Телескопическое зрение

Андрей САМОХИН

18.10.2018

Фото: Николай МалахинБолее сорока лет в горах Карачаево-Черкесии российские физики прощупывают дальний космос уникальным отечественным телескопом БТА. В конце нынешнего года — после замены главного зеркала — флагмана нашей астрономии ждет второе рождение. Накануне этого события руководство Академии наук пригласило «Культуру» познакомиться с уникальными телескопами Специальной астрофизической обсерватории (САО) РАН.

История появления обсерватории похожа на эпос. Однажды в Кавказские горы пришли большие люди великой страны и поставили на вершине большой Глаз, чтобы смотреть им туда, откуда доходит к нам звездный свет. А внизу — в потаенной долине установили большое Ухо, чтобы слышать, о чем говорят звезды.

Глаз — это Большой телескоп азимутальный (БТА). Довольно долго после запуска в 1975 году он был крупнейшим оптическим телескопом в мире благодаря своему шестиметровому цельному 40-тонному главному зеркалу.

Но и сейчас, уступив пальму первенства по размерам зеркала многим зарубежным собратьям, он остается крупнейшим оптическим телескопом Евразии. Его разрешающая способность в 2000 раз больше, чем у человеческого глаза, позволяет видеть астрономические объекты 27-й величины: светила и галактики, удаленные от нас на миллиарды световых лет. Установленный на горе Семиродники (2100 метров) у подножия горы Пастухова неподалеку от станицы Зеленчукская, БТА практически сразу же стал одной из точек притяжения мировой астрономии.

Почти одновременно появилось и «Большое Ухо» — РАТАН-600 — до сих пор крупнейший в мире радиотелескоп с антенной переменного профиля. Шестисотметровый в диаметре «амфитеатр» обрамлен по кругу 895 алюминиевыми лепестками, каждый из которых способен поворачиваться в трех направлениях, улавливая сигналы Вселенной и передавая их концентрирующим и усиливающим устройствам. Ухо — потому что РАТАН работает с космическими волнами метрового диапазона — радиоволнами, которые используются в радиовещании и связи. При этом в отличие от оптического телескопа, смотрящего в небо лишь ночью, радиотелескоп может «слушать» космос круглые сутки. Лишь бы рядом не было радиопомех и электронных наводок. Сила Архызской обсерватории в возможности комбинировать данные с двух телескопов в режиме онлайн.

Работы с этими уникальными инструментами последние годы получили новый импульс.

Фото: Андрей Самохин

Большой. Азимутальный

Эта история началась 25 марта 1960 года, когда по предложению АН СССР Госкомитет по оборонной технике Совмина СССР принял постановление о создании комплекса с телескопом-рефлектором, зеркало которого имело бы диаметр шесть метров. Как и в космической гонке, это было «спецзадание» — превзойти американцев с их телескопом Хейла на Паломаре, обладающим пятиметровым зеркалом. Головной исполнитель — Государственный оптико-механический завод им. ОГПУ (ГОМЗ), на базе которого позже было образовано ЛОМО — Ленинградское оптико-механическое объединение имени В. И. Ленина (ныне АО «ЛОМО»), и главный конструктор телескопа Баграт Иоаннисиани справились с задачей. В создании гиганта участвовали также институты и предприятия Москвы, Горького и Ростова-на-Дону, специалисты которых, пока изготавливалось зеркало, строили 53-метровую башню с хитрой начинкой из механизмов и аппаратуры.

Уникальность БТА состояла в двух осях вращения — по азимуту (вокруг своей вертикальной оси) и по углу места. Эта гениальная в своей простоте схема, предложенная Иоаннисиани, стала астрономическим стандартом — все новые телескопы в мире строятся по этому принципу. Запатентовать идею тогда, конечно, никому не пришло в голову...

Многие узлы телескопа для своего времени — а некоторые и сегодня — не имеют мировых аналогов или находятся на «переднем крае»: главный спектрограф телескопа диаметром два метра, система гидирования (точное позиционирование телескопа по опорным звездам) и многое другое.

Для создания огромного оптического прибора был специально построен завод в подмосковном Лыткарино. Поскольку технологии изготовления таких стекол практически не существовало, сделать зеркало нужного качества получилось не сразу. Первое потрескалось при остывании, второе оказалось с дефектами поверхности, хотя и проработало несколько лет на БТА. В 1978-м наконец было создано зеркало требуемого качества, с разрешением не хуже, чем у Хейла, но с большей «проницающей силой», то есть возможностью видеть слабо излучающие объекты. Выдающаяся светособирающая способность телескопа до сих пор влечет к нему астрономов со всего мира, выстраивающихся в очередь за наблюдениями. Крупным преимуществом БТА является и то, что на нем можно быстро менять сменную навесную аппаратуру, а также два вторичных фокуса, кроме первичного. Сегодня, когда вся «большая астрономия» ушла на юг — в Чили, на Гавайи, — телескоп в Новом Архызе остался единственным крупным в Северном полушарии.

