Природа часто дає вченим ідеї, як краще реалізувати те чи інше інженерне рішення. Нещодавно в Китаї розробили і протестували рентгенівський телескоп, який працює як око лобстера. Розповідаємо, як він влаштований і які ще незвичайні телескопи існують в різних країнах світу.
Незвичайні властивості крил комах надихнули вчених на створення антибактеріальної упаковки. А носи тварин підказали, як зробити маски, які захищають від інфекцій, але при цьому не заважають нормальному диханню. Астрофізики не залишилися осторонь і черпають ідеї з навколишнього світу. Національна астрономічна обсерваторія Китайської академії наук нещодавно представила першу в світі партію ширококутних рентгенівських карт неба, знятих за допомогою телескопа «око лобстера» (Lobster Eye Imager for Astronomy, LEIA). Створення пристрою стало можливим завдяки вивченню і імітації властивостей зорової системи морських раків.
Як працює «око Омара»
Біологи давно виявили, що очі лобстера відрізняються від інших тварин. Зорова система цих ракоподібних складається з безлічі крихітних квадратних трубочок, спрямованих на один і той же сферичний центр. Ця структура дозволяє світлу, що йде в різних напрямках відбиватися в трубках і збиратися на сітківці, що дає лобстеру широке поле зору.
Людські органи зору, що складаються з вигнутих паличок і колбочок, заломлюють світло, концентруючи зображення на сітківці. Око лобстера відбиває світлові промені, які входять під стандартними, дуже пологими кутами («кутами ковзання»). Узгоджена система направляє всі промені, відбиті конкретним об’єктом (наприклад, потенційною здобиччю на дні океану), в одну і ту ж фокусну точку.
Кілька десятиліть тому вчені запропонували змоделювати око лобстера, щоб створити телескоп для виявлення рентгенівських променів у космосі. Але цю ідею довгий час не вдавалося реалізувати, поки технології мікропроцесорів не зробили імітацію органів зору можливою.
Лабораторія рентгенівської візуалізації NAOC розпочала дослідження та розробку технології рентгенівської візуалізації очей омарів у 2010 році та представила готовий пристрій через 10 років.
Пристрій складається з 36 «очей лобстера» з мікропорами і 4 КМОП-датчиків з великою матрицею, які можуть працювати з великим спектральним дозволом. Дослідники відзначають, що це перші сенсори, побудовані за технологією КМОП (напівпровідникова технологія — комплементарна структура метал-оксид-напівпровідник).
За словами вчених, попередні рентгенівські телескопи мали поле зору розміром з Місяць, як її видно з Землі, в той час як цей телескоп-лобстер здатний охопити небесну область приблизно в тисячу Місяців.
Під час першого запуску тестовий модуль провів у космосі всього 8 хв. Система буде розгорнута на супутнику Einstein Probe, який китайська влада планує запустити в кінці 2023 року.
Телескопи з рідким дзеркалом
У всьому світі існує безліч незвичайних пристроїв, побудованих для спостереження за небом. Наприклад, в останні десятиліття популярність набула концепція телескопів з рідкими дзеркалами.
Подібні пристрої мають довгу, але неоднозначну історію в астрономії. Більше 300 років тому Ісаак Ньютон зауважив, що рідина в обертовому посудині може приймати форму параболи — а саме така поверхня повинна бути біля дзеркала телескопа, щоб сфокусувати світло в одній точці. У 1850 році італійський астроном Ернесто Капоччі доопрацював цю ідею, але не зміг побудувати працюючу модель.
Протягом решти цього десятиліття Лондонський астроном Генрі скі самостійно досліджував цю концепцію і експериментував з її створенням. Він емігрував до Нової Зеландії в 1860 році і опублікував звіт про робочий телескоп з рідким дзеркалом у 1872 році. У першій половині XX століття вчені намагалися доопрацювати конструкцію, але всі пристрої відрізнялися низькою точністю і страждали від вібрацій.
У міру розвитку технологій створення великих твердотільних дзеркал, телескопи з рідким дзеркалом втратили популярність. Поки в 1980-х роках, вчені не почали відроджувати цю технологію, усуваючи її недоліки за допомогою сучасних технологій. З 1994 по 2002 рік NASA використовувало 3-метровий телескоп з рідким дзеркалом для сканування орбіти Землі на наявність космічного сміття.
