Второй подход к зеркалу

Шестиметровый телескоп БТА на Северном Кавказе — главный инструмент российских астрономов. В момент строительства это был самый большой телескоп в мире, он и сегодня входит в двадцатку самых крупных на планете. Десять лет назад главное зеркало телескопа было отправлено на переполировку в Подмосковье — ученые рассчитывали получить замену для нынешнего, уже довольно изношенного зеркала. Весной оно вернулось в обсерваторию. Редакция N + 1 попыталась выяснить, сбылись ли ожидания астрономов.

Доставка гигантского куска стекла массой 42 тонны из подмосковного Лыткарино на Кавказ была непростой задачей в 1974 году, когда его везли на баржах, а потом по горным дорогам на специальном трейлере, она осталась сложной и в 2018 году, когда зеркало ехало по суше. Но в середине февраля это путешествие — второе в истории этого зеркала — завершилось, его привезли домой — в Специальную астрофизическую обсерваторию РАН, которая стоит на высоте двух километров в горах Западного Кавказа.

Первый этап жизни этого зеркала в 1970-е годы был не слишком удачным, его качество оказалось невысоким, поэтому уже через четыре года его место заняло зеркало № 2, а первое долгие десятилетия хранилось в контейнере. В 2007 году было решено попытаться восстановить его — убрать все отклонения от формы. Теперь эта работа закончена, зеркало заняло свое место в оправе телескопа, ученые тестируют и настраивают телескоп.

Окончательные результаты тестов будут только через несколько месяцев, однако многие ученые уже сейчас говорят, что разочарованы. «[Пока] все проведенные тесты говорят — обновленное зеркало хуже, чем то, что было», — пишет сотрудник обсерватории Алексей Моисеев. «Зеркало бракованное», — говорит N+1 профессор Виктор Афанасьев, возглавлявший обсерваторию с 1985 по 1993 год.

Другой экс-директор и научный руководитель САО Юрий Балега предлагает не спешить с выводами: «Будем продолжать работы с этим зеркалом, в обсерватории сделают покрытие алюминием, и попробуют работать какое-то время в таком экспериментальном варианте. А там посмотрим, что получится».

Если результаты тестов окажутся «не на уровне», ученым предстоит выбирать — либо отказаться от зеркала, и это будет означать, что многие годы работы и десятки миллионов рублей были потрачены напрасно, либо пытаться работать с инструментом, который хуже прежнего.

Попробуем рассказать эту историю с самого начала.

Самое большое в мире

В марте 1960 года Совет Министров СССР принял постановление о строительстве самого большого в мире оптического телескопа. Его главное зеркало должно было иметь форму параболы вращения и диаметр шесть метров. Это было на метр больше, чем диаметр зеркала американского телескопа Хейла (крупнейшего на тот момент) и в два с лишним раза больше, чем самое крупное зеркало, которое до того изготавливали советские специалисты — 2,6-метровый телескоп в Крымской астрофизической обсерватории. Вновь создаваемый телескоп получил название Большой Телескоп Азимутальный, так как из-за своих размеров устанавливался на альт-азимутальной, а не экваториальной монтировке.

Для строительства БТА было выбрано место на высоте 2100 метров над уровнем моря в нынешней Карачаево-Черкесии, недалеко от поселка Архыз. Это было не самое лучшее место на территории СССР с точки зрения количества ясных ночей и качества атмосферы. Поговаривают, что тогдашний председатель Совмина Алексей Косыгин настоял, чтобы крупнейший телескоп страны строился именно на территории РСФСР. На сегодняшний день БТА входит в двадцатку крупнейших телескопов мира, остается крупнейшим в Евразии и главным оптическим телескопом России.

При создании стеклянных заготовок под зеркала больших телескопов трудности начинаются еще на стадии их отливки. Зеркало должно быть создано из стекла с наименьшим возможным коэффициентом температурного расширения, чтобы колебания температуры воздуха (а телескоп всегда работает «на улице») не приводили к дополнительным деформациям. Последние, во-первых, портят качество изображения, а во-вторых, могут вызвать растрескивание поверхности зеркала. Поэтому в 1960-е годы на Лыткаринском заводе оптического стекла совместно с Государственным оптическим институтом имени Вавилова были разработаны несколько новых сортов стекла с коэффициентом температурного расширения около (3—4)×10^-6 / градус. Из одного из стекол этой серии (С-316) и были сделаны заготовки зеркал для БТА.

