Найменше вікно на Сонце

Ось число, з яким варто посидіти... шість міліметрів. Це діаметр нового оптичного компонента, розробленого в Університеті Каліфорнії в Сан-Дієго, який може кардинально змінити спосіб, яким майбутні космічні телескопи вивчають Сонце. Він навіть менший за ваш маленький ніготь, і, можливо, це один з найзначніших проривів у спостереженні за Сонцем за останнє покоління.

Компонент називається метаповерхнева поляризаційна решітка. Легко вимовляється, і, можливо, звучить лякаюче, але основна ідея елегантна. Світло має властивість, звану поляризацією, яка описує напрямок, в якому його хвилі вібрують під час руху. Більшість часу ми зовсім ігноруємо поляризацію, але в астрономії вона несе надзвичайно корисну інформацію. Магнітні поля Сонця залишають свої відбитки в поляризації світла, на яке вони впливають, і, точно вимірюючи ці відбитки, вчені можуть картографувати, що робить магнітне поле і де воно може бути готове зробити щось драматичне.

Метаповерхня — це коло діаметром шість міліметрів у центрі диска, яке тримають пінцетом (Кредит: Ноа Рубін/UC San Diego)

Сучасні сонячні телескопи роблять це, але з істотним обмеженням. Вони вимірюють поляризацію в одному напрямку за раз, обертаючи спеціалізований оптичний компонент між кожним експонуванням і формуючи повну картину з серії окремих зображень. Уявіть, що ви робите чотири фотографії однієї й тієї ж сцени через поляризовані сонцезахисні окуляри, які тримаються під чотирма різними кутами, а потім зшиваєте їх разом. Це працює, але виникає проблема, яка стає гострою в космосі: між кожним експонуванням космічний апарат вібрує. Непомітно, але достатньо. Ці маленькі рухи зсувають зображення на частки, розмиваючи саме ті тонкі деталі, які потрібні вченим. Компенсація за це вимагає складних систем стабілізації, які часто коштують більше, ніж сам телескоп.

Метаповерхня вирішує цю проблему, роблячи щось надзвичайно просте. Замість того, щоб вимірювати один напрямок поляризації за раз, вона розділяє вхідне світло на кілька каналів поляризації одночасно, захоплюючи все в одному знімку. Немає послідовних експонувань, немає руху між зображеннями і немає проблеми вібрації. Результат — простіший інструмент, компактніша система та дані, які є чистішими та повнішими, ніж будь-що, що може виробити обертовий компонент.

Приклади зображень сонячних плям, отриманих за допомогою метаповерхні в сонячній обсерваторії. Кожен набір складається з чотирьох зображень, кожне з яких є різним каналом поляризації (Кредит: Ноа Рубін/UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Пристрій працює завдяки наномасштабним структурам, витравленим на його поверхні, кожна з яких менша за довжину хвилі самого світла, спроектованим для маніпуляції світлом такими способами, які звичайна оптика просто не може. П’ять років розробки в UC San Diego, за якими слідували випробування на відповідність космічним вимогам з промисловим партнером BAE Systems, перетворили його з концепції на компонент, який тепер був розгорнутий на сонячному телескопі Дунна в Нью-Мексико і успішно використаний для зображення сонячних плям і вимірювання магнітних полів усередині них.

Команда порівняла свої результати з даними з Сонячної динамічної обсерваторії NASA, золотою стандартною для спостереження за Сонцем з космосу. Відповідність була, за їхніми словами, «дуже-дуже схожою». Це значний момент, оскільки це означає, що цей крихітний компонент, що знаходиться всередині спеціально побудованого телескопа, який сам розташований на кінці світлового шляху, що простягається на 136 футів над землею та 228 футів під землею, виробляє науку, яка стоїть поряд з найкращими даними космічних місій.

Наступний крок — це сам космос. Команда подала пропозицію до NASA для вивчення концепції місії, що досліджує, як метаповерхня може бути інтегрована в спеціалізований космічний апарат для спостереження за Сонцем. Сонце не перестане бути небезпечним, але, можливо, ми тільки що знайшли кращий спосіб спостерігати за ним.