Сучасні пристрої застосовують блискучу рідку ртуть для збору та фокусування світла. Цей метал має сильну відбивну здатність і залишається рідиною при кімнатній температурі. І це набагато дешевше, ніж дорогі скляні дзеркала.
Шліфування дзеркал в параболічну форму — трудомістка і дорога задача. Загальна вартість телескопа з рідкою ртуттю становить близько $ 2 млн, в той час як твердозеркальний телескоп аналогічного розміру може коштувати сотні мільйонів доларів.
Оскільки форма телескопа з рідким дзеркалом залежить від гравітації, він може вказувати тільки прямо вгору, в Зеніт. Але це не такий великий недолік, як може здатися, оскільки «верхня точка» переміщається по нічному небу разом з обертанням Землі.
Найбільший сучасний телескоп з таким дзеркалом — великий зенітний телескоп — працював в Канаді, недалеко від Ванкувера з 2003 по 2016 роки. Зараз він виведений з експлуатації, а дзеркало розміром 6 м розібрано. Передбачається, що частини його конструкції будуть використані в нових пристроях. Крім того, наприкінці 2022 року у високогірній місцевості в Індії планують ввести в експлуатацію Міжнародний телескоп з рідким дзеркалом.
Радіомасив для пошуку позаземного розуму
Allen Telescope Array (ATA) — це перший радіотелескоп, спроектований з нуля для використання в пошуку позаземного життя. До його створення всі зусилля в області виявлення слідів інших цивілізацій в радіодіапазоні залежали від періодичного використання антен, побудованих для звичайних астрономічних спостережень.
Масив, що складається з 42 решіток для радіоспостережень (тарілок діаметром 6,1 м), був побудований в 2007 році недалеко від Сан-Франциско на кошти співзасновника Microsoft Пола Аллена і колишнього технічного директора цього ІТ-гіганта Натана Мірвольда. Спочатку передбачалося, що телескоп буде складатися з 350 антен, але поки на повноцінну систему не вистачає коштів.
Ыдея телескопа — масив відносно невеликих тарілок (антен) з майже випадковим розташуванням на землі, що тягнеться приблизно на 1 км.така конструкція забезпечує дуже якісну форму променя. Так називається ділянка неба, до сигналів від якого телескоп найбільш чутливий. Крім того, відносно велика кількість антен мінімізує (небажану) чутливість поза основним променем.
Масив телескопів Аллена спочатку був розроблений для покриття частот від 500 до 10 000 МГц, але зараз модернізується, щоб розширити діапазон охоплення до 15 ГГц, підвищити чутливість і надійність.
Конструкція антен використовує офсетну григоріанську систему. Вторинне дзеркало відображає вхідні радіосигнали, зібрані великим (діаметром 6,1 м) первинним відбивачем, назад в антену (приховану від очей тканинним кожухом), де вони посилюються і передаються в будівлі управління по оптоволокну. Для телескопа розроблено спеціальне програмне забезпечення, яке дозволяє відкинути все сміття і перешкоди і сконцентруватися на сигналах, пов’язаних з життям.
Крижана обсерваторія для пошуку нейтрино
Нейтринна обсерваторія IceCube, запущена в 2010 році — перший у своєму роді детектор, призначений для спостереження за космосом з льодів Південного полюса. Вона побудована на станції Амундсена-Скотта в Антарктиді. Тисячі його датчиків розташовані під льодом найхолоднішого материка, покриваючи загальний обсяг в 1 км3.
Обсерваторія шукає майже безмасові субатомні частинки — нейтрино. Ці високоенергетичні частинки допомагають вивчати найнебезпечніші астрофізичні події: вибухи зірок, гамма-сплески і катаклізми за участю чорних дір і нейтронних зірок.
Обсерваторія складається з 86 кабелів, кожен з яких містить 60 цифрових оптичних модулів. Ці пристрої містять надзвичайно чутливі Детектори світла або фотопомножувачі, а також міні-комп’ютери, які передають дані на поверхню. Модулі кріпляться до кабелів на глибині від 1 450 до 2 450 м під льодом.
Обсерваторія розташована в оптично прозорому льоду, який дуже стабільний. За оцінкою вчених, лід на Південному полюсі рухається приблизно на 10 м на рік як цілісний шматок. Щодня IceCube реєструє 275 млн космічних променів і близько 275 атмосферних нейтрино.