Фото: Николай Малахин

Поверхность зеркала периодически алюминируется, то есть покрывается тонкой алюминиевой пленкой. Но при очередной такой процедуре в 2004-м было замечено, что металл заливается в появившиеся микротрещины, что значительно ухудшает возможности наблюдений. И тогда решили восстановить первое зеркало. На шлифовку и подготовку поверхности из-за «рваного» финансирования ушло почти десятилетие — до ноября прошлого года. На Лыткаринском заводе оптического стекла с зеркала сняли слой стекла около восьми миллиметров толщиной, а затем в несколько приемов отшлифовали до гладкости в доли микрометра.

Нетривиальным стал расчет маршрута транспортировки: 6,5-метровый контейнер должен был пройти, не задевая ничего по пути. Для этого во время движения дороги пришлось частично перекрывать. Наконец, в феврале нынешнего года зеркало приехало в Новый Архыз и было поднято на гору — к месту своей «оправы». Огромным краном его водрузили в корпус телескопа, укрепив на специальных глухих посадочных отверстиях.

Рядом в подкупольном помещении смонтировали камеру, где в вакууме, близком к космическому, будет выполнено алюминирование. Поскольку прямо на днях обнаружились некоторые неучтенные ранее проблемы, зеркало смонтируют не в конце октября, как предполагалось, а в декабре. Если все пройдет нормально, то Большой азимутальный вновь заработает после долгого простоя, что станет событием для российской и мировой астрофизики.

Фото: Андрей Самохин

На горе под куполом

Два часа от Минвод на автобусе — и вы в урочище Нижний Архыз. В маленькой, еще по «старорежимному» уютной гостинице Нижней научной площадки САО РАН повсюду надписи на английском вроде «dinner-hall» — здесь только что прошла международная конференция, скоро — другая, с участием коллег из Баксанской нейтринной обсерватории. По дороге на гору к телескопу, делая паузы на созерцание сумасшедших по красоте видов, директор Специальной астрофизической обсерватории Валерий Власюк поясняет особенности работы астрономов.

— Одна из главных проблем для нас — атмосфера. Мы видим звезды и галактики как бы со дна Мирового океана, сквозь толщу воды, которая иногда еще и волнуется. Поэтому в больших современных телескопах ставят активные маленькие вторичные зеркала, корректирующие искажения воздуха. Для этого мощные лазеры создают в небе точки, имитирующие звезды. За тысячные доли секунды надо определить, какие искажения возникли в атмосфере, и исправить их вторичным зеркалом. Это очень дорогая адаптивная оптика. Вообще, астрофизика— самая современная из наук,  — уверенно заключает рассказчик, — ведь она вбирает все последние достижения электроники, оптики, вычислительной техники.

Тем временем автобус «причаливает» на площадку, где посреди поляны высится сверкающая на солнце башня с куполом, а над ней, чуть отступив, вздымается циклопический четырехногий кран на рельсах. Им в свое время строили БТА и с его же помощью меняют зеркала телескопа. Характерная деталь— в окрестностях горы по заказу астрономов все ночные фонари светят только вниз, дабы не засвечивать небо.

Фото: Николай МалахинТолпы туристов, экскурсантов атакуют телескоп каждый день: из Краснодара, Минвод, Ставрополя, Ростова и более далеких городов. Невольно вспоминаешь максиму Сенеки: «Если бы на земле было только одно место, откуда можно наблюдать звезды, к нему непрерывно со всех концов стекались бы люди». При нас православный батюшка приводит целую ораву ребятишек. Пока одни идут с экскурсией, другие смотрят фильм по астрономии. «Билеты недорогие, поэтому для нас это несущественная сторона дохода», — догадливо отвечает на еще не заданный вопрос Валерий Власюк.— Популяризация науки для нас очень важна».

На деревянном панно у входа — схема устройства БТА, на гербе — «1971 год», когда была построена башня. По стенам — эффектные цветные снимки галактик и звездных скоплений.

Входим в узел управления телескопом: телевизор, этажерка, резное панно  «Сегодня вся «наука» идет снизу — из поселка, — поясняет Власюк. — Здесь же сотрудники в основном отдыхают или реагируют на экстренные события, вроде перезагрузки компьютера после скачка электропитания.

