Пятый десятилетний отчет «Астрономия и астрофизика в новом тысячелетии», опубликованный в 2001 году, рекомендовал создание «Большого синоптического обзорного телескопа» (Large Synoptic Survey Telescope, LSST) в качестве одной из основных инициатив. Слово «синоптический» в названии означает, что прибор может получать изображения большой области неба.
Перед LSST планировалось поставить сразу несколько задач. Во-первых, каталогизировать 90 % околоземных объектов диаметром более 300 метров и оценить угрозу, которую они могут представлять для Земли. Во-вторых, выявить около 10 тысяч объектов в поясе Койпера, что позволит получить важные данные о процессе формирования Солнечной системы. Наконец — внести значительный вклад в изучение Вселенной, наблюдая тысячи сверхновых как вблизи, так и на больших красных смещениях, а также измерив распределение темной материи с помощью гравитационного линзирования.
Спустя 24 года, в июне 2025-го, обсерватория имени Веры Рубин получила первый свет.
Теплое и сухое место
В 2003 году была создана некоммерческая корпорация LSST для поддержки проекта. Деятельность по проектированию и разработке финансировалась за счет Национального научного фонда США (NSF), пожертвований частных фондов и лиц, взносов членов, университетских грантов, а также материальной поддержки лабораторий Министерства энергетики США (DOE) и других учреждений — участников проекта. Значительный импульс проект получил в 2007 году благодаря пожертвованиям миллиардера-программиста Чарльза Симони, чье имя будет увековечено в названии телескопа обсерватории, и Билла Гейтса, которые выделили 20 и 10 миллионов долларов соответственно на разработку зеркал телескопа.
Первым делом команда приступила к выбору места для обсерватории. Эксперты понимали, что для успеха обсерватория должна быть расположена на одном из лучших «астрономических» регионов мира. Чтобы вписаться в бюджет и срок, комиссия по выбору места сосредоточил внимание на существующих площадках в Америке и Европе, сузив список до четырех локаций. В качестве вариантов рассматривались Серро-Пачон и Лас-Кампанаc в Чили, Сан-Педро-Мартир в Мексике и Ла-Пальма в Испании.
Первым критерием было расположение на большой высоте. Атмосфера искажает свет, поступающий от астрономических объектов. Космические телескопы полностью лишены атмосферных искажений, но у наземных такой возможности нет. Размещение обсерватории на вершине горы является лучшим решением.
Вторым важным фактором была сухость климата. Высокая влажность вызывает нестабильность воздушных потоков, из-за чего изображения получаются размытыми. А небольшое количество дождливых и пасмурных дней увеличивает время для проведения наблюдений.
Третий аспект касался удаленности места от населенных районов. Световое загрязнение от уличного освещения мешает работе телескопов, создавая помехи в виде сияния, которое мешает улавливанию слабого света из космоса. Однако в слишком глухие места трудно доставлять оборудование, да и специалисты не горят желанием несколько часов ехать на работу по бездорожью к черту на кулички. Поэтому оптимальное место все же должно иметь развитую инфраструктуру — дороги, линии электропередач и другие коммуникации, необходимые для строительства и эксплуатации крупного астрономического комплекса.
В 2005 году комиссия сузила список до двух вариантов — Сан-Педро-Мартир в Мексике и Серро-Пачон в Чили. Специалисты приступили к геологическому, техническому, экономическому и экологическом исследованию обеих площадок. Результаты показали, что строительство обсерватории на Серро-Пачон будет более экономически эффективным.
Телескоп получил статус приоритетного проекта в следующем десятилетнем отчете, выпущенном в 2010 году. LSST вскоре получил федеральное финансирование от NSF и DOE, после чего работа над ним продолжилась c больше эффективностью.
Всем миром строим телескоп
В 2015 году на горе Серро Пачон в Чили состоялась церемония закладки камня, ознаменовавшая официальный старт строительства. В том же году в Национальной лаборатории ускорителей SLAC в Калифорнии начали собирать 3200-мегапиксельную камеру, которая станет центральным элементом телескопа.
Различные узлы обсерватории создавали в разных частях света: камеру, как было сказано, — в Калифорнии, стальную опорную конструкцию — в Испании, вторичное зеркало — в Нью-Йорке. В 2018 году все элементы начали объединять: оба зеркала и монтировка телескопа были доставлены в Чили и транспортированы на вершину Серро-Пачон. В течение следующих семи лет специалисты занимались монтажом сложного, тяжелого и сверхточного оборудования.
На тот момент проект все еще носил название LSS. Однако в декабре 2019 года Конгресс США официально утвердил новое имя — обсерватория имени Веры Рубин, — как дань уважения выдающемуся американскому астроному и признание вклад женщин в астрономию и астрофизику.
Есть ли темная материя?
До исследований Веры Рубин концепция темной материи уже существовала, однако не воспринималась всерьез научным сообществом. Рубин вместе со своим коллегой Кентом Фордом изучили более 60 галактик и обнаружили, что звезды во внешних областях двигались с такой же скоростью, как и звезды ближе к центру. Астрономы изучали кривые вращения спиральных галактик, начиная с галактики Андромеды, наблюдая за их внешними областями.
