Солнечная астрономия. Часть 6

С точностью до нанометра

Помните Наполеона из рекламы банка «Империал»? «С точностью до миллиметра» — не больше и не меньше. Потому и обанкротился банк. Слоганом сегодняшнего дня должно стать «с точностью до нанометра». По крайней мере, в рентгеновской солнечной астрономии.

В статье о чертях на Солнце мы обсуждали минимальный размер обнаружимого объекта на солнечном диске. Если кратко повторить, то за всё время исследований учёные продвинулись с 10 тысяч км (1987 год) до 500 км (сегодняшний день). Проектируемая обсерватория АРКА (Россия) намерена улучшить этот показатель до 130 км. Вопрос: за счет чего?

Для ответа на вопрос нужно понять, от чего зависит разрешение оптической системы? То есть как раз минимальный размер обнаружимого объекта. Причем речь идет хоть о телескопе, хоть о микроскопе.
Прежде всего, разрешение зависит от длины волны, на которую настроен прибор. Мы уже говорили о длинах волн. И поняли, что в рентгеновском диапазоне они в 10-1000 раз короче, чем в видимом свете.

Длины волн, в которых изучают солнечную корону около 30 нанометров (нанометр – одна миллиардная часть метра). Длина волн видимого света 400-700 нанометров – в 15-20 раз длиннее.

Улучшить разрешение за счет длины волны мы не можем – она (те самые 30 нм) задана природой. Точнее ионами гелия, которые и «светятся» на этой волне.

Вопрос: какие ручки есть еще в нашем распоряжении?

Ответ: размер зеркал, входящих в оптическую схему. Грубо (очень грубо) говоря, чем больше зеркала, тем выше разрешение, то меньше размер предельно обнаружимого объекта. Как говорится, размер имеет значение.

Все эти годы шло увеличение размеров зеркал от обсерватории к обсерватории. В 1987 году они были 30 миллиметров в диаметре. Для обсерватории АРКА (запуск после 2022 года) уже достигают 250 мм.

Ну вот, скажете вы, вот он – рецепт. Давайте дальше увеличивать размеры зеркал!

Не всё так просто. Во-первых, есть технические сложности. Изготовить полуметровое зеркало тяжело, стоить оно будет дорого. И да, еще оно будет много весить. А вес при космических экспериментах имеет большое значение.

Во-вторых, можно заметить, что не всё дело в размере. Смотрите: за 30-35 лет размер зеркал вырос в 8 раз (с 30 до 250 мм), а разрешение выросло в 77 раз (с 10 тысяч до 130 км).

Что же тут еще работает? Работает здесь умение справиться с аберрациями в оптических схемах.

Что такое аберрация? Это ошибка изображения. В качестве аналогии искажения изображений можно привести старый аттракцион «комната смеха» с кривыми зеркалами. Отклонение поверхностей зеркал от идеальной плоскости вносит ошибки изображения.

В любой оптической схеме от природы заложены аберрации. Весь вопрос в том, насколько их удается уменьшить. В рентгеновской оптике в последнее десятилетие заметно удалось продвинуться в минимизации аберраций.

Основной путь улучшения – создание зеркал с формой поверхности, максимально приближенной к идеальным расчетным величинам. А уровень искажений может характеризовать величина СКВО (среднеквадратичное отклонение – не путать с женой индейца).

Главной трудностью для рентгеновских зеркал является очень малое предельно допустимое СКВО: для длины волны 30 нм эта величина составляет 2 нанометра. Это означает, что то самое 250-миллиметровое зеркало должно иметь форму, например, сферы или параболы с точностью до двух миллиардных долей метра.

А если повести речь о рентгеновской микроскопии с длиной волны 10 нм, требование по СКВО вырастает до 0,7 миллиардной доли метра. Это величина расстояния между атомами в веществе. Точность формы рентгеновских зеркал должна быть высочайшей – до атомного уровня! И этого удается добиваться.

Для решения этой задачи требуется: а) уметь измерять форму на атомном уровне, б) уметь исправлять неточности.

Разберемся с пунктом «а». Для измерения объекта его нужно сравнивать с эталоном. Например, при измерении длины чего-нибудь это что-нибудь сравнивают с линейкой. А форму сферического рентгеновского зеркала сравнивают с эталонной сферой.

Очевидно, что эталон должен быть сферой с атомной точностью. Вопрос: где ее взять? Ответ: позаимствовать у природы сферический фронт световой волны. Ничего лучше, чем сама природа, тут не создать. Направляем сферическую волну на зеркало и измеряем ее искажения после отражения. Так работает интерферометр.

Переходим к пункту «б». Поняв, какие области зеркала отклоняются от нужной формы, можно их слегка подточить. Только не напильником и не наждаком, а ионным пучком.

Убирать атомы поверхности зеркала нужно чем-то сравнимым с ними по размеру. Для этого отлично подходят ускоренные ионы. Они ударяются о поверхность и выбивают атомы.

Таким образом и получаются поверхности с точностью формы на атомном уровне. Затем эти зеркала еще нужно укрепить в трубе телескопа – опять же без искажений!

Учесть эффект гравитации: на земле сила тяжести, в космосе невесомость – это изменение очень сильно – на нанометровом уровне, конечно, – действует на форму.

И только после всего этого получить изображения солнечных объектов рекордно малой величины. Правда, пока эта малость планируется на уровне 130 км. Но несомненно это не предел.

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!