Узнаю, что костяк штатных работников телескопа состоит из приехавших сюда в далеких 1970-х. Они трудятся истово, несмотря на скромные зарплаты и отсутствие столичных развлечений. На вопрос, почему, отвечают просто: «Звезды. В городе они не видны». Многих, кроме того, манит жизнь в горах, лыжи, природный и человеческий микроклимат.

В глазнице «ока планеты»

Поднимаемся в подкупольный зал. До верхней точки отсюда 35 метров. На вращающейся части телескопа, которая весит порядка 600 тонн, — гордая надпись аршинными буквами: «СССР ЛОМО». Внизу— сегментная «крышка» зеркала с функцией пылесоса.

Фото: Андрей СамохинИду по круговой красной дорожке азимутального вращения телескопа (диаметр катания — 41,1 метра), слушая пояснения нашего гида. Массивное тело телескопа «плавает» на тончайшей масляной пленке в одну десятую миллиметра и под большим давлением. Для вращения хватает электромотора мощностью всего полтора киловатта — как у какого-нибудь тостера. Поднимают же и опускают махину гораздо более мощные моторы. Впечатляющая машинерия!

Сейчас «труба» смотрит почти в зенит, но может лечь и в горизонт. По бокам воздухоохладительные приборы, зеркало не должно переживать температурных перепадов воздуха больше двух градусов.

Наверху на растяжках — черный «стакан», кабина первичного фокуса диаметром всего 1,6 метра, куда в приемники собирается звездный свет, пойманный зеркалом телескопа. Там спектрографы и другая аппаратура, с которой полезная информация идет по кабелю вниз. Астрономы добираются до него по лестницам пустотелого пространства между внешней и внутренней оболочками купола. Алюминий снаружи, пластик внутри. Заклепки на обшивке периодически отлетают от перепадов температур — приходится заклеивать эпоксидкой. А вот фундамент почти за полвека ушел всего на сантиметр — так прочно и глубоко был залит в скалу бетон.

Ждем, когда раскроется сегмент купола телескопа, именуемый забралом. Наконец, «всевидящему оку» подняли веко. Голубизна горного неба — это совсем не то, что оно привыкло созерцать. Наш гид любезно поясняет, что за звездами лучше всего наблюдать трескучей морозной полночью, когда в атмосфере минимум влаги.

Солнечный круг, храмы вокруг

Фото: Николай МалахинРаботы на «телескопической» горе кипят — механики трудятся здесь даже в воскресенье. Неподалеку от серебряного гиганта БТА вырос белый «грибок» — малый роботизированный телескоп -первенец из шести подобных, входящих в проект РАН, поддержанный Российским научным фондом. Здесь по переменности блеска звезд будут автоматически отслеживать и «портретировать» проходящие перед ними экзопланеты. Информация с малых «грибков» пойдет в башню БТА, где спектры этих планет будут параллельно изучаться новым большим спектрографом. Синергия наблюдений значительно усилит научные результаты.

Географическую точку, где работают нынешние звездочеты, вполне можно именовать сакральным «местом силы». Внизу — всего в нескольких километрах, в долине, окруженной горами, — раскинулось Нижне-Архызское городище времен легендарного Аланского царства первых веков нашей эры. Здесь ветер гуляет в гулких пространствах древних христианских храмов IX века — самых старых в России. Здесь над травой поднимаются остатки выложенного каменной кладкой загадочного «солнечного круга» с диаметром около 90 метров. Некоторые археологи и астрономы по определенным признакам предполагают, что сооружение, высота стен которого могла доходить до 12 метров, служило древней культовой обсерваторией, подобной Стоунхенджу. Сверху из скальной ниши на археологов, астрономов и туристов задумчиво и пристально смотрит лик Христа — выцветшая фреска, обнаруженная в конце прошлого века и написанная неизвестно кем и когда. А еще выше — над горными отрогами в черном прозрачном омуте мерцают звезды — маяки бесконечного познания и руны непостижимой Вселенной.



Фото: Николай МалахинВалерий Власюк, директор Специальной астрофизической обсерватории:

— Сейчас по размеру зеркала БТА не входит и в первую мировую «двадцатку». Однако как флагман отечественной астрономии он по-прежнему дает большинство «звездных» данных для ученых России и стран СНГ. Его популярность обусловлена рядом уникальных методик и возможностей, которых нет на других, даже гораздо больших, его «собратьях». Новый проект телескопа «шестиметрового класса» или более в обозримом будущем в России вряд ли будет реализован, поэтому БТА еще послужит многие годы — есть квалифицированный персонал, запас прочности; практически все узлы мы модернизируем сами.