Наблюдение выявило несоответствие между предсказанным угловым движением галактик и фактическим измерением. Результаты показали, что спиральные галактики вращаются с такой скоростью, что должны были бы разлететься на части, если бы их удерживала лишь гравитация видимых звезд. Поскольку галактики остаются целыми, это свидетельствует о наличии значительного количества невидимой массы, удерживающей их вместе.
Полученные результаты стали важным доказательством существования темной материи в гало спиральных галактик. Вычисления Веры Рубин показали, что масса галактик должна быть как минимум в пять-десять раз больше, чем масса, рассчитанная на основании видимого количества света, исходящего от обычного вещества. Данные Рубин были подтверждены в последующие десятилетия и стали первыми убедительными доказательствами теории темной материи, выдвинутой Фрицем Цвикки в 1930-х. Эти выводы получили дополнительное подтверждение методами радиоастрономии, а также после открытия реликтового излучения и наблюдения явления гравитационного линзирования. Тем не менее, Рубин не исключала наличие альтернативных моделей, объясняющих явления, связанные с ее измерениями.
Однако наблюдения и последующие исследования убедили научное сообщество в реальности темной материи.
Согласно современным представлениям, темная материя составляет 26,8 % всего вещества во Вселенной, в то время как обычная материя — всего 4,9 %. Изучение этого загадочного невидимого вещества является одной из основных научных задач обсерватории имени Веры Рубин.
Вера Рубин была убеждена, что физики смогут определить природу невидимой материи в течение десяти лет после ее наблюдений. Однако ученые уже на протяжении последних нескольких десятилетий ведут исследования, чтобы выяснить, что такое темная материя и какую роль она играет в формировании структуры Вселенной. Физики пытаются определить ее природу с помощью лабораторий на Земле, в то время как астрономы продолжают наблюдения за гравитационным воздействием темной материи на другие объекты в космосе. По сути, работа Веры Рубин создала совершенно новое направление в астрофизике.
Уникальный телескоп
Дизайн телескопа Симони, получившего имя в честь одного из крупнейших жертвователей обсерватории, уникален среди крупных телескопов с основным зеркалом 8-метрового класса тем, что обеспечивает очень широкое поле зрения — 3,5 градуса в диаметре, что соответствует 9,6 квадратным градусам. Для сравнения: Солнце и Луна, наблюдаемые с Земли, имеют угловой размер около 0,5 градуса, или 0,2 квадратных градуса. В сочетании с большой апертурой, обеспечивающей высокую способность улавливать свет, это позволяет телескопу обладать крайне высоким значением этендю, или геометрического фактора — 319 м² × град². Эта величина показывает, сколько света и из каких направлений может собрать телескоп. Чем больше этендю, тем больше света система способна принять, что особенно важно при наблюдении слабых или удалённых объектов.
Показатель телескопа Симони более чем в три раза превышает этендю крупнейших в настоящее время телескопов с широким полем зрения, например японского телескопа Субару и системы телескопов Pan-STARRS на Гавайях, а также более чем на порядок превосходит большинство крупных телескопов.
Главное зеркало телескопа (М1) имеет диаметр 8,4 метра, вторичное (М2) — 3,4 метра, а третичное (М3), расположенное внутри кольцевого главного зеркала, — 5,0 метра. Вторичное будет самым крупным выпуклым зеркалом в действующем телескопе, пока его не превзойдет Extremely Large Telescope примерно в 2028 году.
Зеркала М1 и М3 изготовлены из одного цельного куска стекла. Их совмещение позволяет уменьшить общую длину телескопа, а также обеспечивает жесткую конструкцию, которая способствует быстрой стабилизации прибора после перемещения.
Оптическая система также включает три корректирующие линзы, предназначенные для уменьшения аберраций, то есть погрешностей изображения. Линзы вместе с фильтрами телескопа, встроены в узел камеры. Первая из них диаметром 1,55 метра является самой крупной когда-либо изготовленной линзой.
Вас снимают
За получение изображений отвечает цифровая камера с разрешением 3,2 гигапикселя, способная экспонировать кадр в течение 30 секунд. Первоначальные планы предусматривали съемку каждого участка неба двумя последовательными экспозициями по 15 секунд для эффективного выявления воздействий космических лучей на CCD-матрицах, но к 2025 году стало ясно, что их можно надежно обнаруживать и на одном 30-секундном изображении.
Основное изображение формируется мозаикой из 189 CCD-датчиков с разрешением по 16 мегапикселей каждый. Они сгруппированы в сетку из 5×5 «платформ», где центральные 21 платформа содержат по 3×3 сенсора для съемки, а четыре угловые платформы оснащены тремя CCD-детекторами каждая. Они используются для наведения и управления фокусировкой. CCD-датчики обеспечивают разрешение менее 0,2 угловой секунды, но для надежной работы их приходится охлаждать до примерно −100 °C для снижения уровня шума.
