У 3 годині ранку, на прохолодній травневій ночі в Чилі, здавалося, що з найбільшим у світі цифровим фотокамерою все справно. Але раптом ситуація змінилася.
Всередині новозбудованої обсерваторії Вера С. Рубін, науковець проекту Сандрин Томас проводила тестування, коли температура камери раптово почала різко зростати. «Це виглядає погано», — подумала вона. І вона була права. Науковці терміново вимкнули телескоп.
Я приїхав через кілька годин, стомлений після перельоту, але готовий побачити цей передовий об’єкт, на який астрономи чекали більше 25 років.
Розташована на високій, плоскій горі Серро Пачон, обсерваторія Рубін була задумана ще в 1990-х роках, щоб дати астрономам безпрецедентну можливість вивчати космос у всіх вимірах. Завдяки широкому та глибокому огляду неба, Рубін може досліджувати деякі з найповільніших, найвічніших процесів у Всесвіті, такі як формування галактик і розширення космосу. Окрім цього, обсерваторія може спостерігати за найбільш швидкими та швидко зниклими явищами, такими як вибухи зірок та візити міжзоряних комет, здійснюючи картографування всього південного неба що кілька ночей.
Після запланованого 10-річного спостереження Рубін зробить 2 мільйони знімків, кожен з яких має 2,300 мегапікселів, захоплюючи більше космосу, ніж будь-який інший існуючий телескоп.
«Вперше в історії кількість каталогізованих небесних об’єктів перевершить кількість живих людей!» — написав астроном Зельйко Івезіч з Університету Вашингтона в Сіетлі у загальній статті 2019 року.
На думку Івезіча, він міг би хвилюватися, що наукові цілі проекту можуть бути досягнуті іншими телескопами, поки об’єкт будуватимуть десятиліттями. Але, за його словами, питання, на які команда намагалася дати відповіді, залишаються невирішеними. «Щоб відповісти на них, потрібен такий телескоп, як Рубін», — зазначає Івезіч. «Конкуренції немає».
У незвичному кроці, дані Рубіна будуть доступні онлайн для всіх у світі — від професійних астрономів до учнів початкових шкіл. «Це велика демократизація науки», — додає Івезіч. Сподіваються, що ці дані допоможуть розкрити fundamental таємниці Всесвіту, які не можуть бути вирішені жодним іншим способом.
Але перш ніж це сталось, Томас та її команда повинні були знову запустити камеру.
Від темної матерії до астероїдів
İдея, яка призвела до будівництва Рубіна, виникла під час нічної зміни близько 30 років тому, на сусідньому гірському хребті, що прилягає до Серро Пачон.
Це був січень 1996 року, і астроном Тоні Тайсон, колишній співробітник Bell Laboratories, разом зі своїми колегами нещодавно принесли нову цифрову камеру до 4-метрового телескопа на Серро Тололо в Чилі. Камера використовувала те, що тоді було відносно новою технологією – зарядово-cупливаючі пристрої (CCD). Ці кремнієві чіпи перетворюють частинки світла на електрони, які можна перетворити на зображення джерела світла. CCD почали використовувати в астрономії у 1970-х роках і швидко стали стандартом галузі, замінюючи повільні й громіздкі фотопластини.
Камера Тайсона, найпотужніша на той час, складалася з чотирьох CCD. Він і колега Гері Бернштейн створили її для картографування темної матерії, загадкової субстанції, яка вважається такою, що складає 80% усієї матерії у Всесвіті. Астрономи не знають, що це таке, але через його гравітаційні ефекти на звичайну матерію, вони майже впевнені, що воно присутнє.
Один з таких ефектів був виявлений у 1970-х роках астрономом Вера Рубін — нова обсерваторія носитиме її ім’я. Основуючись на видимій матерії галактики, можна було б очікувати, що зорі обертаються повільніше, ближче до краю диска, як це роблять планети в Сонячній системі. Натомість Рубін і її колега Кент Форд помітили, що зорі на краю обертаються навколо галактичного центру настільки швидко, що, здається, їх мали би відкинути у космос. Найкраще пояснення полягало в тому, що деяка інша, невидима матерія, тримає галактики разом.
