Самое маленькое окно на Солнце

Вот число, с которым стоит поразмыслить... шесть миллиметров. Это диаметр нового оптического компонента, разработанного в Университете Калифорнии в Сан-Диего, который может кардинально изменить то, как будущие космические телескопы изучают Солнце. Он даже меньше вашего мизинца, и, возможно, это одно из самых значительных достижений в солнечных наблюдениях за последнее поколение.

Компонент называется метаповерхностной поляризационной решеткой. Звучит сложно, но основная идея элегантна. Свет обладает свойством, называемым поляризацией, которое описывает направление, в котором его волны вибрируют во время движения. Большую часть времени мы полностью игнорируем поляризацию, но в астрономии она несет чрезвычайно полезную информацию. Магнитные поля Солнца оставляют свои отпечатки в поляризации света, на который они влияют, и, точно измеряя эти отпечатки, ученые могут картировать, что делает магнитное поле и где оно может готовиться к чему-то драматичному.

Метаповерхность — это круг размером шесть миллиметров в центре диска, который держат пинцетом (Кредит: Ноа Рубин/UC San Diego)

Современные солнечные телескопы делают это, но с серьезным ограничением. Они измеряют поляризацию в одном направлении за раз, вращая специализированный оптический компонент между каждым экспонированием и собирая полную картину из серии отдельных изображений. Подумайте об этом, как о том, чтобы сделать четыре фотографии одной и той же сцены через поляризованные солнечные очки, удерживаемые под четырьмя разными углами, а затем сшить их вместе. Это работает, но создает проблему, которая становится острее в космосе: между каждым экспонированием космический аппарат вибрирует. Неприметно, но достаточно. Эти крошечные движения смещают изображения на доли, размывая именно те мелкие детали, которые нужны ученым. Компенсация этого требует сложных систем стабилизации, которые часто стоят дороже самого телескопа.

Метаповерхность решает эту проблему, делая что-то удивительно простое. Вместо того чтобы измерять одно направление поляризации за раз, она разделяет входящий свет на несколько поляризационных каналов одновременно, захватывая все в одном снимке. Нет последовательных экспонирований, нет движения между изображениями и нет проблемы с вибрацией. Результат — более простой инструмент, более компактная система и данные, которые чище и полнее, чем все, что может произвести вращающийся компонент.

Примеры изображений солнечных пятен, полученных с помощью метаповерхности в солнечной обсерватории. Каждый набор состоит из четырех изображений, каждое из которых представляет собой другой поляризационный канал (Кредит: Ноа Рубин/UC San Diego Jacobs School of Engineering)

Устройство работает благодаря наноразмерным структурам, выгравированным на его поверхности, каждая из которых меньше длины волны самого света, спроектированным для манипуляции светом так, как это просто невозможно для обычной оптики. Пять лет разработки в UC San Diego, за которыми последовали испытания на соответствие космическим стандартам с промышленным партнером BAE Systems, превратили его из концепции в компонент, который теперь был развернут в солнечном телескопе Дунна в Нью-Мексико и успешно использован для получения изображений солнечных пятен и измерения магнитных полей внутри них.

Команда сравнила свои результаты с данными Обсерватории солнечной динамики NASA, золотым стандартом солнечных наблюдений из космоса. Совпадение было, по их собственным словам, «очень-очень похожим». Это значимый момент, поскольку это означает, что этот крошечный компонент, находящийся внутри специально построенного телескопа, который сам находится на конце светового пути длиной 136 футов над землей и 228 футов под землей, производит научные данные, которые стоят наравне с лучшими данными космических миссий.

Следующий шаг — это сам космос. Команда подала предложение в NASA для изучения концепции миссии, исследующей, как метаповерхность может быть интегрирована в специализированный космический аппарат для солнечных наблюдений. Солнце не перестанет быть опасным, но, возможно, мы только что нашли лучший способ его наблюдения.