Служба эксплуатации телескопа состоит примерно из сорока человек: инженеры, электротехники, слесари. Астрофизики же в последние годы сюда практически не поднимаются, все небесные данные приходят к ним через интернет в любую точку страны и мира. Зарубежные коллеги дают список интересующих их объектов и необходимые режимы наблюдения. Терабайты информации каждую ночь разлетаются отсюда на тысячи компьютеров.

Содержание такой махины — дорогое удовольствие: электроэнергия, коллектив, ежедневно снующий между горой и долиной транспорт. Бюджет поселка чуть более 200 млн рублей, основная часть которого уходит на содержание телескопов и зарплату.

В смысле обновления электроники и автоматики у САО РАН крепнет партнерство с Китаем, при этом сокращаются европейские поставки. Да, пока никаких санкций в этой сфере не замечено, но мало ли как пойдет дело дальше...

Госбюджетное финансирование в последние годы стабильно, хотя его, конечно, не хватает, изыскиваем дополнительные источники. От Минобрнауки получали в свое время поддержку как «уникальная научная установка России». Сейчас, правда, возникла заминка в связи с министерской трансформацией, но, надеюсь, все наладится уже в этом году.



















Фото: Николай Малахин

Юрий Балега, академик, вице-президент РАН, лауреат Государственной премии СССР:

— Раньше в 1970–80-е, когда мы работали с фотопластинками, надо было вживую сидеть наверху этой бочки — вручную юстировать, гидировать приборы по многу часов ночами при минус двадцати по Цельсию. Работа для стоиков! Но в этом была и своя романтика...

Телескоп повидал всякое за прошедшие годы. Его трепали ураганные ветры. В семьдесят пятом на День Победы вихрь оторвал забрало, и нам пришлось вот эту 11-метровую щель закрывать брезентом и перкалем. В прогибы ткани дождем наливались тонны воды. И мы, тогда молодые ребята, ползали, как муравьи, на высоте, погружая в ледяную воду гибкие трубы, чтобы спустить ее самотеком вниз.

Расписание на работу с БТА составляется на полгода вперед, поэтому — больной, полумертвый — ты должен был оказаться в свое время наверху, поскольку следующее «окно» выпадет тебе не скоро. Сеанс наблюдения оформляется заявкой с описанием его цели и необходимых средств, а потом рассматривается научной конкурсной комиссией. Из 4–5 заявок в среднем удовлетворяется одна.

На БТА изучают все небесные объекты, кроме ближних, — планет Солнечной системы. Для них хватает менее мощных телескопов. Мы же видим и анализируем события, происходящие за десятки миллиардов световых лет, например, взрывы сверхновых. Наблюдаем также галактики, которые родились практически одновременно с нашей Вселенной. Кстати, химический состав их планет очень похож на тот, из которого состоит Земля. Свой вклад телескоп внес в изучение темной энергии — невидимой, но просчитываемой субстанции, которая как бы «расталкивает» Вселенную и приведет ее в итоге к гибели.

Также мы здесь изучаем и явления, связанные с темной материей. Например, на БТА под руководством главного научного сотрудника САО РАН Игоря Караченцева была произведена оценка плотности вещества в нашей Вселенной и примерная масса темной материи. Предшествовало этому открытие сотен галактик, которые мы ранее не видели. Это лучшие в мире результаты наблюдений по этой теме.

Плотность Вселенной оказалась очень небольшой, всего один атом водорода на кубометр пространства. Но это относится к видимой материи. Невидимой же — гораздо больше, и ее природа для нас пока загадка. Образно представить можно так: мы знаем, что есть нечто, влияющее на движение галактик, и его очень много. Но мы его не видим. Это как если бы в абсолютно темную комнату запустили толпу людей. Они все вас толкают с разных сторон, но вы видите только тех, у кого фонарик на лбу, остальных — лишь чувствуете.

Сейчас с помощью новых спектрографов, которые устанавливаются на телескопе, будем изучать спектры открытых экзопланет — то есть планет других звездных систем; продолжим изучение квазаров и черных дыр, физические принципы которых уже в целом понятны.

Индивидуальных научных озарений, подобных мифическому падению яблока на голову Ньютона, уже давно не происходит. Открытия делаются большими коллективами ученых с серьезными дорогими инструментами — такими, как Большой телескоп азимутальный.


Фото на анонсе: Николай Малахин