Чтобы увидеть другие миры, нам понадобится гигантская лужа в космосе: NASA разрабатывает новую технологию жидких зеркал

11 июл 2025, 00:18

Вы когда-нибудь смотрели на ночное небо и задумывались, одиноки ли мы? Этот вопрос, пожалуй, один из самых древних и волнующих для человечества. Сегодня он перешёл из области философии в плоскость конкретных научных задач. Мы строим всё более мощные телескопы, чтобы заглянуть в самые дальние уголки космоса и, возможно, однажды увидеть бледную голубую точку, вращающуюся вокруг чужой звезды.

Флагман современной астрономии, телескоп Джеймса Уэбба, уже дарит нам невероятные снимки. Но даже его мощи недостаточно, чтобы напрямую разглядеть детали на поверхности экзопланеты размером с Землю. Для этого нужен «глаз» гораздо большего размера. И вот здесь мы упираемся в фундаментальное ограничение — стеклянный потолок, в прямом и переносном смысле.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Стеклянный потолок космоса

Почему бы просто не построить телескоп побольше? Ответ кроется в суровых реалиях космической инженерии. Зеркало телескопа — это не просто кусок отполированного стекла. Это сложнейшая конструкция, вес, стоимость и хрупкость которой растут экспоненциально с увеличением диаметра.

Зеркало Джеймса Уэбба диаметром 6,5 метра — это предел современных технологий. Его пришлось делать складным, из 18 шестиугольных сегментов, чтобы оно поместилось в обтекатель ракеты-носителя. Представьте себе задачу упаковать и развернуть в космосе конструкцию в восемь раз больше — диаметром 50 метров. На сегодняшний день это кажется инженерной фантастикой. Традиционные методы создания зеркал здесь бессильны. Но что, если зеркало вообще не будет твёрдым?

Зеркало из капли? Почти

Именно здесь на сцену выходит элегантная и немного безумная идея — жидкостный телескоп. Вспомните, как капля воды на гладкой поверхности собирается в идеальную полусферу под действием сил поверхностного натяжения. В условиях микрогравитации космоса тонкий слой жидкости, заключённый в круглую раму, естественным образом примет форму идеальной сферической поверхности. Той самой, что нужна для фокусировки света далёких звёзд.

Проект FLUTE (Fluidic Telescope), совместная инициатива НАСА и израильского «Техниона», исследует именно эту возможность. Вместо того чтобы годами шлифовать гигантские и хрупкие стеклянные сегменты, можно просто «налить» зеркало прямо в космосе. Это звучит как идеальное решение. Но, как всегда в науке, дьявол кроется в деталях.

Схематическая иллюстрация исследуемой проблемы. (A) Художественное представление телескопа FLUTE в космосе, совершающего манёвр поворота с угловой скоростью ~ω. Главное зеркало телескопа состоит из тонкой жидкой плёнки, которая принимает номинально сферическую форму, но деформируется из-за манёвра, что показано цветовой картой. (B) Поперечное сечение рассматриваемой модели. Мы моделируем телескоп как тонкую жидкую плёнку, заключённую в круглую раму и закреплённую по внутреннему краю, и решаем задачу по определению деформации ~h как функции полярных координат ~r, ~θ и времени ~t. Толщина жидкости и её деформация показаны не в масштабе: толщина плёнки обычно на 4 порядка меньше её диаметра, а деформации — на четыре-шесть порядков меньше её толщины. arXiv:2507.02812 [astro-ph.IM]
Автор: Israel Gabay et al Источник: arxiv.org

Что будет, если встряхнуть космическое озеро?

Главный вопрос, который до недавнего времени оставался без ответа: что случится с этой идеальной жидкой поверхностью, когда телескоп начнёт двигаться? Ведь астрономические наблюдения требуют постоянного перенацеливания с одного объекта на другой. Любой, кто нёс полную чашку с чаем, знает, что происходит с жидкостью при малейшем движении.

Именно эту проблему взялась решить команда учёных под руководством Исраэля Габая. Они создали первую в мире математическую модель, которая описывает поведение 50-метрового жидкого зеркала при маневрах. И результаты оказались одновременно и сложными, и обнадёживающими.

