Астроновости: металинзы, планеты внутри звезд и тепловое излучение от экзопланеты

Алексей Кудря
Алексей Кудря
Металинзы

Любому человеку, хоть мало-мальски понимающему в астрономии и, в частности, в телескопах, ясно и понятно, что чем больше апертура телескопа — тем больше света он может собрать. Проще говоря, чем шире ваша труба — тем лучше видно. У астрономов есть даже такая болезнь — aperturos febris (апертурная лихорадка), при которой владелец телескопа постоянно хочет иметь инструмент со всё бо́льшим и бо́льшим диаметром главного зеркала.

Как правило, в традиционных конструкциях используется выпуклая или вогнутая форма линз для фокусировки или расширения получаемого света. И хотя на оптической оси может быть достигнута почти идеальная фокусировка, результирующее изображение оказывается искажено светом, проходящим через другие области линз.

Исправление аберраций линз обычно означает добавление пользовательских линз или нескольких оптических компонентов, что увеличивает вес, объем и сложность устройства. Если устройству необходимо изменить положение фокуса или луч перемещается, также необходимо переместить все стеки линз, что может привести к дальнейшей нестабильности (разъюстировке). В общем и целом возникает ряд проблем, связанных с главным зеркалом и системой фокусирующих линз. Это и дополнительная масса, и материалы, и температура, и атмосфера, и т. д., и если у вас профессиональный телескоп — то всё становится очень интересно: например, вес главного зеркала телескопа БТА (диаметр 605 см) составляет 42 тонны; масса подвижной части телескопа — около 650 тонн, а общая масса всего телескопа БТА — около 850 тонн.

Купол БТА. Фото Alexxx1979 / «Википедия»
Купол БТА. Фото Alexxx1979 / «Википедия»

Многие проблемы решает отправка телескопа в космос, но его нужно сначала туда доставить. И тут тоже есть масса проблем, к которым добавляются ограничения по габаритам, плюс сложную технику надо периодически обслуживать, а это тоже непростая и дорогостоящая задача.

И вот вроде как забрезжил свет в конце тоннеля. Металинзы.

Металинзы — это плоские линзы, которые используют метаповерхности для фокусировки света. Метаповерхности представляют собой серию искусственных антенн, которые управляют оптическим откликом падающего света, включая его амплитуду, фазу и поляризацию. Такие линзы предлагают новую линейку легких вариантов дизайна линз — плоская поверхность помогает избежать многих искажений, характерных для стандартных изогнутых линз.

Jeff Xu/Penn State
Jeff Xu/Penn State

Исследовательская группа, возглавляемая Пенсильванским университетом, создала первый ультратонкий, компактный телескоп, использующий металинзы и способный наблюдать удаленные объекты, включая Луну. Линзы Metalens содержат крошечные, похожие на антенны узоры поверхности, которые могут фокусировать свет для увеличения удаленных объектов таким же образом, как традиционные линзы из изогнутого стекла, но их преимущество в том, что они плоские. На ранних этапах были разработаны небольшие металлические линзы шириной в миллиметр, исследователи же увеличили размер линзы до 8 см в диаметре, что уже позволяет использовать их в оптических системах вроде телескопов. Чтобы создать линзу большего размера, исследователи адаптировали метод изготовления, известный как фотолитография в глубоком ультрафиолете (Extreme Ultraviolet Lithography — DUV), который обычно используется для производства компьютерных чипов.

Да, это всё в настоящее время пока еще достаточно сложно в производстве, и не решены некоторые проблемы, связанные, например, с хроматической аберрацией, но в целом технология может быть весьма и весьма перспективной при должном развитии — упрощении и удешевлении технологического процесса производства линз данной конструкции.
И главное, что нужно от разработчиков, — это получение линз всё большего, большего и большего диаметра!

Статья доступна на сервере препринтов arxiv.org/abs/2205.12739

Планеты внутри звезд

Как, конечно же, известно многим, наше Солнце, пройдя свой эволюционный путь по диаграмме Герцшпрунга — Рассела и исчерпав запас водорода в ядре, превратится из маленькой звезды класса G2V в огромного красного гиганта спектрального класса К или М.

Ничто не вечно. Это правило справедливо для всего: для нас самих, для нашей Земли и для Солнца. Примерно через 6 млрд лет Солнце израсходует все запасы водорода в ядре. После этого гравитация, не встречая сопротивления, начнет сжимать гелий, накопившийся в ядре звезды. Bследствие этого ядро начнет нагреваться и уплотняться.

