Космічний телескоп Nancy Grace Roman, за даними SciTechDaily, уже працює на орбіті та проходить випробування. Одна з його головних місій — протестувати нові технології прямого спостереження екзопланет, які мають зробити видимими надзвичайно тьмяні світи поруч із дуже яскравими зорями.
Планета, що обертається близько до далекої зорі, майже непомітна: відбите нею світло губиться у засліплюючому сяйві зорі. Roman має перевірити підхід, що дозволяє «відсікти» це зоряне світло й виокремити слабкий сигнал від планети.
Коронограф і хвильовий фронт: як CGI приборкує сяйво зірок
Коронографічний інструмент телескопа, або CGI (Coronagraph Instrument), поєднує вдосконалений коронограф із активним керуванням хвильовим фронтом. У ньому застосовуються деформівні дзеркала, які коригують найменші оптичні похибки та пригнічують розсіяне світло зорі.
Якщо все запрацює, як заплановано, астрономи зможуть безпосередньо знімати та вивчати газові гіганти, що старші, холодніші й розташовані ближче до своїх зірок, ніж молоді гарячі планети, які зазвичай вдається напряму зображати нині.
Олівер Краузе (Oliver Krause), керівник Групи інфрачервоної космічної астрономії в Інституті астрономії Макса Планка (MPIA) в Гайдельберзі, називає CGI «найтехнічно складнішим пристроєм для оптичних спостережень, який коли-небудь працював у космосі для наукових досліджень».
Довга місія на орбіті Лагранжа
Roman стартував із Космічного центру Кеннеді на ракеті Falcon Heavy компанії SpaceX 30 серпня 2026 року після приблизно десятирічного етапу створення. Початкова місія розрахована на п’ять років із можливістю продовження ще на п’ять, однак завдяки дуже точному запуску та ранній корекції траєкторії NASA оцінює, що запас палива може дозволити щонайменше 22 роки наукових спостережень.
Телескоп має досліджувати історію Всесвіту, роль темної матерії й темної енергії в космічному розширенні та формуванні великомасштабної структури.
Зараз Roman прямує до своєї робочої орбіти навколо точки Лагранжа L2 системи Сонце — Земля, приблизно за 1,5 мільйона кілометрів від нашої планети. Прибуття до цієї області очікується на початку грудня.
Після запуску інженери успішно ввімкнули CGI та провели початкову перевірку його програм, камер, механізмів, систем терморегулювання та інших вузлів. Тепер інструмент проходить багатомісячне калібрування і тестування, перш ніж почнуться повноцінні наукові спостереження.
Паралельно сам телескоп має зафіксувати велику кількість нових екзопланет, тоді як CGI зосередиться на найскладнішому завданні — розділити тьмяний планетний сигнал і засліплююче світло зорі. Успіх цієї технології може відкрити шлях до прямих знімків об’єктів, які нині майже неможливо розгледіти.
Два підходи до боротьби з зоряним відблиском
Класичний коронограф використовує спеціальні маски, що блокують яскраву зорю, роблячи помітнішими значно слабші об’єкти поруч. Однак такі маски породжують артефакти в зображенні навколо зорі. Через це цим методом зазвичай виявляли масивні газові гіганти, подібні до Юпітера, які обертаються далеко від своїх зірок, де їх легше відокремити від сяйва.
CGI додає до цього активний контроль хвильового фронту, щоб зменшити небажані ефекти та суттєво поліпшити контраст між зорею та планетою. Два деформівні дзеркала з більш ніж 1600 крихітними актуаторами на кожному можуть змінювати форму з неймовірною точністю, компенсуючи найменші оптичні дефекти та зміни.
Подібні дзеркала вже застосовують у системах адаптивної оптики наземних телескопів, але Roman вперше покаже надточний контроль хвильового фронту в космосі.
Всередині CGI маски, деформівні дзеркала та датчики працюватимуть разом, щоб максимально пригнічувати зоряне світло. Система розрахована на те, щоб виявляти планету поряд із зорею, яка яскравіша в мільярд разів — це приблизно такий самий контраст, як між Юпітером і Сонцем. Це до тисячі разів краще за можливості нинішніх інструментів.
Вбудований спектрограф дозволить аналізувати хімічний склад атмосфер цих планет. Крім того, CGI має знімати візуальні зображення навколозоряних дисків — структур із газу та пилу навколо найближчих зірок.
Надточні механізми для стабільності зображення
Щоб досягти потрібної контрастності, усі елементи оптики мають бути надзвичайно стабільними. Під керівництвом Краузе інженери та науковці MPIA спроєктували, виготовили й протестували ключові компоненти — механізми прецизійного вирівнювання PAM (Precision Alignment Mechanisms).
Ці вузли з високою точністю позиціонують оптичні елементи, як-от фільтри, коронографічні маски та дзеркала. За вісім годин спостережень PAM не повинні нахилитися більш ніж на 40 мілісекунд дуги. Для порівняння: у одному градусі 3,6 мільйона мілісекунд дуги. Така стабільність відповідає кутовому розміру людини, яка стоїть у Лос-Анджелесі, якщо дивитися на неї з Гайдельберга.
MPIA є єдиним прямим німецьким партнером NASA у проєкті CGI. Інститут також допомагає створювати програмне забезпечення для обробки технічних і наукових даних і підготовки спостережень. Програму спільної участі наукової спільноти (Community Participation Program, CPP) координує NASA, при цьому Краузе є локальним керівником проєкту, а Вольфганг Бранднер (Wolfgang Brandner) відповідає за спостереження газових гігантів у видимому діапазоні.
Під час поточної фази введення телескопа в експлуатацію учасники CPP аналізують дані, що надходять у процесі калібрування та перевірки інструментів. Завдяки розподіленій по США, Японії та Європі команді аналітики можуть працювати з інформацією у звичайні робочі години.
Після початку рутинних спостережень оброблені дані стануть одразу відкритими в Романівському науковому центрі підтримки. NASA очікує оприлюднити перші наукові знімки Roman на початку 2027 року.
Крок до прямого знімка іншої Землі
Якщо експеримент із CGI завершиться успішно, закладені в ньому технології можуть стати основою для майбутніх космічних обсерваторій, зокрема для проєкту Habitable Worlds Observatory. Це наблизить астрономів до мети — безпосередньо побачити планету, подібну до Землі, що обертається навколо іншої зорі.