Астрономы совершили прорыв в получении изображений космических объектов, используя новый метод на одном наземном телескопе. Под руководством исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), команда получила самые детальные на сегодняшний день снимки диска, окружающего далёкую звезду. Это достижение позволило обнаружить скрытые структуры, ранее невидимые, и открывает путь к исследованию мельчайших деталей звёзд, планет и других небесных тел, что потенциально может изменить наше представление о Вселенной.
Традиционно способность телескопа различать тусклые или удалённые объекты напрямую зависит от его размера: чем крупнее инструмент, тем больше света он собирает, позволяя получать более чёткие изображения и видеть более слабые цели. Наивысшего уровня детализации обычно достигают, объединяя несколько телескопов в интерферометрическую систему. Создание подобных масштабных инструментов или их соединение всегда было ключевым фактором для достижения точности, необходимой для открытия новых космических явлений.
Теперь, благодаря устройству, известному как «фотонный фонарь» (photonic lantern), астрономы могут значительно эффективнее использовать свет, собранный одним телескопом, для создания изображений сверхвысокого разрешения. Подробности этого новаторского открытия были опубликованы в научном журнале Astrophysical Journal Letters.
«В астрономии наиболее чёткие детали изображений обычно получают, объединяя телескопы, – объясняет первый автор исследования и докторант UCLA Ю Чжун Ким. – Но мы сделали это с помощью одного телескопа, направляя его свет в специально разработанное оптическое волокно, названное «фотонным фонарём». Это устройство разделяет звёздный свет в соответствии с его флуктуациями, сохраняя тонкие детали, которые в противном случае были бы утеряны. Затем, пересобирая данные с выходов, мы смогли реконструировать изображение очень высокого разрешения диска вокруг близлежащей звезды».
«Фотонный фонарь» разделяет входящий свет на множество каналов в зависимости от формы волнового фронта, подобно тому, как разделяются ноты музыкального аккорда. Он также разделяет свет по цвету, создавая спектр, напоминающий радугу. Само устройство было разработано и создано специалистами из Сиднейского университета и Университета Центральной Флориды. Оно является частью инструмента FIRST-PL, разработка которого велась под руководством Парижской обсерватории и Гавайского университета. Эта система интегрирована в инструмент Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics на телескопе «Субару» (Subaru Telescope) на Гавайях, который управляется Национальной астрономической обсерваторией Японии.
«Больше всего меня вдохновляет то, что этот инструмент объединяет передовую фотонику с высокоточной инженерией, разработанной здесь, на Гавайях, – комментирует Себастьен Вьевар, сотрудник инициативной группы по космической науке и инженерии при Гавайском университете, который руководил процессом создания. – Это демонстрирует, как сотрудничество по всему миру и между различными дисциплинами может буквально изменить то, как мы воспринимаем космос».
Этот инновационный метод разделения и анализа света открывает принципиально новый подход к наблюдению тонких деталей, достигая значительно более высокого разрешения по сравнению с возможностями традиционных телескопических камер.
«Для любого телескопа заданного размера волновая природа света ограничивает тонкость деталей, которые можно наблюдать с помощью традиционных камер. Это явление известно как дифракционный предел. Наша команда работала над тем, чтобы использовать «фотонный фонарь» для преодоления этого барьера», – поясняет профессор физики и астрономии UCLA Майкл Фицджеральд.
«Эта работа демонстрирует потенциал фотонных технологий для осуществления новых видов измерений в астрономии, – отмечает Неманья Йованович, соруководитель исследования из Калифорнийского технологического института. – Мы только начинаем, и открывающиеся возможности поистине захватывают».
Изначально исследователи столкнулись с серьёзной проблемой – турбулентностью земной атмосферы. Тот же мерцающий эффект, который заставляет далёкие горизонты казаться волнистыми в жаркий день, вызывает мерцание и искажение звёздного света по мере его прохождения через воздух. Для компенсации этих искажений команда телескопа «Субару» использовала адаптивную оптику – технологию, которая в режиме реального времени непрерывно корректирует искажения и стабилизирует световые волны.
«Нам нужна очень стабильная среда для измерения и восстановления пространственной информации с помощью этого волокна, – уточняет Ким. – Даже с адаптивной оптикой «фотонный фонарь» оказался настолько чувствительным к флуктуациям волнового фронта, что мне пришлось разработать новую методику обработки данных для отфильтровывания остаточной атмосферной турбулентности».
Применив свою методику, команда провела наблюдения за звездой бета Малого Пса (β CMi), расположенной примерно в 162 световых годах от Земли в созвездии Малого Пса. Эта звезда окружена быстро вращающимся водородным диском. По мере движения газа в диске сторона, приближающаяся к Земле, кажется более синей, а удаляющаяся сторона – более красной. Это происходит из-за эффекта Доплера, того же явления, которое меняет высоту звука проезжающего автомобиля. Эти цветовые сдвиги незначительно изменяют кажущееся положение звёздного света в зависимости от его длины волны.
Использование новых вычислительных методов позволило исследователям измерить эти цветовые сдвиги положения с примерно пятикратно большей точностью, чем когда-либо прежде. Помимо подтверждения вращения диска, учёные обнаружили его асимметрию, или «перекос».
«Мы не ожидали обнаружить подобную асимметрию, и теперь астрофизикам, моделирующим эти системы, предстоит объяснить её присутствие», – подчеркнула Ким.
Этот новаторский подход позволит астрономам наблюдать более мелкие и удалённые объекты с беспрецедентной чёткостью. Он может помочь разгадать давние космические загадки, а также, как в случае с асимметричным диском вокруг β CMi, обнаружить совершенно новые феномены. Проект реализован при участии международного сотрудничества, включающего учёных из Space Science and Engineering Initiative при Гавайском университете, Национальной астрономической обсерватории Японии, Калифорнийского технологического института, Университета Аризоны, Астробиологического центра в Японии, Парижской обсерватории, Университета Центральной Флориды, Сиднейского университета и Калифорнийского университета в Санта-Крузе.
