Природа часто дает ученым идеи, как лучше реализовать то или иное инженерное решение. Недавно в Китае разработали и протестировали рентгеновский телескоп, который работает как глаз лобстера. «Хайтек» рассказывает, как он устроен и какие еще необычные телескопы существуют в разных странах мира.
Необычные свойства крыльев насекомых вдохновили ученых на создание антибактериальной упаковки. А носы животных подсказали, как сделать маски, которые защищают от инфекций, но при этом не мешают нормальному дыханию. Астрофизики не остались в стороне и черпают идеи из окружающего мира.
Национальная астрономическая обсерватория Китайской академии наук недавно представила первую в мире партию широкоугольных рентгеновских карт неба, снятых с помощью телескопа «Глаз лобстера» (Lobster Eye Imager for Astronomy, LEIA). Создание устройства стало возможным благодаря изучению и имитации свойств зрительной системы морских раков.
Как работает «Глаз лобстера»?
Биологи давно обнаружили, что глаза лобстера отличаются от других животных. Зрительная система этих ракообразных состоит из множества крохотных квадратных трубочек, направленных на один и тот же сферический центр. Эта структура позволяет свету, идущему в разных направлениях отражаться в трубках и собираться на сетчатке, что дает лобстеру широкое поле зрения.
Человеческие органы зрения, состоящие из изогнутых палочек и колбочек, преломляют свет, концентрируя изображение на сетчатке. Глаз лобстера отражает световые лучи, которые входят под стандартными, очень пологими углами («углами скольжения»). Согласованная система направляет все лучи, отраженные конкретным объектом (например, потенциальной добычей на дне океана), в одну и ту же фокусную точку.
Несколько десятилетий назад ученые предложили смоделировать глаз лобстера, чтобы создать телескоп для обнаружения рентгеновских лучей в космосе. Но эту идею долгое время не удавалось реализовать, пока технологии микропроцессоров не сделали имитацию органов зрения возможной.
Лаборатория рентгеновской визуализации NAOC начала исследования и разработки в области технологии рентгеновской визуализации глаз лобстера в 2010 году и 10 лет спустя представила готовое устройство.
Устройство состоит из 36 «глаз лобстера» с микропорами и 4 КМОП-датчиков с большой матрицей, которые могут работать с большим спектральным разрешением. Исследователи отмечают, что это первые сенсоры, построенные по технологии КМОП (полупроводниковая технология — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник).
По словам ученых, предыдущие рентгеновские телескопы имели поле зрения размером с Луну, как ее видно с Земли, в то время как этот телескоп-лобстер способен охватить небесную область примерно в тысячу Лун.
Во время первого запуска тестовый модуль провел в космосе всего 8 мин. Полноценный телескоп будет включать 12 таких модулей. Система будет развернута на спутнике Einstein Probe, который Китайские власти планируют запустить в конце 2023 года.
Телескопы с жидким зеркалом
Во всем мире существует множество необычных устройств, построенных для наблюдения за небом. Например, в последние десятилетия популярность приобрела концепция телескопов с жидкими зеркалами.
Подобные устройства имеют долгую, но неоднозначную историю в астрономии. Более 300 лет назад Исаак Ньютон заметил, что жидкость во вращающемся сосуде может принимать форму параболы — а именно такая поверхность должна быть у зеркала телескопа, чтобы сфокусировать свет в одной точке. В 1850 году итальянский астроном Эрнесто Капоччи доработал эту идею, но не смог построить работающую модель.
В течение оставшейся части этого десятилетия лондонский астроном Генри Ски самостоятельно исследовал эту концепцию и экспериментировал с ее созданием. Он эмигрировал в Новую Зеландию в 1860 году и опубликовал отчет о рабочем телескопе с жидким зеркалом в 1872 году. В первой половине XX века ученые пытались доработать конструкцию, но все устройства отличались низкой точностью и страдали от вибраций.
По мере развития технологий создания больших твердотельных зеркал, телескопы с жидким зеркалом потеряли популярность. Пока в 1980-х годах, ученые не начали возрождать эту технологию, устраняя ее недостатки с помощью современных технологий. С 1994 по 2002 год НАСА использовало 3-метровый телескоп с жидким зеркалом для сканирования орбиты Земли на наличие космического мусора.
