pobūdį, gaunamų rezultatų apimtį ir tikslumą, ir prognozių kokybę. Pirmoji – teleskopo išradimas ir pritaikymas kosmoso stebėjimams XVII a. pradžioje. Antroji – spektrografų bei fotografijos išradimas ir šių prietaisų sujungimas su teleskopais XIX a. antroje pusėje. Trečioji – kosminiai teleskopai. 
Astronomijos istorijoje galima išskirti keletą revoliucijų, kurios visiškai pakeitė šio mokslo pobūdį, gaunamų rezultatų apimtį ir tikslumą, ir prognozių kokybę. Pirmoji – teleskopo išradimas ir pritaikymas kosmoso stebėjimams XVII a. pradžioje. Antroji – spektrografų bei fotografijos išradimas ir šių prietaisų sujungimas su teleskopais XIX a. antroje pusėje. Trečioji – kosminiai teleskopai.
Žemės atmosfera praleidžia tik regimuosius, truputį infraraudonųjų bei radijo spindulius (ir tuos ne visus), taigi iki pakeliant teleskopus į orbitą, nežinojome visiškai nieko nei apie ultravioletinę, nei juo labiau apie rentgeno ar gama spinduliuotę, atkeliaujančią iš kosmoso.
Pirmieji teleskopai į kosmosą pakilo septintojo dešimtmečio pabaigoje – OAO-2 misija keletą metų stebėjo kosmosą ultravioletiniame diapazone. Paaiškėjus tokių prietaisų naudai, misijų suplanuota vis daugiau; 1990-aisiais pakilo garsusis „Hubble“, kuris veikia iki šiol. Turime ir keletą kitų panašiai ilgaamžių teleskopų.
Dabar naujus astronominių žinių klodus atverčia „James Webb“. O kaip atrodys kosminės observatorijos ateityje? Planų esama įvairių, o kai kurie atrodo visiškai kitaip, nei dabartiniai kosminiai teleskopai. Su jais ir kviečiu susipažinti.
Dvi galimos „Habitable Worlds Observatory“, planuojamos NASA misijos, kuri turėtų transformuoti kosmoso tyrimus panašiai, kaip Hubble ir James Webb teleskopai, konfigūracijos. Šaltinis: NASA’s Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
Šį pažintinį straipsnį parašiau, nes turiu daug dosnių rėmėjų „Contribee“ platformoje. Ačiū jums! Jei manote, kad mano tekstai verti reguliarios paramos, kviečiu prie jų prisijungti.
Orbitoje montuojami teleskopai
Didžiausias šiandieninis kosminis teleskopas yra „James Webb“, kurio pagrindinio veidrodžio skersmuo siekia 6,5 metro, o plotas – apie 25 kvadratinius metrus. Kuo didesnis veidrodžio skersmuo, tuo geriau teleskopu galima išskirti smulkius objektus (gerėja erdvinė skyra), o kuo didesnis plotas, tuo geriau matyti blausūs objektai (gerėja jautrumas). Tuo pačiu, didėjant teleskopo gabaritams, gausėja ir problemų pakeliant jį į kosmosą. Šios problemos neapsiriboja mase ir reikalingu kuro kiekiu ar raketos galingumu: per dideli teleskopai paprasčiausiai netelpa į raketos krovinių skyrių. Štai europietiška „Ariane 5“ raketos, skraidinusios „James Webb“ teleskopą, išorinis skersmuo yra apie 5,4 metro, o krovinių skyriaus vidinis – 4,57 metro. Tam, kad ten tilptų Webb’as, teleskopas turėjo būti labai glaustai sulankstytas.
„James Webb“ teleskopas, sulankstytas ir paruoštas talpinimui į „Ariane 5“. Šaltinis: NASA/Chris Gunn
Ateityje vien sulankstymo greičiausiai nebepakaks. Net naudojant pažangius, origami paremtus, metodus, prietaisų neįmanoma sumažinti neribotai. Norėdami pasiekti, kad kosmose atsidurtų dešimties ar kelių dešimčių metrų skersmens veidrodžius turinčios observatorijos, astronomai ir inžinieriai turės imtis radikaliai kitokio žingsnio: orbitinio montavimo.