Для сравнения, зеркала современных больших телескопов изготавливаются из стеклокерамического материала под названием церодур с коэффициентом расширения в десятки раз меньшим, чем у стекла С-316.

Первая заготовка зеркала диаметром 605 сантиметров и толщиной 65 сантиметров треснула в ходе остывания. Следующая заготовка получилось цельной, и с нее началась история самого крупного (на тот момент) в мире астрономического зеркала. Стоит отметить, что при весе в 42 тонны зеркало БТА по сей день остается самым массивным на планете. Дело в том, что церодуровые 8,2-метровые зеркала европейских телескопов VLT (Very Large Telescope) весят «лишь» 22 тонны каждое (при том же отношении толщины к диаметру, что у БТА, они бы весили около 100 тонн), а 8,4-метровые сегменты главного зеркала Гигантского Магелланова телескопа (GMT) будут весить и того меньше — 20 тонн.

Еще большие астрономические зеркала и вовсе состоят из множества отдельных сегментов (как 10-метровые телескопы имени Кека в США или 11-метровый Большой южноафриканский телескоп). Составные зеркала можно сделать не только тоньше и легче, но еще и при необходимости быстро корректировать их форму, подстраивая ее под сильно искаженный волновой фронт, прошедший через неоднородную атмосферу. Правда, 50 лет назад, когда создавался БТА, таких технологий еще не было.

«То, что подается как „рекорд“, — громадный вес зеркала БТА, — на деле его большой недостаток. Тонкое зеркало, кроме того, что позволяет намного облегчить всю конструкцию телескопа, имеет гораздо более управляемую форму поверхности — то, что называется „активной оптикой“», — сказал N+1 астроном, в 1970-е годы видевший первое зеркало в телескопе БТА.

Большой (если не сказать «излишний») вес и цельность зеркала создают сразу несколько проблем. Первая из них состоит в том, что столь тяжелое зеркало может существенно прогибаться под собственным весом и делать это по-разному при разных положениях телескопа.

Поэтому с обратной стороны зеркала БТА были сделаны 60 выемок под элементы системы разгрузки, установленные в оправе телескопа. Простыми словами — зеркало на весу держится не оправой как таковой, а сразу 60 «руками», на каждую из которых приходится примерно 1/60 веса зеркала. Их главная задача — не допустить деформации поверхности зеркала, когда оно направлено под углом к горизонту, то есть удерживать форму поверхности такой, какой она была бы в невесомости.

Другая проблема кроется в форме зеркала. Парабола — поверхность переменной кривизны. Придание такой формы заготовке (ее шлифовка и полировка) — длительный и сложный процесс, в ходе которого специальный автоматизированный станок, используя абразивы, включающие в себя тысячи карат алмазов, слой за слоем снимает поверхность стекла. На последнем этапе на стекло наносится слой алюминия толщиной в 100 нанометров, который и превращает заготовку в настоящее зеркало. Но мало безукоризненно выполнить шлифовку зеркала. Само стекло, из которого оно отливается, должно быть однородным, без воздушных карманов, потому что впоследствии, при шлифовке, эти неоднородности превратятся в рябь на поверхности зеркала. Волновой фронт, отражающийся от «рябого» зеркала, сам дополнительно искажается и телескоп, попросту говоря, начинает «плохо видеть».

Именно это и случилось с героем нашего рассказа — самым первым зеркалом, установленным на БТА в 1975 году. Тогда, чтобы не портить качество изображения, отдельные части зеркала даже приходилось диафрагмировать — закрывать темным, поглощающим материалом. Но это, в свою очередь, уменьшало эффективную площадь зеркала, не позволяя наблюдать особо слабые объекты — для которых, по идее, большой телескоп и создавался.