Да, при повороте телескопа по поверхности жидкости пойдут волны, искажая её идеальную форму. У краёв зеркала эти деформации могут достигать нескольких микрометров. Однако ключевое открытие заключается в том, что эти возмущения распространяются к центру невероятно медленно. Представьте, что вы бросили камешек в очень густой мёд — волны будут расходиться, но мучительно долго. В случае с жидким зеркалом на то, чтобы искажения от краёв достигли центра, могут уйти годы.

Это означает, что большая часть зеркала — около 80% его внутренней площади — будет оставаться практически идеальной на протяжении десятилетий, даже при ежедневных манёврах. А этого более чем достаточно для высококачественных наблюдений.

Бюджет на манёвры и оптическая хитрость

Исследование вводит новое понятие — «бюджет маневрирования». Операторы телескопа будут знать, сколько и каких движений они могут совершить, прежде чем накопленные искажения начнут влиять на качество изображения.

Более того, модель показала любопытный эффект: серия коротких разнонаправленных манёвров может быть «полезнее» для зеркала, чем один большой и резкий поворот. Почему? Потому что множество мелких движений создаёт более симметричную картину искажений на краях зеркала, а такие симметричные дефекты гораздо проще скомпенсировать с помощью адаптивной оптики — системы, которая корректирует изображение в реальном времени.

Динамика деформации жидкостного зеркала телескопа диаметром 50 м в течение 24 часов в результате 9 маневров поворота по 5° каждый вокруг случайно выбранной оси вращения. (A) Ось вращения (красная стрелка) находится в плоскости x-y и определяется углом относительно оси y. (B) Карта деформации после каждого из 9 маневров поворота, показывающая распространение деформации к центру. Ось вращения для каждого маневра показана красной стрелкой на каждом шаге. (C) Чёрная кривая соответствует деформации, вызванной 9 маневрами, и показывает нарастание и ослабление (релаксацию) деформации при каждом маневре. Как и ожидалось из Рисунка 6, некоторые повороты вносят минимальный вклад в общую деформацию. Оранжевая кривая для сравнения показывает деформацию, вызванную одним воздействием на 45°, и демонстрирует, что несколько небольших маневров (в разных направлениях) приводят к меньшей общей деформации. (D) Затухание максимальной деформации в течение более длительных периодов времени для обоих случаев. Скорость затухания для обоих случаев схожа, при этом начальная разница в деформации сохраняется с течением времени. (E) Поршневая деформация для обоих случаев; отмечается, что пошаговое приращение от каждого маневра в сумме даёт общую деформацию, наблюдаемую в случае одного маневра. arXiv:2507.02812 [astro-ph.IM]
Автор: Israel Gabay et al Источник: arxiv.org

Самовосстанавливающиеся глаза Вселенной

Перспективы этой технологии выходят далеко за рамки простого увеличения размера. Жидкое зеркало открывает дорогу к поистине футуристическим возможностям:

Самовосстановление: Микрометеорит, оставивший «шрам» на стеклянном зеркале, — это навсегда. В жидком зеркале такое повреждение просто «затянется» благодаря поверхностному натяжению.
Изменяемая форма: Теоретически, можно управлять формой зеркала, меняя его фокусное расстояние для разных научных задач.
Долговечность: Такой телескоп может функционировать десятилетиями, а при необходимости можно будет провести процедуру «сброса», чтобы полностью восстановить его идеальную форму.

Конечно, впереди ещё много инженерных вызовов: как доставить жидкость в космос, как удержать её в раме, как защитить от испарения. Но исследование израильских учёных доказало главное: фундаментальная физика на нашей стороне.

Мы стоим на пороге смены парадигмы. Эпоха прецизионной механики, где всё зависело от точности шлифовки стекла, уступает место эпохе прецизионной гидродинамики. И если инженерам удастся решить оставшиеся задачи, то уже в 2030-х годах в космосе может появиться гигантское жидкое «озеро», которое позволит нам не просто искать новые миры, а разглядеть их в деталях. И, возможно, наконец-то ответить на тот самый вечный вопрос.

Опубликовано: Мировое обозрение Источник