Idėja čia visiškai paprasta: teleskopas į orbitą gabenamas dalimis, keliais skrydžiais, o jos sujungiamos jau kosmose. Ir ji, iš esmės, jau buvo pritaikyta: Tarptautinė kosminė stotis (TKS) sumontuota kosmose pradedant 1998 metais, Hubble’ą penkis kartus papildė ir pataisė aptarnavimo misijos, pirmoji dar 1993 metais. Visų jų bendras bruožas – šias misijas vykdė žmonės. Kalbant apie ateities teleskopų montavimą, dažniausiai dėmesys skiriamas autonominiams – robotiniams – sprendimams. Nenuostabu, kad iš principo toks teleskopų parengimas turi daug privalumų. Pirmasis ir pagrindinis, aišku, yra galimybė kosmose turėti didesnes observatorijas. Taip pat tai galimai leistų atpiginti ir dabartinio dydžio observatorijų projektus, nes nebūtų būtina sugalvoti, kaip jas sulankstyti, kad tilptų į vieną raketą. Be to, sumažintų tam tikras projekto rizikas, nes robotinė įranga, reikalinga observatorijai sumontuoti, vėliau galėtų būti pritaikyta ir jai suremontuoti. Ir ne tik remontuoti – tai padidintų galimybes observatorijas atnaujinti, panašiai kaip aptarnavimo misijų metu atnaujintas Hubble’as.
Astronautė Kathryn Thornton taiso Hubble’ą pirmosios aptarnavimo misijos metu. Šaltinis: NASA
Savaime suprantama, yra ir naujų pavojų. Robotinių sistemų patikimumas, navigacijos ir logistikos iššūkiai, galų gale paprasčiausias montavimas orbitoje – viskas yra rizikinga. NASA per pastarąjį dešimtmetį skyrė šiek tiek finansavimo šių technologijų vystymui, tačiau panašu, kad rezultatai kol kas agentūros netenkina. Šiuo metu planuojamas milžiniškas kosminis teleskopas, Gyvybingų pasaulių observatorija (Habitable Worlds Observatory, HWO), nors turėtų turėti keliolikos metrų skersmens pagrindinį veidrodį, turbūt bus skraidinamas vienu kartu, naujos kartos didžiule raketa, tokia kaip „Starship“.
Neabejoju, jog dar šiame amžiuje pamatysime teleskopų, kuriuos orbitoje surinkinės robotai. Bet turbūt, kad tai nutiktų, pirmiausia reikės daug plačiau išvystytos orbitinės infrastruktūros: kosminių stočių, reguliarių erdvėlaivių skrydžių, gamyklų, gal netgi asteroidų kasyklų… Visa tai suteiks labai reikalingos patirties, kurią bus galima pritaikyti ir savaip išskirtiniams kosminių teleskopų projektams.
Teleskopo veidrodžio montavimas iš šešiakampių segmentų. Dailininko vizualizacija. Šaltinis: JPL/NASA
Teleskopų ir detektorių „žvaigždynai“
2019 metais paskelbta pirmoji juodosios skylės šešėlio nuotrauka. Taikiniu pasirinkta galaktika M87 ir jos centre esantis šešių milijardų Saulės masių monstras. Kad pasiektų reikalingą erdvinę skyrą, mokslininkai apjungė radijo teleskopus visame pasaulyje: Europoje, Šiaurės ir Pietų Amerikoje, Havajuose ir net Antarktidoje. Toks metodas, vadinamas interferometrija, suteikia tokią erdvinę skyrą, tarsi teleskopo pagrindinio veidrodžio dydis būtų lygus atstumui tarp apjungtų teleskopų. Kitaip tariant, šis teleskopų junginys, pavadintas Įvykių horizonto teleskopu (EHT), veikė tarsi vienas Žemės dydžio radijo imtuvas (na, ne visai, bet kol kas tokio palyginimo užteks).
Įvykių horizonto teleskopas – aštuonių teleskopų tinklas, išdėstytas keturiuose (penkiuose?) žemynuose. Šaltinis: Event Horizon Telescope Collaboration / Astrophysical Journal Letters, 875(2019) L1
Dar po trejų metų EHT paskelbė ir mūsų Galaktikos centrinės juodosios skylės, Šaulio A*, nuotrauką. Nuo tada buvo dar keletas reikšmingų rezultatų, kuriais šie du atvaizdai pagerinti, prijungta daugiau informacijos apie spinduliuotės poliarizaciją (kuri parodo magnetinių laukų išsidėstymą). Bet naujų juodųjų skylių šešėlių neišvydome. Kodėl? Tikrai ne dėl to, kad astronomai nenorėtų ar kad neturėjo laiko. Tiesiog net ir Žemės dydžio teleskopo nepakanka norint išskirti kitus objektus. Šaulio A* įvykių horizontas mūsų danguje užima 54 lanko mikrosekundes (35 milijonus kartų mažiau, nei Mėnulio pilnatis), M87* – 38. Trečia didžiausia pagal šį parametrą juodoji skylė yra galaktikoje IC 1459, jos skersmuo – mažiau nei devynios mikrosekundės. Dabartinė EHT konfigūracija pasiekia 20 mikrosekundžių skyrą. Pridėjus dar keletą antžeminių teleskopų, galbūt pavyktų išspausti 14 mikrosekundžių, bet tai – jau fundamentali riba. Tolesnis žingsnis – kosmosas.
