Хаббл

Насколько детализированым получится изображение, если мы направим телескоп Хаббл на Землю?

— Кайл Ранкин

Это распространённый вопрос. Операторам Хаббла много раз задавали его, и на их странице ЧаВо есть ответ на него. Проблема не в том, что, как говорят некоторые, Земля слишком яркая. Как обратил внимание Фил Плэйт в «Плохой астрономии» на этот факт, Хаббл смотрит на Землю достаточно регулярно.

Настоящей проблемой будет то, что Хаббл движется относительно поверхности со скоростью более 7 километров в секунду. И даже с короткой экспозицией изображение будет размываться.

В этом нет ничего весёлого. Существует ли способ заставить его работать? Я решил рассмотреть вопрос подробнее.

В качестве целевого изображения мы будем использовать обычный стол:

Земная атмосфера нам не помешает. Это больше проблема для наземных телескопов, наблюдающих за космосом, нежели для космических телескопов наблюдающих за земной поверхностью. Причина такого поведения — геометрическая:

Хаббл — лучший телескоп, работающий в видимом свете, который у нас есть, но и у его разрешающей способности есть пределы. Плутон, расположенный на поясе Койпера^[1],↲Пояс Койпера — область Солнечной системы от орбиты Нептуна (30 а. е. от Солнца) до расстояния около 55 а. е. от Солнца.↳ лежит как раз на границе его возможностей. Лучшие фотографии Плутона, что у нас есть, получены от Хаббла, но бывшая планета всё-таки больше размером, чем загадочное расплывшееся пятно.

С таким разрешением (около 0,05 угловых секунд, плюс-минус) и с нынешним расстоянием от стола до Хаббла (около 570 километров), стол будет выглядеть примерно так:

Но этот стол также перемещается относительно телескопа, так что даже совершенное изображение будет размыто.

В сочетании эти два эффекта дадут конечный результат, выглядящий примерно так:

Это не годится.

Можем ли мы вращать Хаббл, чтобы отслеживать поверхность, и устранить тем самым размытие?

Хаббл поворачивается, следя за объектами. Обычно они расположены достаточно далеко, чтобы мы могли считать, что они находятся бесконечно отдалённо. Автоматические алгоритмы определения параллакса^[2]↲Параллакс — изменение видимого положения объекта относительно удалённого фона в зависимости от положения наблюдателя.↳ не могут просчитать смещение для объекта, расположенного ближе, чем примерно десять расстояний до Луны. Когда астрономы хотят использовать его, чтобы сделать фотографию Луны, то иногда посылают ему команды на поворот в ручном режиме, затем используют камеру во время манёвра.

Это недостаточно хорошо работает. Движение Хаббла на таких скоростях затруднительно при текущем способе управления. Итоговые фотографии лучше, чем то, что видно невооружённым глазом, но они не слишком хороши по стандартам Хаббла. Вот наш стол, изображение которого размылось примерно настолько же, насколько это было с Луной:

К счастью, Луна достаточно яркая для того, чтобы установкой малого времени экспозиции можно было бы избежать проблемы. Эта фотография была сделана с полусекундной экспозицией, это достаточно малая величина, чтобы не делать чего-либо значительного по части отслеживания.

К сожалению, наш стол движется по всему полю зрения телескопа примерно в 600 раз быстрее, чем Луна. Слежения за объектом не избежать.

Странно то, что стол на самом деле не движется настолько быстро. Хаббл действительно очень медленный. Для отслеживания поверхности ему понадобится вращаться не быстрее, чем со скоростью в один градус в секунду.

Но Хаббл был построен не для слежения за поверхностью. Максимальная скорость вращения («разворота») телескопа — всего несколько градусов в минуту (примерно равна скорости минутной стрелки часов), и даже такие скорости достаточно велики для того, чтобы его гироскопы вызывали вибрацию, и это губит качество изображения.

Очевидно, что нам понадобится отключить существующую систему наведения телескопа Хаббла и установить собственную. Вращательный момент инерции Хаббла похож на вращательный момент небольшой карусели — слишком сложные условия для существующих гироскопов, но не очень сложные в абсолютном смысле. С помощью нашей собственной системы управления можно было бы отслеживать поверхность, и получать фотографии, очень близкие к оптимальным по качеству:

Но это не просто гипотетическая ситуация.

Многие военные спутники-шпионы устроены аналогичным с Хабблом образом. Так что, в определённом смысле, направлять телескопы, подобные Хабблу, на поверхность земли не просто возможно — это то, что правительство США действительно делает.