широкі: пошук і підтвердження нових екзопланет, детальне вивчення післясвітіння наднових, спостереження за далекими скупченнями галактик і пиловими хвостами астероїдів ...
Але з телескопом WIYN працюють не тільки вчені. Тут постійно зайняті кілька техніків, які стежать за його станом, заправляють рідким азотом, а нічний оператор допомагає вести спостереження: інструмент занадто дорогий і складний, щоб можна було довірити його астрономам на всю ніч. Така робота підходить не кожному - треба пильнувати цілу ніч, кожні 20 хвилин переорієнтувати телескоп на нову точку і відганяючи надто завзятих студентів від пульта управління. Але деякі навіть задоволені: під час таких спостережень ми познайомилися з оператором, який в перервах пише науково-фантастичні книги. Тиша і безлюддя, пустельні гори і близький космос - вони завжди надихають.
Стаття «Всі сторони матриці» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2016 ).