Камера оснащена фильтрами, расположенным между второй и третьей линзами, а также автоматическим механизмом смены фильтров. Несмотря на наличие шести фильтров, охватывающих диапазон длины волн от 330 до 1080 нанометров, расположение камеры между вторым и третьим зеркалами ограничивает размер устройства для смены фильтров. В коммутатор помещается одновременно только пять фильтров, поэтому ежедневно один из шести из них исключается из работы.
С учетом времени на техническое обслуживание, неблагоприятных погодных условий и других непредвиденных обстоятельств, ожидается, что камера будет делать более 200 тысяч снимков в год (это 1,28 петабайта несжатых данных). Это огромный массив, значительно больше, чем можно обработать адекватной по численности командой астрономов. Эффективный анализ огромного объема данных, поступающих с телескопа, считается самой технически сложной частью проекта. В 2010 году первоначальные требования к вычислительным ресурсам оценивались в 100 терафлопс и 15 петабайт памяти, с последующим увеличением по мере накопления данных. Уже к 2018 году оценки возросли до 250 терафлопс и 100 петабайт памяти.
Данные для всех
Срочная обработка полученных данных проводится в течение 60 секунд, также планируется ежедневный и ежегодный их анализ.
В течение 60 секунд после наблюдения будут выдаваться данные об объектах, которые изменили яркость или положение относительно архивных изображений данного участка неба. Передача, обработка и сравнение таких больших изображений в течение 60 секунд (прежние методы занимали часы при работе с меньшими изображениями) представляет собой серьезную задачу для программного обеспечения. Этот этап обработки будет осуществляться на засекреченном правительственном объекте США в Калифорнии. Там выявят события, которые могут раскрыть оперативную секретную информацию. Такие данные временно удалят — до публикации полного отчета через три дня, когда чувствительность подобной информации существенно снизится.
При этом обсерватория не обладает правом исключительной собственности на полученные данные — они становятся доступны общественности сразу же, поскольку основной целью проекта является быстрая передача практически всей информации, которую учреждение получает о каждом событии. Так как большинство ученых заинтересованы лишь в небольшой части собранной информации, данные будут передаваться своеобразным диспетчерам, которые в свою очередь направят соответствующие данные заинтересованным сторонам.
В ежедневные бюллетени, выпускаемые в течение 24 часов после наблюдений, включат изображения, полученные за ночь, и каталоги источников, сформированные на основе разностных изображений. В том числе в них войдут орбитальные параметры объектов Солнечной системы. Изображения будут доступны в двух видах: Raw Snaps — данные непосредственно с камеры — и Single Visit Images — обработанные изображения, в которых выполнены очистка от погрешностей телескопа, фона, обнаружение и разделение источников, измерения, оценка функции рассеяния точки, а также астрометрическая и фотометрическая калибровка.
Любопытно, что обсерватория резервирует 10 % своих вычислительных мощностей и дискового пространства для пользовательских данных. Пользователи смогут использовать API для доступа к данным, работы с ними и сохранения результатов. Такой подход позволит не скачивать и снова загружать большие объемы данных, позволяя астрономам со всего мира напрямую использовать вычислительные возможности обсерватории. Кроме того, он позволит академическим группам устанавливать собственные политики публикации данных, отличающиеся от общих правил обсерватории.
Что мы узнаем?
Около 90 % времени наблюдений уйдет на основную научную цель обсерватории — обзор пространства и времени (Legacy Survey of Space and Time, LSST). Это грандиозное десятилетнее фотометрическое обследование южной части звездного неба. Обзор, как ожидается, позволит решить сразу несколько важных научных задач:
- изучение темной энергии и темной материи посредством измерения слабого гравитационного линзирования, акустических колебаний барионов и фотометрии сверхновых типа Ia с анализом зависимостей от красного смещения;
- картирование малых объектов в Солнечной системе, в частности, околоземных астероидов и объектов пояса Койпера; ожидается, что обсерватория имени Веры Рубин увеличит число каталогизированных объектов в 10–100 раз, а также посодействует поискам гипотетической Девятой планеты;
- обнаружение разнообразных астрономических явлений, включая новые, сверхновые, гамма-всплески, изменчивость квазаров и гравитационное линзирование;
- картирование структуры Млечного Пути.
Оставшиеся 10 % времени будут использованы для лучшего по сравнению с предшествующими наблюдения определенных целей и регионов. В их число входят очень глубокие наблюдения, очень короткие интервалы повторных наблюдений (примерно одна минута), а также наблюдения «специальных» областей, таких как плоскость эклиптики, плоскость Млечного Пути, Большое и Малое Магеллановы Облака. В совокупности они увеличат общую площадь наблюдений примерно до 25 000 квадратных градусов.
Благодаря широкому полю зрения и высокой чувствительности, обсерватория считается одним из самых перспективных инструментов для обнаружения оптических аналогов гравитационных волн, зарегистрированных детекторами.
Обсерватория имени Веры Рубин — это важный шаг вперед в астрономии и астрофизике. Ее уникальные возможности и передовые технологии позволят ученым глубже понять природу темной материи и темной энергии, а также, возможно, решить и другие загадки Вселенной. Благодаря этому проекту мы стоим на пороге новых открытий, которые могут изменить наше представление о космосе и нашем месте в нем.