«Большую часть поверхности зеркала занимали так называемые „располировки“ — они возникают, когда в процессе полировки в толще стекла вскрываются воздушные пузыри, сидевшие там с тех пор, как расплавленная масса остывала. Конечно, в норме такого не должно быть, это говорит о неоднородности массы стекла, о технологических дефектах при его выплавке. Располировки были закрыты черными листами какого-то материала, чтобы не портилось изображение, создаваемое нормальными участками. В результате, эффективная площадь зеркала была эквивалентна чуть ли не 1-метровому телескопу», — рассказал N+1 астроном, видевший БТА в работе в 1970-е годы.

Как вспоминает Афанасьев, проблемы с качеством зеркала стали очевидны еще в процессе его производства, и тогдашнему президенту АН СССР Анатолию Александрову удалось убедить министра обороны Дмитрия Устинова (Лыткаринский завод оптического стекла был подведомственен военным) сделать второе зеркало.

В сентябре 1979 году лыткаринский завод доставил на обсерваторию второе, на этот раз более качественное зеркало. Оно было установлено на БТА вместо первого, а то было убрано в специальный контейнер, оставшийся лежать «на заднем дворе» телескопа — рядом с башней БТА на 28 лет.

Несмотря на такие сложности в создании и эксплуатации столь большого телескопа, БТА остается мощнейшим оптическим инструментом в России и, в силу открытости его как установки, наблюдения на нем заказывают ученые десятков стран. Дело в том, что эффективность работы телескопа определяется не только качеством его оптики, но также и «навесным оборудованием» — спектрографами, фотометрами, фото-чувствительными детекторами и пр., устанавливаемыми в фокусе телескопа и, собственно, создающими для ученых «картинку». На сегодня сотрудники САО РАН создали и эксплуатируют целый ряд уникальных приборов (типа камеры SCORPIO), позволяющих получать сильные научные результаты. Обсерватория два года назад была одним из самых цитируемых научных институтов в России.

Однако, к середине 2000-х годов главное зеркало БТА, пережившее к тому моменту несколько переалюминирований и проработавшее без малого 30 лет, начало проявлять признаки старения, его поверхность начала портиться. Поэтому начали обсуждаться варианты обновления телескопа.

Среди них даже рассматривался сценарий замены 6-метрового телескопа на 8-метровый (внутри той же башни и, соответственно, инфраструктуры). Даже было понятно откуда можно взять зеркало — немецкая компания Шотт, изготавливавшая зеркала для европейских телескопов VLT, готова была предоставить (вернее продать за 4 миллиона евро) одну из 8-метровых заготовок из церодура. При создании зеркала телескопа нередко создают несколько заготовок: для тестирования технологии отливки, про запас, ну или просто для выбора оптимальной по качеству. Однако с учетом затрат на полировку имеющейся заготовки, создание нового каркаса телескопа, монтаж и доводку, полный бюджет проекта составил бы 15 миллионов евро или полмиллиарда рублей по тогдашнему курсу.

Это было очень дорого, поэтому было принято другое решение: восстановить зеркало шестиметрового телескопа, использовав для этого первый экземпляр, законсервированный с 1979 года.

И в мае 2007 года первое зеркало было отправлено обратно в Лыткарино, где его должны были сделать чуть легче, чуть тоньше и лучше (с точки зрения формы поверхности), с учетом появившихся современных технологий. С поверхности зеркало должны были снять примерно 8 миллиметров стекла, устранить располировки. Работы, которые шли с большими перерывами из-за сложностей с финансированием, заняли целых десять лет, и вот в 2018 году обновленное зеркало, наконец, вернулось.

Все кривые зеркала кривы по-своему

Зеркало — главный элемент современного телескопа, причем независимо от того, в каком диапазоне длин волн его используют: радио-, оптическом или рентгеновском. Главная его задача — собрать как можно больше энергии излучения от наблюдаемого источника и сфокусировать ее в маленьком пятне на чувствительной поверхности детектора. Чем больше диаметр (и, стало быть, площадь) зеркала, тем больше энергии можно собрать и тем более слабые объекты можно зарегистрировать за разумное время накопления сигнала.

В идеальном мире изображение точечного источника, которое строит зеркало в своей фокальной плоскости, также является точкой — объектом бесконечно малых размеров. В действительности размер изображения всегда будет конечен из-за конечности размеров зеркала. Подсвеченное точечным, бесконечно удаленным, источником, зеркало создает в своей фокальной плоскости дифракционную картину, состоящую, как и положено, из большого числа максимумов и минимумов (как показано на рисунке ниже).