Є ще один спосіб, яким темна матерія може дати знати про свою присутність. Матерія викривлює тканину простору-часу, і це змінює шлях світла, коли воно швидко рухається всесвітом. Згустки темної матерії можуть, отже, спотворювати зображення видимих об’єктів на фоні. Цей ефект, названий слабким лінзуванням, є єдиним способом «зважити» розподіл темної матерії у всесвіті, каже Тайсон.
Цим Тайсон прибув до Чилі. Але одного разу, поки він, Бернштейн та інші астрономи сиділи в кімнаті управління телескопом, Тайсон зрозумів, що «ми можемо зробити краще, ніж це». Вони могли, в принципі, створити більший «квілт» з CCD, щоб побудувати набагато потужніший телескоп. Комп’ютери ставали кращими та швидшими, тому вони могли впоратися з потоком даних, які збиратиме такий телескоп. Усе, що їм потрібно було, — це кілька технічних покращень.
Тайсон вирішив зробити цю нову обсерваторію своїм головним проектом. Він терміново подав пропозицію до 2000 року, в Десятирічний звіт з астрономії та астрофізики, списку основних місій з фінансування, які астрономи вважають гідними державної підтримки. Його проект мав проводити огляд усього неба в пошуках слабо лінзованих об’єктів та картографувати всю темну матерію, яку ми можемо виявити.
«Я назвав його телескопом темної матерії, бо це те, що я хотів робити», — зазначає він. «Але, можливо, вміло, на останній сторінці я вставив малюнок астероїда, що загрожує Землі».
Адже такий телескоп міг би робити значно більше, ніж просто картографувати темну матерію. Достатньо великої цифрової камери в поєднанні з ширококутним телескопом, щоб також «зробити унікальні кроки у сфері… речей, які рухаються та вибухають», говорить Тайсон. Це включає астероїди, а також пульсуючі зірки, голодні чорні діри та будь-які зірки, які стануть жертвами, підійшовши занадто близько до них. Такий телескоп міг би картографувати мільйони об’єктів у нашій сонячній системі, а також мільйони наднових і мільярди галактик. Він міг би допомогти відповісти на питання, на які астрономи навіть не знали, що треба задавати тоді.
Ця перша пропозиція не була обрана, але астрономічна спільнота оцінила її достатньо високо, тому Тайсон та колеги вважали, що варто продовжити. Початкове фінансування з Bell Labs, а також подарунок у 20 мільйонів доларів від колишнього розробника Microsoft Чарльза Сімоні, 10 мільйонів доларів від Білла Гейтса та підтримка Національного наукового фонду та Міністерства енергетики США допомогли їм розпочати розробку та виготовлення компонентів.
У 2010 році проект отримав найвищу оцінку в десятирічному звіті, поставивши підґрунтя для повного фінансування під керівництвом NSF та DOE. Спочатку команда назвала інструмент, який стане основою обсерваторії, Великим синоптичним телескопом: телескопом, що отримає величезну картину.
Дзеркала «з веселого дому»
Вірно стосовно тієї назви проекту, обсерваторія має тепер найбільшу цифрову камеру, яку коли-небудь було побудовано. Вона важить близько 3,000 кілограмів і має ширину 1.65 метра, вона більша в поперечнику, ніж мій зріст. Вона складається з 189 окремих CCD, які доставляють свої дані протягом кількох секунд після зйомки. Її датчик має приблизно таку ж кількість пікселів, як 260 камер смартфонів.
Крім вимог до установки рекордної камери, наукові цілі обсерваторії визначали її форму та структуру. Потрібен огляд, який буде широким, швидким та глибоким одночасно? Існує лише кілька способів побудувати інструмент для цього. Наприклад, щоб покрити все небо кожні три або чотири ночі, кожен знімок повинен включати площу, що дорівнює 45 повним місяцям, без розмиття на краях. Тому Рубіну потрібен величезний, незвичайний набір дзеркал.
Телескоп Рубіна починається так само, як більшість з них: первинне дзеркало шириною 8.4 метра збирає величезну кількість світла в кожному експозиції. Це дзеркало відбиває світло на вторинне дзеркало. На даний момент, вторинне дзеркало Рубіна є найбільшим у світі, його ширина 3.5 метра.
Зазвичай, вторинне дзеркало фокусується на камеру або детектори. Але навіть коли дзеркала ідеально сконструйовані, природа оптики означає, що об’єкти, які не знаходяться прямо в центрі видимості телескопа, можуть виглядати розмитими або спотвореними, створюючи властивості, які називаються абераціями.