Prie Žemėje esančių teleskopų tinklo prijungus vieną ar kelis kosminius teleskopus, būtų pasiekiami net keli proveržiai. Pirmasis – jau minėtas erdvinės skyros padidinimas. Net ir geostacionarioje orbitoje „pakabintas“ palydovas prie maksimalių 12 tūkstančių kilometrų, skiriančių teleskopus Žemėje, pridėtų bent 30 tūkstančių. Skrajojantis toliau, o tai tikrai įmanoma, galėtų šį „pagrindą“ (angl. „baseline“) ištempti iki šimtų tūkstančių ar milijonų kilometrų. Antrasis – stebėjimo linijų pagausėjimas. Tam, kad šitai suprastume, verta pirmiausia pagalvoti apie interferometrą, sudarytą iš dviejų teleskopų. Jis gerą skyrą pasiekia tik kryptimi, lygiagrečia linijai, jungiančiai teleskopus; galima įsivaizduoti, kad virtualusis didysis teleskopas yra ne apvalus, o pailgas kaip siūlas. Trijų teleskopų interferometre siūlai atsiranda trys (kiekvienos poros jungtys), keturių – šeši, penkių – dešimt ir taip toliau. Pridėjus tai, kad Žemė sukasi aplink savo ašį, per vieną naktį keliolikos teleskopų tinklas gali padaryti stebėjimų šimtais krypčių. Bet visgi tai dar toli iki vientiso vaizdo, todėl surinktus duomenis reikia labai išmaniai apdoroti, kad būtų atkurtas vaizdas, kokį matytume realybėje. Orbitinis teleskopas nuolatos judėtų kitų atžvilgiu, tad ir jo sudaromos linijos nuolat keistųsi. Taip stebėjimai galėtų padengti praktiškai visą jų aibę ir sukurti pilnutinį atvaizdą.
M87* ir dvylikos kitų supermasyvių juodųjų skylių šešėlių dydžių palyginimas. Šaltinis: Zhang et al. (2024), arXiv:2406.17754
Abiem aukščiau įvardintiems pasiekimams pakaktų vos vieno teleskopo. Tokią idėją, pavadintą „Juodųjų skylių tyrinėtoju“ („Black Hole Explorer“, BHEX) vystantys mokslininkai tiki, kad tinkamą kosminį teleskopą būtų galima paleisti per artimiausią dešimtmetį. Jis leistų daug geriau pažvelgti į jau stebėtas juodąsias skyles bei pamatyti dar dešimties kitų šešėlius
Bet sustoti čia nebūtina. Turint vieną teleskopą kosmose, prie jo interferometriškai prijungti galima ir daugiau. Jie gali būti visi vienodi – tai gerokai atpigintų misijos kaštus – ir skraidyti įvairiomis orbitomis, sukurdami milijonų kilometrų ilgio pagrindus. Tada atsivertų dar viena galimybė: stebėti dangų žemesnio dažnio ruože, nei praleidžia Žemės atmosfera. Apie šią problemą rašiau ankstesniame straipsnyje, kur pristatinėjau idėją žemo dažnio radijo observatoriją įrengti Mėnulyje.
Kosmose interferometriniu principu veikianti tokia observatorija galėtų pasiekti beprecedentę raišką. Ji būtų naudinga ne tik (ar ne tiek) juodųjų skylių tyrimams, nes juos galima daryti ir aukštuose dažniuose. Ji leistų tyrinėti tiek ypatingai jaunos Visatos savybes, tiek labai mažų kūnų radijo spinduliuotę, pavyzdžiui egzoplanetų magnetosferas. Idėjos vystytojų teigimu, norimiems rezultatams pasiekti net nereikėtų didelių teleskopų: stebėjimus sėkmingai galėtų vykdyti mažiau nei pusmetrio ilgio palydovai-kubiukai, nes pagrindinis kriterijus yra tas, kad jų turi būti daug, geriausia – dešimtys tūkstančių. Jų surenkamus duomenis vietoje apdorotų keli didesni, kelių metrų dydžio, palydovai, kurie retransliuotų išvalytą informaciją į Žemę. Šiai idėjai, pavadintai „GO-LoW“ (Great Observatory for Long Wavelengths), NASA skyrė pirminį finansavimą, o vėliau – ir antrojo etapo, tačiau kol kas nežinia, ar ir kada ji bus parinkta įgyvendinimui.
