Журнал «Вокруг Света» №12 за 2007 год - Вокруг Света

В погоне за вспышкой

26 сентября 2006 года космический гамма-телескоп SWIFT зарегистрировал чрезвычайно далекую вспышку жесткого излучения. Через несколько секунд в центре обработки данных NASA получили и обработали сигнал. Приблизительные координаты источника появились на сайте и были разосланы во все заинтересованные организации мира. Сотрудники Лаборатории релятивистской астрофизики Государственного астрономического института им. Штернберга (ГАИШ) в Москве получили сообщение среди ночи по СМС. И одновременно по мобильному интернету (кабель был в течение всего года поврежден) извещение поступило в подмосковную деревню, где расположен робот-телескоп МАСТЕР. Он немедленно прервал текущую программу наблюдений и стал наводиться в точку с указанными координатами. Еще несколько лет назад такая оперативность в астрономических наблюдениях была просто немыслимой.

Прошло всего 76 секунд, а робот-телескоп уже начал первую из серии 30-секундных экспозиций, на которых видно, как постепенно гаснет едва различимое пятнышко — оптическое излучение колоссального взрыва на краю Вселенной, в 11 миллиардах световых лет от Земли. Через несколько минут свечению предстояло исчезнуть, во всяком случае, так всегда бывало раньше. Но вместо этого на пятой минуте оно стало разгораться снова и, достигнув максимума на десятой минуте, окончательно угасло только через час. Незначительная, казалось бы, аномалия заставила астрофизиков ГАИШ несколько месяцев ломать голову. В конце концов объяснить странную вспышку удалось, только предположив, что на месте взрыва образовалась вращающаяся черная дыра . Если эта гипотеза получит поддержку научного сообщества (а вскоре была зарегистрирована еще одна подобная вспышка), можно будет говорить о совершенно новом способе подтверждения существования черных дыр. Но все это было бы невозможно, если бы не поразительная слаженность работы наблюдательной техники. Только благодаря телескопам-роботам мы можем сегодня изучать столь быстротечные небесные явления, которые на профессиональном жаргоне называют транзиентами.

Оптическая вспышка на месте гамма-всплеска 26 сентября 2006 года была зарегистрирована на пределе чувствительности телескопа МАСТЕР. После начального спада на 400-й секунде блеск стал нарастать, по-видимому, за счет излучения вещества, находящегося в эргосфере только что образовавшейся черной дыры

 Затяжной прыжок в черную дыру

Известно, что при коллапсе массивной звезды образуется черная дыра — сферическая область пространства-времени, окруженная горизонтом событий, из-под которого ничто не может выйти наружу. Но если исходная звезда вращалась, возникшая черная дыра устроена сложнее: горизонт у нее поменьше, зато его, подобно белку вокруг яичного желтка, окружает особая область — эргосфера, в которой само пространство вращается и увлекает за собой любые объекты. Остановиться здесь нельзя никакими силами, но вот выбраться при некотором везении возможно. Если скорость вращения коллапсирующей звезды очень велика, вещество не может сразу уйти под горизонт и «зависает» в эргосфере, пока не потеряет из-за газодинамического трения лишнюю энергию. При этом оно разогревается до чудовищной температуры и интенсивно излучает. Именно этим астрофизики ГАИШ объясняют редкие случаи затянувшегося оптического свечения гамма-всплесков. В январе 2007 года было зарегистрировано еще одно такое событие, где коллапсирущее вещество получило «отсрочку приговора» на целых пять часов. Излучение в это время приходит к нам из области, которая по размерам даже меньше обычного гравитационного радиуса (горизонт у вращающейся черной дыры меньше, чем у обычной). Из-за огромного гравитационного поля время здесь замедляется в 10— 15 раз. Нигде больше во Вселенной мы не наблюдаем процессов, происходящих в условиях столь сильно выраженных эффектов общей теории относительности.

Наблюдательные «малыши»

Приемником излучения нового поколения стали полупроводниковые ПЗС-матрицы — приборы с зарядовой связью, или, как иногда более удачно расшифровывают эту аббревиатуру, пропорциональные зарядовые счетчики. В каждой из миллионов ячеек на поверхности ПЗС-матрицы под действием света накапливается заряд, пропорциональный количеству попавшего в эту ячейку излучения. Хорошая матрица регистрирует до 90% собранного телескопом света — почти на два порядка больше, чем фотопластинка. Соответственно и экспозицию можно сократить в десятки раз.