Щоб виправити ці аберації, Рубін використовує третє дзеркало. У незвичній установці, третє дзеркало виготовлене з того ж шматка скла, що й перше, у формі 5-метрового тарілки з більшою кривизною у внутрішній частині первинного дзеркала. Це економить простір і робить телескоп простішим для вирівнювання, говорить Томас, оскільки два з дзеркал ніколи не можуть вийти з вирівнювання.
Коли світло доходить до цифрової камери, яка має розміри автомобіля та підвішена посеред вторинного дзеркала, кожна точка світла в усьому полі зору виглядає гостро, як голка.
Щоб зловити якомога більше тьмяних об’єктів, телескоп має лише п’ять секунд між знімками, щоб перейти до нового місця в небі. У звичайну ніч у кімнаті управління чується клацання затвора кожні 30–50 секунд, протягом всієї ночі. Томас вважає цей звук заспокійливим. «Коли нічого не чутно, це означає, що щось може бути не так».
Швидкість отримання знімків зберегла телескоп на землі — космічні телескопи не можуть рухатися достатньо швидко. Це також означає, що після того, як телескоп повертається на нову позицію, він має зупинитися дуже точно, тому велика установка є дуже компактною.
«Якщо ти рухаєшся, ти отримаєш розмитий знімок», — каже Томас. «Легко уявити, якщо у тебе довгий телескоп і ти його зрушуєш, він трястиметься».
Розташування Рубіна на Землі також має велике значення. Серро Пачон — це високий та сухий район, далекий від яскравих вогнів міст, що робить його ідеальним місцем для побудови такої чутливої обсерваторії.
Щоб дістатися до Серро Пачон у травні, мені довелося здійснити нічний рейс з Нью-Йорка до Сантьяго, а потім другий рейс до прибережного міста Ла-Серена. Звідти місцевий водій, обізнаний з звивистими та запилюженими важкодоступними дорогами, доставив мене та трьох інших журналістів у глиняні гори. Під час поїздки, що викликала закладання вух, я спостерігав за лінією куполів телескопів, які мерехтіли вдалині. Я не міг стримувати свою посмішку.
Коли я опинився на схилі, повітря було настільки сухим, що я відчував, як воно пересушує мої ніздрі та горло, і настільки чистим, що я міг бачити на милі в усі боки. Крім інших телескопів та тимчасових будівель, встановлених на підтримку працівників, магістральними дісом були тільки камені та чагарники, з рідкісними дикими кіньми або віслачами, місцевими гризунами, яких описала Томас як великих вухастих звірят з хвостами, схожими на білок.
Обсерваторія все ще була активним будівельним майданчиком, тому ми всі повинні були носити жовті світловідбиваючі жилети та каски, коли гуляли навколо. Деякі члени команди на вершині гори прикрасили свої каски стікерами, включаючи індивідуально виготовлені зображення людського прототипу об’єкта, Вери Рубін.
Протягом майже року, плануючи цей візит, я сподівався побачити величезний телескоп в дії. Команда відкрила затвор камери до неба і впустила його перші фотони близько місяця тому, і він слухняно збирав дані кожну ніч з тих пір. Ідея полягала в тому, щоб я та інші журналісти спостерігали, як телескоп робить деякі зі своїх перших повних знімків.
Але коли я прибув, минуло лише вісім годин з моменту, коли Томас обмінювалася напруженими повідомленнями з командою камери і з упевненістю вимкнула телескоп. Коли Томас провела мені екскурсію обсерваторією, будівля залишалася нерухомою, спрямованою на горизонт. Ми пройшли повз команду камери на каркасному переході на шляху до купола.
«Моя камера вже рухається?» — запитала Томас команду радісно. «Змушуйте її працювати!» Вона повернулася до мене. «Ми намагаємося бути позитивними, але всі ми дуже засмучені».
Срібною підкладкою стало те, що я мав відмінний вид на незвичайне первинне дзеркало. Дивитися в нього було як дивитися на відображення у весело́му домі. Смуги світла та темряви, відображені від купола та інших частин телескопа, виглядали практично прямими в зовнішній частині дзеркала, але спотвореними та нахиленими в внутрішній частині. Я хитався вперед і назад, а потім присів і повільно підвівся, щоб побачити, як змінюються форми. Це було запаморочливо.