Турбулентная атмосфера Земли затрудняет обнаружение новых планет с Земли. Астроном Ребекка Дженсен-Клем всё равно работает над тем, как их найти.
13 октября 2025 г. 
Кулон на ожерелье Ребекки Дженсен-Клем шириной всего около дюйма состоит из 36 серебряных шестиугольников, переплетённых в мозаику в виде сот. В обсерватории Кека на Гавайях из такого же количества сегментов состоит зеркало диаметром 33 фута, отражающее образы неизведанных миров, которые Ребекка может изучать.
Дженсен-Клем, астроном из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, сотрудничает с обсерваторией Кека, чтобы найти способ обнаружения новых планет, не покидая нашу собственную. Обычно это стремление сталкивается с целым рядом препятствий: ветер, колебания плотности и температуры атмосферы или даже смещение зеркала телескопа могут создавать блики от света звезды, которые затмевают окружающее пространство, делая любые планеты, вращающиеся вокруг звезды, фактически невидимыми. А тот свет, который атмосфера Земли не затмевает, она поглощает. Именно поэтому исследователи, изучающие эти далёкие миры, часто работают с космическими телескопами, которые полностью обходят надоедливую атмосферу Земли, например, с космическим телескопом имени Джеймса Уэбба стоимостью 10 миллиардов долларов.
Связанная история
Поскольку вероятность столкновения космического астероида 2024 YR4 с Землей стала выше, чем у любого астероида такого размера, ученые по всему миру мобилизовались для защиты планеты.
Но есть и другой способ преодолеть эти препятствия. В своей лаборатории среди секвой Дженсен-Клем и её студенты экспериментируют с новыми технологиями и программным обеспечением, чтобы улучшить качество изображения основного сотового зеркала Кека и его меньшего, «деформируемого» зеркала. Используя данные атмосферных датчиков, деформируемые зеркала способны быстро корректировать форму, что позволяет им оперативно корректировать искажения, вызванные атмосферой Земли.
Этот общий метод получения изображений, называемый адаптивной оптикой, широко применяется с 1990-х годов. Но Дженсен-Клем стремится вывести игру на новый уровень, используя экстремальные технологии адаптивной оптики, которые позволяют получать изображения высочайшего качества в небольшом поле зрения. Её группа, в частности, занимается решением проблем, связанных с ветром и самим главным зеркалом. Цель состоит в том, чтобы сфокусировать свет звёзд настолько точно, чтобы планета была видна, даже если её звезда в миллион или миллиард раз ярче.
В апреле она и её бывшая коллега Майке ван Кутен были названы солауреатами премии «Новые горизонты в физике» Фонда Breakthrough Prize. В объявлении о присуждении премии говорится, что они получили эту награду за ранние научные исследования за свой потенциал «обеспечения прямого обнаружения мельчайших экзопланет» с помощью набора методов, которые обе женщины разрабатывали на протяжении всей своей карьеры.
В июле Дженсен-Клем также была объявлена членом нового комитета по Обсерватории обитаемых миров (Habitable Worlds Observatory) – концепции космического телескопа НАСА, который посвятит свою карьеру поиску признаков жизни во Вселенной. Ей поручено определить научные цели миссии к концу десятилетия.
«В адаптивной оптике мы проводим много времени за симуляциями или в лабораторных условиях, — говорит Дженсен-Клем. — Мне пришлось проделать долгий путь, прежде чем я действительно добился улучшений в обсерватории за последние несколько лет».
Дженсен-Клем давно ценит астрономию за её увлекательные возможности. В седьмом классе она увлеклась тем, как время замедляется вблизи чёрной дыры, когда её отец, инженер по аэрокосмической технике, объяснил ей эту концепцию. После поступления в бакалавриат Массачусетского технологического института в 2008 году её зацепило то, как далёкая звезда может как будто исчезнуть — внезапно погаснуть или постепенно исчезнуть, в зависимости от типа объекта, проходящего перед ней. «Это была не совсем экзопланетная наука, но многое пересекалось», — говорит она.
«Если вы просто посмотрите на ночное небо и увидите мерцающие звёзды, это происходит очень быстро. Поэтому нам тоже нужно спешить».
В это время Дженсен-Клем начала прорабатывать один из своих методов, получивших признание после того, как её ассистент порекомендовал ей пройти стажировку в Лаборатории реактивного движения НАСА. Там она работала над установкой, способной идеально корректировать ориентацию большого зеркала. Такие зеркала сложнее юстировать, чем меньшие, деформируемые, чьи сегменты, меняющие форму, подстраиваются под колебания атмосферы Земли.
«В то время мы думали: „А разве не было бы здорово установить такую в обсерватории Кека?“» — говорит Дженсен-Клем. Эта идея не давала ей покоя. Она даже написала об этом в заявке на стипендию, когда готовилась к началу аспирантуры в Калифорнийском технологическом институте. И после многих лет спонтанных разработок Дженсен-Клем удалось установить систему, использующую технологию, называемую датчиком волнового фронта Цернике, на главное зеркало обсерватории Кека около года назад. «Моя работа в качестве стажёра в колледже наконец-то закончена», — говорит она.
Связанная история
Специально разработанные алгоритмы помогут отфильтровать предстоящий поток астрономических наблюдений, помогая ученым делать новые открытия о Вселенной.