У робота-телескопа МАСТЕР четыре трубы: основная (35 см) регистрирует звезды до 19— 20m, остальные параллельно ведут съемку с различными фильтрами, но могут уловить только яркие объекты

Телескоп МАСТЕР, который зарегистрировал описанную вначале удивительную вспышку, имеет диаметр всего 35 сантиметров — у иных любителей астрономии есть инструменты покрупнее, — но на нем установлена вполне профессиональная охлаждаемая с помощью элементов Пельтье 16-мегапиксельная ПЗС-матрица. Объекты до 19-й звездной величины она регистрирует всего за 30—45 секунд. (Невооруженным глазом видны звезды до шестой величины — 6m. Каждые следующие пять звездных величин соответствуют ослаблению блеска в 100 раз.) Еще полминуты уходит на загрузку изображения в память компьютера. За ночь МАСТЕР делает сотни снимков, каждый из которых покрывает поле 2,4х2,4 градуса и «весит» около 60 мегабайт.

Но для того чтобы робот «увидел» интересный новый объект, мало того, что он будет в кадре, надо еще найти его на снимке и определить координаты. Первоначально предполагалось, что можно просто вычесть два снимка, сделанных в разное время, чтобы автоматически выявить новые и исчезнувшие объекты. Но это не сработало: слишком велики оказались различия между кадрами. На изображение влияет температура, состояние атмосферы, переменность звезд, шумы и неоднородности матрицы, наконец, то, как та или иная звезда легла на сетку пикселей ПЗС.

Пришлось заниматься поштучным распознаванием всех видимых на снимке звезд, а их обычно бывает 10—15 тысяч. Тут-то и понадобился мощный процессор с большим объемом памяти, куда для быстроты обработки загружаются данные всех доступных каталогов звезд и галактик. Первым делом программа определяет блеск и взаимное расположение всех звезд на снимке, а затем начинает искать по каталогу участок неба, где известные звезды образуют такую же конфигурацию. Чем больше звезд — тем труднее задача. Вблизи Млечного Пути в кадр попадает более ста тысяч звезд, и такие участки приходится пока обходить — их просто не успеть обработать за те 1,5 минуты, пока телескоп делает следующий снимок.

Когда звезды распознаны, среди них непременно обнаруживаются сотни объектов, которые не удается отождествить по каталогу. Часть из них оказывается астероидами — это тоже проверяется по базе данных, в которой зарегистрировано около 160 тысяч малых планет. Оставшиеся «лишние» точки — это, по большей части, не новые объекты, а дефекты изображения. Привлекать к ним внимание астрономов еще рано. Робот должен снова сфотографировать ту же область неба, и только сохранившиеся на повторном кадре «неопознанные объекты» могут считаться реально существующими на небе.

Современная астрономическая ПЗС-матрица. Небольшие сегменты используются для гидирования телескопа (отслеживания движения неба). На крупных инструментах они управляют еще и адаптивной оптикой

Сетчатка есть, хрусталик не нужен

ПЗС-матрица — это плоский кремниевый кристалл, поверхность которого разбита на миллионы мельчайших клеточек. Каждая из них — ловушка для электронов, выбиваемых светом из кристалла. Вертикальные линейки сетки образованы внедренной в кристалл примесью, которая препятствует поперечному дрейфу электронов. А от продольных смещений их удерживает электрическое поле тонких горизонтальных электродов из прозрачного поликристаллического кремния, нанесенных на поверхность матрицы. Они создают множество потенциальных ям, в которых накапливаются электроны. После экспозиции напряжение на электродах начинает волнообразно меняться, смещая накопленные заряды к краю матрицы, где их величина строчка за строчкой измеряется и заносится в память. При избытке света некоторые электронные ловушки переполняются и заряд перетекает в соседние. Этот эффект называется блюмингом. Для борьбы с ним на ПЗС могут быть предусмотрены специальные «сточные канавы», но это снижает разрешение и чувствительность матрицы. Из-за тепловых флуктуаций электроны могут появляться в ловушках и без воздействия света. Для снижения этого шума матрицу охлаждают на десятки и даже сотни градусов. Наблюдениям мешают и сами управляющие электроды — они поглощают синий свет и ультрафиолет. С этим справляются, сошлифовав кремниевый кристалл до толщины 10—20 микрон и нанеся электроды с тыльной стороны. Стоимость таких астрономических матриц, понятное дело, тоже астрономическая.