GO-LoW spiečiaus vizualizacija. Mažieji zondai (pavaizduoti baltai) rinktų duomenis, didesnieji juos dalinai apdorotų ir siųstų lazeriniais impulsais į Žemę. Šaltinis: Mary Knapp
Kitas kosminių detektorių „žvaigždynas“, kurio paleidimas kelia mažiau abejonių, susidės vos iš trijų zondų. Jie išsidėstys lygiakraščio trikampio kampuose, o atstumai tarp jų bus po pustrečio milijono kilometrų. Laikui bėgant, atstumai palaipsniui keisis dešimčių tūkstančių kilometrų intervale, tačiau visą laiką bus išskirtinai tiksliai matuojami – pikometrų tikslumu. Bet kokie nukrypimai nuo suplanuoto kurso bus fiksuojami ir atskleis žemo dažnio gravitacinių bangų paveikslą. Kalbu, žinoma, apie kosminę gravitacinių bangų observatoriją LISA, kuri pernai oficialiai patvirtinta, o jos išskridimas planuojamas apie 2037 metus. Nurodytas atstumų matavimo tikslumas skamba stulbinančiai, tačiau tai – visiškai įmanoma: 2016-2017 metais kosmose skraidė technologijų demonstravimo misija LISA Pathfinder, kurios metu atstumas tarp dviejų laisvai skriejančių bandomųjų masių buvo matuojamas, ir palaikomas, femtometrų tikslumu. Femtometras yra tūkstantoji pikometro dalis, o pikometras – milijardoji milimetro dalis. Atomų branduoliai yra maždaug pikometrų dydžio, patys atomai – bent dešimtis kartų didesni. Šiandieniniai gravitacinių bangų detektoriai pasiekia dar aukštesnį atstumų matavimo tikslumą, tačiau ir jų matuojami atstumai daug mažesni, apie kelis kilometrus. LISA leis tirti daug didesnio ilgio, taigi žemesnio dažnio, gravitacines bangas, kurias skleidžia dideli objektai, pavyzdžiui supermasyvios juodosios skylės.
LISA zondų konfigūracijos schema. Trys zondai lazerio signalais labai tiksliai matuos tarpusavio atstumą, kad pastebėtų net menkiausius nukrypimus. Šaltinis: NASA
Skrydis į tolybes, kad pažiūrėtume dar toliau?
Pabaigai verta prisiminti dar vieną, tikrai įspūdingą idėją. Tiesa, jos įgyvendinimo žmonijai teks laukti daug ilgiau, nei aukščiau aprašytųjų, gal net kelis šimtmečius. Ne todėl, kad ji remtųsi hipotetiniais fizikos dėsniais ar reikalautų neįmanomai aukštos kokybės teleskopo įrangos. Tiesiog nuskraidinti teleskopą į paskirties vietą bus didžiulis inžinerinis iššūkis. Jis galbūt pareikalaus visai naujų raketų varymo technologijų, taip pat didžiulės pažangos autonominiame erdvėlaivių valdyme. Kalbu apie Saulės gravitacinį teleskopą.
Kas tai per dalykas? Koncepcija – paprasta. Kiekvienas objektas iškreipia aplink save erdvę, todėl šviesos spinduliai, lėkdami pro šalį, irgi užlinksta. Dėl šio efekto sferiniai kūnai veikia tarsi lęšiai ir sutelkia praeinančius spindulius į vieną tašką tam tikru atstumu. Saulei šis atstumas yra maždaug 550 astronominių vienetų – 550 kartų toliau, nei Žemė, arba 27 kartus toliau, nei Neptūnas. Ir maždaug trigubai toliau, nei šiuo metu yra Voyager 1, toliausiai nuskridęs žmonių sukurtas prietaisas. Jei ten nuskraidintume teleskopą, žiūrėdami į Saulę aplink ją galbūt matytume siaurą spinduliuotės žiedą – kokių nors tolimų šaltinių šviesą, suspaustą ir iškreiptą, tačiau kartu gerokai padidintą ir paryškintą. Taip galėtume pamatyti tų pačių juodųjų skylių įvykių horizontų prieigas regimojoje šviesoje, sudaryti egzoplanetų žemėlapius ir dar daug ką.
Plačiau apie tokį teleskopą – tiek gravitacinio lęšiavimo fiziką, tiek observatorijos projekto realistiškumą – rašiau prieš pustrečių metų.