В оптике такая картинка называется пятном рассеяния, или, чаще всего, «диском Эйри» (в честь британского астронома XIX века Джорджа Эйри). Размер центрального пятна в диске Эйри — это минимально возможный размер изображения точечного источника, построенный оптической системой. Он зависит от диаметра зеркала как 1/D и для 6-метрового телескопа равен примерно 0,027 угловой секунды. Это значит, что точечная звезда на небе, при ее наблюдении в идеальный 6-метровый телескоп без атмосферы, будет выглядеть как кружок размером 0,03 угловой секунды, или как буквы текста, набранного 14-м кеглем, с расстояния 40 километров. Это очень маленький размер. Разрешение человеческого глаза примерно в две тысячи раз хуже. И на протяжении всей истории астрономической оптики ученые старались как можно сильнее приблизиться к этому «дифракционному пределу». Те телескопы (зеркала), которые к нему сравнительно близки, — хорошие телескопы. А те, что до него в желаемой степени не дотягивают, — не очень хорошие.

На сегодня в оптической наземной астрономии удается достигать изображений звезд в 0,1-0,2 угловых секунды. Но чтобы приблизиться к таким значениям, необходимо обладать развитой культурой производства, владеть множеством сложных и остроумных технологий производства оптических систем.

Изображения, которые строятся реальными зеркалами, изначально плохи по двум причинам: а) эти зеркала недостаточно идеальной формы и б) телескопы работают в плотной неоднородной атмосфере Земли. Вторая проблема, в принципе, решается выводом телескопа на орбиту (как тот же знаменитый телескоп «Хаббл»), хотя за это и приходится платить размерами зеркала (а мы помним, что разрешение зависит от диаметра как 1/D). Ну или же установкой сложной системы компенсации дрожаний атмосферы, работающей для сравнительно тонких гибких зеркал: специальные устройства быстро деформируют зеркало, отслеживая неровности волнового фронта от звезды. Но вот первую проблему решить для большого зеркала не так просто.

Самое простое зеркало телескопа имеет сферическую форму. Его сравнительно легко сделать. Но все лучи, параллельные оптической оси зеркала (идущие, например, от удаленного точечного источника), собираются таким зеркалом, к сожалению, в разных точках этой самой оси. Это так называемая сферическая аберрация. Ее можно исправить, если придать зеркалу параболическую или даже гиперболическую форму. Что уже сложнее, так как для построения компактной дифракционной картины разность фаз электромагнитных волн, отраженных от разных частей зеркала в сторону фокуса, не должна превышать половины их длины волны. А желательно — еще меньше. А значит, само зеркало должно иметь форму параболы с точностью не хуже 100 нанометров (если принимать оптическую длину волны в 550 нанометров).

Однако это еще не все проблемы. Кроме сферической аберрации, существует ряд других, так называемых внеосевых аберраций (кома, астигматизм, кривизна поля, дисторсия) возникающих, в конечном счете, из-за того, что параллельные лучи, идущие под углом к оптической оси, не собираются параболой в одной точке. Эти аберрации могут быть исправлены с помощью дополнительных оптических элементов — дополнительных линзовых или зеркальных объективов, через которые свет пропускается до того, как достигает приемника в телескопе.

Существует несколько способов проконтролировать качество изготовленного зеркала телескопа. Во-первых, интерференционный: несколько лазерных когерентных лучей отражаются от разных точек зеркала и собираются в одном приемнике, и по получаемой интерференционной картине можно судить о разности их хода. А стало быть, и об относительной высоте облученных точек на зеркале. Во-вторых, классический (изначально качественный, но в наше время - уже и количественный) метод Фуко, при котором в центр кривизны зеркала помещается яркий точечный источник света, а наблюдатель (или светочувствительный элемент) устанавливается рядом и принимает отраженные от зеркала лучи. Если часть этих лучей загораживать небольшим экранчиком, то наблюдатель будет видеть разного типа тени на освещенном зеркале.