Система, которая в настоящее время используется для периодической перекалибровки, а не для постоянной настройки, включает в себя специальную стеклянную пластину, которая преломляет световые лучи от зеркала, формируя определённый рисунок. Детектор может уловить малейшее отклонение в изображении: если один шестиугольник слишком сильно сдвинут назад или вперёд, его яркость изменится. Даже самое незначительное отклонение важно исправить, потому что «при изучении слабого объекта вы внезапно становитесь гораздо более склонны к мелким ошибкам», — говорит Дженсен-Клем.
Она также работала над совершенствованием техники формовки деформируемого зеркала телескопа Кека. Этот инструмент, отражающий свет, перенаправленный от главного зеркала, гораздо меньше — всего шесть дюймов в ширину — и способен менять положение до 2000 раз в секунду, чтобы бороться с атмосферной турбулентностью и создавать максимально чёткое изображение. «Если вы просто посмотрите на ночное небо и увидите мерцание звёзд, это происходит очень быстро. Поэтому нам тоже нужно действовать быстро», — говорит Дженсен-Клем.
Даже при такой высокой скорости перенастройки задержка всё равно присутствует. Деформируемое зеркало обычно отстаёт от реальных наружных условий примерно на одну миллисекунду в любой момент времени. «Когда система [адаптивной оптики] не успевает, наилучшего разрешения не добиться», — говорит ван Кутен, бывший коллега Йенсена-Клема, ныне работающий в Национальном исследовательском совете Канады. Эта задержка оказалась особенно неприятной в ветреные ночи.
Дженсен-Клем считала эту задачу неразрешимой. «Причина этой задержки в том, что нам нужно выполнить вычисления, а затем переместить деформируемое зеркало», — говорит она. «Это невозможно сделать мгновенно».
Связанная история
Посмотрите на потрясающие первые снимки из обсерватории Веры К. Рубин
С впечатляющим набором галактик и туманностей амбициозный телескоп начинает свое 10-летнее исследование космоса.
Но ещё будучи постдоком в Калифорнийском университете в Беркли, она наткнулась на статью, предлагавшую решение. Авторы предположили, что использование предыдущих измерений и простых алгебраических действий для прогнозирования изменений атмосферы, а не попытка отслеживать их в реальном времени, даст лучшие результаты. В то время у неё не было возможности проверить эту идею, но приезд в Калифорнийский университет в Санта-Крузе и работа с Кеком предоставили прекрасную возможность.
Примерно в это же время Дженсен-Клем пригласила Ван Кутен присоединиться к своей команде в Калифорнийском университете в Санта-Крузе в качестве постдокторанта, поскольку их общий интерес к предиктивному программному обеспечению. «Поначалу у меня не было жилья, поэтому она поселила меня в своей гостевой комнате», — говорит Ван Кутен. «Она просто невероятно поддерживает меня на каждом этапе».
После создания экспериментального программного обеспечения для испытаний в Кеке команда сравнила предиктивную версию с более стандартной адаптивной оптикой, проверяя, насколько хорошо каждая из них даёт изображения экзопланет, не затмевая их звёздным светом. Они обнаружили, что предиктивное программное обеспечение позволяет получать изображения даже самых слабых экзопланет в два-три раза более чёткие. Результаты, опубликованные Дженсен-Клем в 2022 году, стали частью премии «Новые горизонты в физике».
Тэйн Карри, астроном из Техасского университета в Сан-Антонио, говорит, что эти новые методы станут особенно важными по мере того, как исследователи будут строить всё более крупные наземные установки для получения изображений экзопланет, включая такие предстоящие проекты, как Чрезвычайно большой телескоп в Европейской южной обсерватории и Гигантский Магелланов телескоп в Чили. «Мы узнаём невероятно много о Вселенной, и это во многом обусловлено новейшими технологическими достижениями», — говорит Карри. «Работа доктора Дженсен-Клем — пример такого рода инноваций».
В мае один из аспирантов Дженсен-Клем вернулся на Гавайи, чтобы переустановить предиктивное программное обеспечение в Кеке. На этот раз программа не просто пробная, она останется там надолго. Новое программное обеспечение показало, что может перефокусировать искусственный звёздный свет. Теперь ему предстоит доказать свою способность работать с реальным светом.
Связанная история
Инженеры используют высокоточные модели для мониторинга операций, планирования исправлений и устранения неполадок.
А примерно через год Дженсен-Клем, ее студенты и коллеги будут готовиться к потоку наблюдений от миссии Gaia Европейского космического агентства, которая недавно завершила измерение движения, температуры и состава миллиардов звезд на протяжении более чем десятилетия.
Когда проект опубликует следующий набор данных, запланированный на декабрь 2026 года, команда Дженсен-Клем намерена искать новые экзопланетные системы, используя такие подсказки, как колебания движения звезды, вызванные гравитационным воздействием планет, вращающихся вокруг неё. После того, как система будет идентифицирована, фотографы экзопланет смогут снимать скрытые планеты с помощью нового инструмента на телескопе Кека, который позволит больше узнать об их атмосферах и температурах.
Предстоит перебрать горы данных и перефокусировать ещё больше звёздного света. К счастью, Дженсен-Клем потратила больше десятилетия на оттачивание необходимых ей методов: «В следующем году, — говорит она, — мы будем спешить применить все наши адаптивные оптические трюки к этим системам и обнаружить как можно больше таких объектов».
Дженна Ахарт — научный журналист, специализирующийся на физических науках.
Источник: www.technologyreview.com
