Но что будет, если этих шариков много? Все они не смогут занять центр луча: там просто не хватит места. Поэтому они образуют двумерный гексагональный объект, выстраиваемый перпендикулярно направлению распространения луча. Что интересно, входя в контакт с соседними шариками, они прилипнут друг к другу за счёт электростатических сил.
Полторы сотни 3-микрометровых пенополистироловых шариков выглядят не слишком серьёзно, но именно за подобными самособирающимися зеркалами, вероятно, будущее космических телескопов. (Иллюстрация Grzegorczyk et al.)
Итак, перед нами самосборка тонкой перегородки, причем если вы из хулиганских побуждений проделаете в ней дыру, то она затянется «сама по себе» — точнее, за счёт действия луча. Более того, если сделать перегородку из правильного материала, перед вами предстанет зеркало. Если полученная поверхность будет ровной... Да, вы правы: это рецепт изготовления зеркал для космических телескопов титанических размеров.
Трио физиков во главе с Жан-Марком Фурнье (Jean-Marc Fournier) из Швейцарской высшей политехнической школы в Лозанне провело эксперимент, чтобы понять, насколько ровным может быть такое зеркало. Для этого использовался лазер, подобным образом управляющий группой пенополистироловых шариков в воде. В итоге шарики действительно самособрались в плоское зеркало. В теории подобным же образом можно получить и слегка изогнутые поверхности, и даже трёхмерные.
Применив это плоское зеркало как часть системы получения изображений, исследователи оценили качество его работы, и результаты оказались... никудышными. Впрочем, иного и ожидать не стоило — ведь это эксперимент по доказательству работоспособности концепции, а вовсе не конвейер по сборке телескопов, по крайней мере пока. И тем не менее удалось продемонстрировать, что зеркало не слишком сильно искажает отражаемый свет; это в принципе позволяет использовать нечто подобное в телескопах.
Чтобы понять, насколько хорошо подобное зеркало будет в реальных условиях, учёные попробовали оценить качество работы моделируемого аналога. По сегодняшним оптическим стандартам, зеркало имело не слишком ровную поверхность, однако было способно почти к такой же фокусировке, что и очень ровное зеркало. Исследователи, по сути, показали, что этот регулярный упорядоченный набор шариков действует как большой массив антенн, работающих со светом.
При размерах составляющих зеркало частиц, меньших, чем длина световой волны, с которой будет работать телескоп, получились весьма оптимистичные результаты в смысле качества и устойчивости подобного зеркала к ошибкам. Чтобы добиться их, учёные предположили, что частицы можно будет расположить при помощи такого оптического пинцета с точностью до 200 нм, что, вообще говоря, довольно сложно при сегодняшнем уровне техники.
Приняв это допущение о размерах частиц, авторы работы попробовали оценить массу такого зеркала. Оказалось, что для расчётной отражающей плоскости в 35 м, созданной из шариков диаметром 100 нм, вес будет равен 100 г. Более того, даже если размер шарика поднять до микрометра, подобное зеркало всё равно будет легче создаваемого по нынешним технологиям.
Почему это важно? Просто вглядитесь в зеркала современных космических телескопов. «Кеплер» — 1,4 м. «Джеймс Уэбб» (который ещё только предстоит достроить и запустить) — 6,5 м из 18 частей. Очевидно, что если исследователи правы, то при аналогичной стоимости проекта они смогут развернуть зеркала как минимум на порядок крупнее — то есть добиться от них такого качества итоговых изображений, которое позволит напрямую увидеть сами экзопланеты, а не ограничиваться регистрацией колебаний в светимости их родительских звёзд в момент прохождения планет перед диском.
Впрочем, нельзя сказать, что тут всё чересчур радужно. Да, зеркало может быть большим и самовосстанавливающимся, но приводиться в рабочее состояние оно будет при помощи лазера.
Зеркало размером 35 м при текущем уровне развития оптических пинцетов потребует от лазера внушительной мощности — точнее, огромной, вплоть до гигаваттов, а по иным оценкам — и до 100 ГВт. Хотя это вполне достижимо, если использовать массив лазеров с излучением, согласованным по фазе, запитать их в космических условиях будет неоткуда: вряд ли космический телескоп сможет нести с собой пару сотен квадратных километров солнечных батарей.
Однако не будем отчаиваться: технологии оптических пинцетов развиваются довольно быстро, и, кроме того, в качестве заместителя сплошного зеркала можно использовать сразу много малых зеркал, что потребует намного меньших энергозатрат и, как знать, может оказаться по зубам телескопам следующего поколения. Джонатан Аренберг (Jonathan Arenberg) из Northrop Grumman, ведущий инженер «Джеймса Уэбба», замечает, что у схемы есть важные принципиальные достоинства, и массивы таких зеркал на оптических пинцетах в принципе способны иметь практически любые размеры — при меньшем энергопотреблении, чем у сплошных объектов.
На первый взгляд — научная фантастика. С другой стороны, всего 70 лет назад «Кеплер» показался бы среднему астроному куда бóльшей фантастикой. (Иллюстрация Lucasfilm.)
«10 или 100 км при таком методе могут стать достижимыми, и это позволит получать прямые изображения двойников Земли в других планетных системах, вплоть до снимков континентов и покрытых лесами районов, аналогичных Амазонии на Земле», — считает г-н Аренберг.
Это, в теории, обещает переворот в экзопланетной астрономии, сравнимый с «кеплеровским», если не более серьёзный. По всей видимости, с зеркалами такого размера нам наконец-то станет доступен поиск признаков обитаемости как минимум на планетах у ближайших звёзд. Излишне говорить о тех последствиях, которые может иметь такая находка для человечества как вида. Несмотря на вышеописанные практические затруднения для развёртывания таких зеркал, потенциал собственно технологии огромен, и дальнейшие исследования в этом направлении могут иметь чрезвычайное значение.
Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters.
Подготовлено по материалам Ars Technica.