Современные устройства применяют блестящую жидкую ртуть для сбора и фокусировки света. Этот металл обладает сильной отражательной способностью и остается жидкостью при комнатной температуре. И это намного дешевле, чем дорогие стеклянные зеркала.
Шлифовка зеркал в параболическую форму — трудоемкая и дорогостоящая задача. Общая стоимость телескопа с жидкой ртутью составляет около $2 млн, в то время как твердозеркальный телескоп аналогичного размера может стоить сотни миллионов долларов.
Поскольку форма телескопа с жидким зеркалом зависит от гравитации, он может указывать только прямо вверх, в зенит. Но это не такой большой недостаток, как может показаться, поскольку «верхняя точка» перемещается по ночному небу вместе с вращением Земли.
Самый крупный современный телескоп с таким зеркалом — Большой зенитный телескоп — работал в Канаде, недалеко от Ванкувера с 2003 по 2016 годы. Сейчас он выведен из эксплуатации, а зеркало размером 6 м разобрано. Предполагается, что части его конструкции будут использованы в новых устройствах. Кроме того, в конце 2022 года в высокогорной местности в Индии планируют ввести в эксплуатацию Международный телескоп с жидким зеркалом.
Радиомассив для поиска внеземного разума
Allen Telescope Array (ATA) — это первый радиотелескоп, спроектированный с нуля для использования в поиске внеземной жизни. До его создания все усилия в области обнаружения следов других цивилизаций в радиодиапазоне зависели от периодического использования антенн, построенных для обычных астрономических наблюдений.
Массив, состоящий из 42 решеток для радионаблюдений (тарелок диаметром 6,1 м), был построен в 2007 году недалеко от Сан-Франциско на средства соучредителя Microsoft Пола Аллена и бывшего технического директора этого ИТ-гиганта Натана Мирвольда. Изначально предполагалось, что телескоп будет состоять из 350 антенн, но пока на полноценную систему не хватает средств.
Идея телескопа — массив относительно небольших тарелок (антенн) с почти случайным расположением на земле, простирающийся примерно на 1 км. Такая конструкция обеспечивает очень качественную форму луча. Так называется участок неба, к сигналам от которого телескоп наиболее чувствителен. Кроме того, относительно большое количество антенн минимизирует (нежелательную) чувствительность за пределами основного луча.
Массив телескопов Аллена изначально был разработан для покрытия частот от 500 до 10 000 МГц, но сейчас модернизируется, чтобы расширить диапазон охвата до 15 ГГц, повысить чувствительность и надежность.
Конструкция антенн использует офсетную григорианскую систему. Вторичное зеркало отражает входящие радиосигналы, собранные большим (диаметром 6,1 м) первичным отражателем, обратно в антенну (скрытую от глаз тканевым кожухом), где они усиливаются и передаются в здания управления по оптоволокну. Для телескопа разработано специальной программное обеспечение, которое позволяет отбросить весь мусор и помехи и сконцентрироваться на сигналах, связанных с жизнью.
Ледяная обсерватория для поиска нейтрино
Нейтринная обсерватория IceCube, запущенная в 2010 году — первый в своем роде детектор, предназначенный для наблюдения за космосом из льдов Южного полюса. Она построена на станции Амундсена-Скотта в Антарктиде. Тысячи его датчиков расположены подо льдом самого холодного материка, покрывая общий объем в 1 км³.
Обсерватория ищет почти безмассовые субатомные частицы — нейтрино. Эти высокоэнергетические частицы помогают изучать самые опасные астрофизические события: взрывы звезд, гамма-всплески и катаклизмы с участием черных дыр и нейтронных звезд.
Обсерватория состоит из 86 кабелей, каждый из которых содержит 60 цифровых оптических модулей. Эти устройства содержат чрезвычайно чувствительные детекторы света или фотоумножители, а также мини-компьютеры, которые передают данные на поверхность. Модули крепятся к кабелям на глубине от 1 450 до 2 450 м подо льдом.
Обсерватория расположена в оптически прозрачном льду, который очень стабилен. По оценке ученых, лед на Южном полюсе движется примерно на 10 м в год как цельный кусок. Каждый день IceCube регистрирует 275 млн космических лучей и около 275 атмосферных нейтрино.
Читать далее:
Утечку газа из «Северного потока» показали из космоса
Необычные структуры нашли на границе Солнечной системы. Там побывали только «Вояджеры»