Стаття розрахована на тих, хто хоче зрозуміти базові принципи роботи космічних телескопів «великої дальності». Максимально простими словами розповімо про те як вчені отримують такі яскраві та красиві фото та до чого тут «штучна обробка» знімків. Чи має це все науковий і корисний зміст?
Зміст
Хвильова природа світла
Пригадаймо шкільний курс фізики. Світло у нашому Всесвіті поширюється хвилями. Так само працює мобільний зв’язок чи Wi-Fi. Сигнал поширюється електромагнітними хвилями у певному діапазоні частот, наприклад, маршрутизатор Wi-Fi «роздає» інформацію із частотою 5 ГГц, а високошвидкісний приймач «ловить» ці дані.
Світло – також інформація. Завдяки оптоволоконним кабелям ми маємо швидкий та дешевий доступ до Інтернету. Матриця дзеркального фотоапарата чи смартфону сприймає дані із навколишнього світу завдяки світлочутливим елементам, котрі уловлюють електромагнітні коливання. Зображення в сучасному форматі являє собою набір інформації про колір пікселя в кожній точці. Більш чутливий сенсор дозволяє точно зчитувати ці дані та в результаті показувати якісне зображення, це особливо актуально за поганого освітлення.
Довжина хвилі світла визначає колір, який ми бачимо очима
Коли ми поглянемо на небо, то максимум зможемо побачити зорі та Місяць. Смартфон в кращому випадку зможе зробити нечіткий знімок, професійний фотоапарат покаже значно більше. Але цього надто мало для наукових досліджень. Щоб побачити й зафіксувати у вигляді картинки далекі зорі, туманності, інші галактики в абсолютній (як може здатись) темряві, потрібно щось краще. Саме тому вчені придумали пристрої, що дозволяють «ловити» більше світла різними методами.
Оптичні-, радіо-, та інфрачервоні телескопи
Оптичний телескоп – це найбільш звичний і зрозумілий для пересічної людини пристрій для дослідження Всесвіту. Він збирає і фокусує електромагнітне випромінювання оптичного (видимого людині) діапазону. Робота таких телескопів полягає у тому, щоб збільшити блиск і видимий кутовий розмір об’єкта, тобто збільшити кількість світла, що йде від небесного об’єкта. Це дає можливість дослідити певні деталі спостережуваного астероїда, планети чи навіть зорі. Збільшене зображення досліджуваного космічного предмета можна фіксувати за допомогою фотоапаратів, підключених до такої оптичної системи. Навіть недорогий домашній телескоп дозволяє роздивитись Юпітер, Сатурн, їхні супутники чи Марс (його побачити важче).
Радіотелескоп працює за схожими принципами. Пристрій сприймає електромагнітне випромінювання у широкому діапазоні частот (від кількох МГц до десятків ГГц). Антени більшості моделей схожі на відбивачі. Вони збирають електромагнітні хвилі у фокусі металевих дзеркал. Деякі модифікації мають дзеркала у діаметрі кількох десятків метрів.
Більш просунуті радіотелескопи — величезні рухомі рами, на яких паралельно один одному закріплені металеві стрижні або спіралі. Космічне випромінювання попадає на радіотелескоп. Після цього високочутлива радіоапаратура реєструє ці дані. Таким чином можна «фотографувати» те, що людина не зможе побачити власник оком. Навіть найкращі оптичні телескопи не зрівняються із можливостями таких «тарілок». Але вони все ще знаходяться на поверхні планети.
Атмосфера має значний вплив на такі дослідження. Насправді немає принципової різниці між тим, як отримати зображення. Буде це радіотелескоп чи матриця фотоапарату Canon 5D Mark IV. Адже обидва пристрої «ловлять» електромагнітні хвилі, але роблять це різними способами. Тому радіотелескоп – свого роду «камера» для наукових досліджень.
Джеймс Вебб – телескоп, що використовує інфрачервоні сенсори. Не все світло у Всесвіті може побачити людина. Інфрачервоний та ультрафіолетові діапазони недоступні для людського ока, але є техніка, що може зчитувати такі дані. Наприклад, тепловізор покаже місця, що сильно нагрілись, а людина не зможе візуально відрізнити де тепліший, а де холодніший предмет. Для дослідження космічних просторів використовують чутливі елементи, що ловлять випромінювання у невидимих для людини діапазонах. Тобто напряму їх зобразити неможливо. Для цього використовують такі телескопи як Джеймс Вебб.
Космічні знімки – це «фотошоп»?
Інформацію із радіотелескопів (і інфрачервоних) потрібно зобразити візуально. Тому можна сказати, що більшість красивих картинок, які ми звикли бачити у новинах – це штучне зображення. Але воно побудоване не просто так, а із певного масиву даних про випромінювання у відповідних координатах. Якщо подумати дуже примітивно і просто, то так. Це свого роду «фотошоп», але із твердим науковим підґрунтям. Зображення не малюються із фантазії художника, а з отриманої інформації.