По форме этих теней определяются отклонения формы зеркала от желаемой формы. Существует также относительно современный метод Шака-Гартмана, заключающийся в том, что на пути волнового фронта, отраженного зеркалом, устанавливается микролинзовый растр — несколько небольших линз, установленных, например, в узлах прямоугольной решетки. Из плоского волнового фронта такой датчик построит несколько изображений (по одному на каждую линзу), также строго периодически расположенных на фотоприемном устройстве. В случае искривленного фронта (за счет неидеальности зеркала), эти изображения «расползутся», причем по тому, как именно они расползутся, можно делать вывод о форме зеркала.

Но самый надежный способ проверки качества зеркала — конкретные научные наблюдения, результаты которых должны удовлетворить астрономов. Если изображения звезд при спокойной атмосфере окажутся ближе к заветному дифракционному пределу, чем те, с которыми ученые имели дело раньше, значит, телескоп стал лучше и реставрация пошла зеркалу на пользу. 

Диагноз неясен

Прошло уже почти полгода после того, как зеркало БТА было установлено в оправу и телескоп работает в тестовом режиме — зеркало остается не алюминированным, идет исследование качества зеркала, и его результаты пока не радуют.

Научный сотрудник обсерватории Эдуард Емельянов в разговоре с N+1 сыпет диагнозами: «Остаются неисправимые крупномасштабные дефекты — астигматизм, сферическая аберрация и "четырехлистник", плюс дефекты формообразования — концентрические окружности глубиной до половины длины волны, которые вообще никак, кроме как переполировкой, не исправить».

И Афанасьев, и Емельянов говорят, что главным источником проблем стала выбранная технология переполировки.

"Особенность работы с крупными зеркалами заключается в том, что стекло - оно как пластилин, оно плывет. Поэтому для них делается специальная оправа с системой разгрузок, которые компенсируют силу тяжести, не дают зеркалу деформироваться. Несмотря на то, что чуть ли не в учебниках сказано, что шлифовать зеркало надо в штатной оправе с разгрузками, это зеркало шлифовалось лежащим на планшайбе, а контролировалось подвешенным в ленте из стали», - говорит Афанасьев.

В процессе полировки необходимо постоянно контролировать и проверять форму поверхности, если при этом зеркало будет находиться не в штатной оправе, то при установке его на телескоп оно изменит свою форму - именно этим можно объяснить появившиеся дефекты.

В документах Лыткаринского завода есть объяснение, почему было принято решение обойтись без разгрузок. Одна из причин в том, что механизм разгрузок рассчитан только на вес зеркала и дополнительную нагрузку от шлифовальных инструментов ему «воспринимать нечем». Кроме того, на телескопе разгрузки доступны для регулировки, в процессе обработки на станке это невозможно.

Использовать рычажно-гидравлическую технологическую разгрузку, которая использовалась при обработке обоих зеркал нельзя «из-за утраты работоспособности опор гидросистемы технологической разгрузки за более чем 25-летний срок хранения». Наконец, поставить на станок и штатную оправу, и само зеркало было просто невозможно из-за габаритов станка: в этом случае монтаж зеркала на опоры разгрузки «невыполним ни практически, ни теоретически».

Впрочем, технологической оправы в любом случае не существует. По словам Емельянова, ее утилизировали за пару лет до начала этого масштабного проекта. А корректно определить форму зеркала, подвесив его на стальной ленте, как считает Емельянов, физически невозможно: «За счет гравитации "натекают" деформации в 15-20 длин волн». «На фоне этого ни метод Фуко, ни интерферограмма, ни тем более метод Шака-Гартманна не позволят определить реальной формы зеркала», — говорит он.

Специалисты же завода рассчитывали, что учесть разницу между формой зеркала при проверке его формы «в ленте» и в штатной оправе удастся с помощью математического моделирования. В результате качество изображения, создаваемого новым зеркалом, оказалось очень плохим. «Крылья звезд ("лучи", которые видны на снимках ярких звезд) расползаются на 20 угловых секунд», — говорит сотрудник обсерватории.

В техническом задании Лыткаринскому заводу (

на сайте госзакупок) есть требование, что поверхность зеркала должна соответствовать параболе с точностью не хуже 0,3 длины волны (или около 130 нанометров в данном конкретном случае), что, по расчетам, должно приводить к размерам изображения звезд в 0,2 угловой секунды в центре поля зрения. Впрочем, в описании результатов исследования зеркала, которые есть в распоряжении N+1, видно, что размер изображения звезд составляет скорее 0,6 угловой секунды для неалюминированного зеркала, но никак не 0,2.