Из-за роста температуры в ядре Солнце начнет увеличивать свои размеры и в итоге перейдет в стадию красного гиганта. Растущая звезда поглотит Mepкуpий, Beнepу и, по разным моделям, с высокой степенью вероятности даже Землю.

Хотя, конечно, уже до этого момента жар от раскаленной звезды разогреет поверхность Земли и превратит ее в настоящий ад для любой известной органической жизни.

Илл. University of Queensland
Илл. University of Queensland

Группа астрономов задалась вопросом: а возможно ли выживание планет в атмосферах своих звезд? До этого они выявили множество странных систем по всей Галактике, которые указывают на то, что планеты могли пережить свое путешествие к звезде. Например, существуют системы белых карликов, вокруг которых очень близко вращается планета-гигант — слишком близко для того, чтобы эта планета сформировалась естественным путем уже после стадии красного гиганта. Есть звезды с удивительным количеством более тяжелых элементов — «металлов» в их атмосферах, — а это признак того, что в них погружались объекты, богатые «металлами» (астрономы неметаллами считают только водород и гелий).

В итоге, используя компьютерное моделирование условий, царящих в звездах, которые находятся на последних этапах своей эволюции, и наблюдая судьбу разнообразных типов планет, различающихся по массе, составу и прочим характеристикам, исследователи подтвердили идею о том, что планеты могут пережить поглощение звездой.

Например, в некоторых случаях планета может просуществовать еще тысячи лет, вращаясь вокруг ядра звезды в пределах ее атмосферы. При этом планета может отбрасывать часть материала звездной атмосферы от себя, истончая внешние границы этой оболочки. В других случаях диссипация орбитальной энергии может повысить температуру атмосферы звезды, делая ее несколько ярче, чем должно быть по обычной модели.

Но для того, чтобы пережить поглощение, сама планета должна быть относительно большой — по крайней мере, массой с Юпитер. Маленькие планеты, такие как Земля, не могут долго существовать в таких условиях.

Так что человечеству волей-неволей придется искать себе новый дом.

arxiv.org/abs/2203.11227

Тепловое излучение от экзопланеты размером с Землю

Система TRAPPIST-1 примечательна своими семью планетами, которые по размерам, массе, плотности и поглощаемому излучению от центральной звезды схожи с планетами Солнечной системы — Венерой, Землей и Марсом. Все планеты TRAPPIST-1 уже наблюдались методом спектроскопии с использованием космических телескопов «Хаббл» и «Спитцер», но никаких атмосферных особенностей при этом у них обнаружено не было.

Сравнение размеров Солнца и красного карлика TRAPPIST‑1. Изображение: ESO
Сравнение размеров Солнца и красного карлика TRAPPIST‑1. Изображение: ESO

Планета TRAPPIST-1 b среди них самая интересная, она ближе всего расположена к центральному светилу системы — звезде класса M. По расчетам, эта планета получает в четыре раза больше энергии от звезды, чем Земля от Солнца, что облегчает регистрацию от нее теплового излучения. Для оценки температуры экзопланеты TRAPPIST-1 b астрономы использовали метод, называемый фотометрией вторичного затмения, при котором инструменты нового космического телескопа «Джеймс Уэбб», а именно фильтр F1500W прибора MIRI, отслеживали изменение яркости системы по мере того, как этот каменистый мир проходил за своей звездой. Это позволило рассчитать, сколько инфракрасного света испускает сама TRAPPIST-1 b, отдельно от родительского красного карлика. Объединив данные всех измерений, исследователи обнаружили вторичное затмение в каждом из пяти отдельных наблюдений с достоверностью 8,7 сигма. Эти оценки лучше всего согласуются с переизлучением получаемого потока звезды TRAPPIST-1 только из дневного полушария планеты — по всей вероятности, TRAPPIST-1 b находится в приливном захвате своей звезды. Анализ данных пяти разных наблюдений показывает, что излучение TRAPPIST-1 b почти идеально соответствует абсолютно черному телу, состоящему из голой породы и лишенному атмосферы и атмосферной циркуляции тепла. Кроме того, не было выявлено никаких признаков поглощения света углекислым газом, что было бы неизбежно при таких измерениях в случае наличия какой-либо атмосферы.

NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)
NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (NASA Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)

arxiv.org/abs/2303.14849

Подписаться
Уведомление о
guest

0 Комментария(-ев)
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (2 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...