Так виглядає спектрограма радіотелескопа
Це спосіб показати те, що людина не зможе ніколи побачити. Прилад нічного бачення може перетворювати зображення у режимі реального часу, як і тепловізор. І це там, де людина бачить лише суцільну темряву. Але для дослідження глибин Космосу потрібно більше часу, тому зображення деякий час обробляється перед тим як сформувати кінцевий результат. Дані піддаються візуалізації та обробці. Саме так вдається отримати красиві картинки високої чіткості.
Сенсор сучасного космічного телескопа із роздільною здатністю 1Мп – в сотню разів менше як у смартфонів Xiaomi, що не можуть чітко зняти повний Місяць
Подібну інформацію варто брати із перевірених джерел. В Інтернеті з’являється безліч фейків. Декотрі жартівники можуть видавати зображення ковбаси «Салямі», текстуру гранітового столу, макро фотографії тощо за космічні знімки із NASA.
Фото ковбаски = фото Проксима Центавра, найближчої до Сонця зірки, розташованої в 4,2 світлових роках від нас.
Цікаво, що безліч людей повірили в цей жарт, адже не мають знань з астрономії та сліпо довіряють відомим людям або видавництвам.
Досі знаходиться аудиторія, що вірить в ідіотські теорії
Джеймс Вебб – марнотратство державних коштів?
Вартість найсучаснішого інфрачервоного телескопа склала орієнтовно 10 мільярдів доларів. Це досить багато, за таку суму можна було б запустити кілька зондів для дослідження нашої Сонячної системи. Та цей телескоп є проєктом на багато років. Його попередник Хаббл пропрацював 20 років і весь цей час давав корисні для астрономів дані. Інвестиція 10 млрд $ не виглядає шаленою в цьому світі. Особливо на фоні того, як навіжена держава рф витрачає в рази більше на виробництво крилатих ракет, що несуть смерть, а не наукові досягнення.
Довга тривалість проєкту James Webb робить його вигідною інвестицією для такої великої компанії як NASA. Але чи має сенс дослідження космічних об’єктів, що знаходяться на відстані мільйонів чи мільярдів світлових років від Землі? Це дуже складне питання, яке задають скептики зі всього світу.
За історію людства було багато досліджень, які на момент їх проведення не мали сенсу, але з часом люди знайшли тому корисне використання. Від моменту відкриття електричного струму до його поширеності у побуті пройшло чимало часу. Можливо, одного дня отримані дані із телескопа Джеймс Вебб дадуть зрозуміти досі невідомі істини, переосмислити фундаментальні закони Всесвіту. Звісно, на цей час це лише наука спостереження і не більше.
Дослідницький зонд Вояджер-2 кілька років тому був у заголовках усіх світових ЗМІ. Вони то писали, що він уже покинув Сонячну систему, потім заяви змінювались, мовляв, ще не покинув. Насправді за розрахунками вчених знадобиться ще кілька сотень років для досягнення Хмари Оорта. То хіба є сенс споглядаючи на спектрограми вивчати далекі зорі, коли для виходу із нашої Сонячної системи може знадобитись більше часу ніж існує розвинена цивілізація на планеті?
Та телескоп працює не лише із дальніми об’єктами на відстані світлових років, а й здатен досліджувати планети Сонячної системи. Отримати якомога більше інформації перед тим як відправляти зонд на супутник газового гіганта – уже корисна справа, що може змінити хід космічної програми.
Вважати Джеймс Вебб марнотратством державних коштів і фейковим інструментом науки – це те саме, що вірити у теорію плоскої Землі, гадати, що планету тримають слони, стоячи на черепасі тощо. Радіо-, оптичні-, інфрачервоні телескопи – простий і один із найдешевших способів вивчати природу Всесвіту. Вони однозначно виправдовують своє існування.
Висновки
Отримувати зображення можна різними способами. Це не обов’язково повинен бути сенсор оптичного діапазону. Професійна апаратура дозволяє вченим працювати з даними на тому рівні, який не можуть забезпечити оптичні камери. Радіотелескоп так само отримуватиме картинку з розшифрованої інформації, але дозволяє у (здавалось би) повній темряві глибин Всесвіту побачити космічні об’єкти. Тому зображення інших галактик, туманностей та зір – це не просто «фотошоп», а правильно розшифрована електромагнітна спектрограма, тобто такий собі «науковий фотошоп».
Інвестиції в науку – це завжди добре, тому витрати у кілька мільярдів доларів на орбітальні телескопи не можна вважати марною тратою коштів. Навіть за умови, що вони не дають корисних побутових результатів для людства тут і зараз. Часто бувало, що цивілізації потрібно було кілька десятків чи сотень років для повноцінного розуміння тих досліджень, які раніше вважали не змістовними. Інфрачервоні та радіотелескопи – це інструменти, що рухають людство у правильному напрямку. Доступність оптичних телескопів дозволяє новачкам ознайомитись з основами астрономії й на власні очі побачити чисельні об’єкти видимого діапазону.
Корисні посилання:
Voyager – Mission Status (nasa.gov)
Webb Space Telescope GSFC/NASA