Не все сотрудники САО настроены пессимистично. Так, один из них считает: «[Хотя] тех фантастических параметров, что были в ТЗ, достигнуто не будет, но в два раза хуже, как у нас тут некоторые заявляют, зеркало тоже не будет».

По словам Балеги, хотя в документах и было указано стандартное значение отклонения от идеальной формы (четверть длины волны, лямбда / 4), никто не рассчитывал, что удастся его получить. «Лямбда на четыре не получится, оно и не было никогда на зеркале таких размеров такой массы, но лямбда пополам, возможно, удастся сделать», — сказал он. По данным Афанасьева, значение отклонения сейчас хуже 0,6–0,7 лямбда.

Обсерватория без инструмента?

По словам Балеги, окончательные выводы можно будет сделать только после покрытия зеркала слоем алюминия, когда зеркало сможет работать полноценно. «Тогда мы сможем оценить качество - по настоящим звездам, с алюминированным зеркалом. Тогда будем решать [что делать]», - говорит он.

Именно это решение - алюминировать зеркало и продолжать тестирование, и только после этого решать вопрос о подписании акта приемки - было озвучено на ученом совете САО в понедельник.

Афанасьев резко против. Он рисует почти апокалиптическую картину: «Ситуация достаточно опасная - достаточно телескопу не проработать один год, чтобы мы уже не могли вернуться назад. Мы просто потеряем финансирование». «Есть неопровержимые факты, которые указывают на то, что зеркало в три раза хуже технического задания», - говорит он.

Балега просит не делать скоропалительных выводов. «Все-таки столь большое зеркало является сложным изделием, и даже после его установки в оправу телескопа должно пройти какое-то время, чтобы оно приняло свою окончательную форму», — говорит ученый.

Выдержать классический предел величины отклонений от параболы в четверть длины волны, продолжает Юрий Балега, вряд ли удастся, но и ожидать таких характеристик от зеркала, сваренного по технологии 50-летней давности, не приходится.

«Работы ведутся, вы знаете, как всегда в таком сложном деле всегда есть злопыхатели, недоброжелатели, надо подождать, посмотрим, экспертного заключения пока нет. Работают люди, команда, может быть, не самая сильная, обычная нормальная работа», — заключил он.

Редакция N+1 обратилась за комментариями в пресс-службу Лыткаринского завода оптического стекла, в ответ там заявили, что считают «преждевременным отвечать на вопросы, в связи с тем, что монтажные и наладочные работы еще не завершены. Мы готовы обсудить интересующие вопросы после завершения пуско-наладочных работ и ввода в эксплуатацию БТА».

Заместитель директора САО по научной работе Дмитрий Кудрявцев сказал N+1, что среднеквадратичное отклонение зеркала сейчас составляет 0,6 лямбда, и в техническом задании действительно было указано значение 0,3. По его словам, приемка зеркала не будет завершена до конца года.

«Процесс не завершен, есть определенные проблемы. Аттестация зеркала в общем и целом на настоящий момент не завершена. В этом году зеркало принято не будет. Его установили на телескоп, сейчас зеркало будет алюминировано, будут работы проводиться. Дальнейшие шаги будут известны, ориентировочно, весной. Пока сложно сказать, какие будут следующие шаги», — сказал он.

Но если астрономы придут к выводу, что инструмент недостаточно хорош, что-то исправить будет уже непросто, хотя бы потому, что проект переделки зеркала обошелся примерно в 150 миллионов рублей (а в последнем государственном контракте значится сумма в 48 миллионов рублей). В этом случае на телескоп придется вернуть то зеркало, которое верой и правдой служило ученым предыдущие сорок лет.

Игорь Иволгин

Поправка: из исходного текста удален предпоследний абзац, где говорилось, что дефекты поверхности на краю зеркала могут быть не критичны, если наблюдаемый объект находится в центре зеркала. Это не так — на качество изображения влияет состояние поверхности всего зеркала целиком. Приносим извинения читателям.