Обращенные к звездам. Прошлое, настоящее и будущее астрономии

Фиксация данных в астрономии, грубо говоря, сводится к двум способам: визуализации и спектроскопии. Визуализация в данном случае означает фотографирование ночного неба. Обычно мы делаем снимки с помощью фильтров, которые строго контролируют длину волны получаемого излучения, позволяя только синему, зеленому или красному свету проходить через камеру телескопа к детектору. Это позволяет нам очень точно фиксировать, сколько света излучает звезда в определенном узком диапазоне длин волн. Делая снимки в нескольких диапазонах длин волн, а затем комбинируя их, мы получаем прекрасные цветные изображения и с помощью этих данных можем многое узнать об изучаемом объекте. Подобные изображения позволяют увидеть форму галактики, распределение газа в туманности, степень яркости звезды и точное положение всех этих объектов на небе.

Спектроскопия значительно менее фотогенична, но не менее эффективна с научной точки зрения. Микроскопически выровненная отражающая поверхность или призма автоматически раскладывает свет, полученный от объекта, на волны разной длины. (Хороший пример — эффект радуги, который можно увидеть на обороте компакт-диска.) Синий свет с самой короткой длиной волны направляется в крайнюю левую часть ПЗС-матрицы, свет с наибольшей длиной волны — в правую часть, а промежуточные длины волн распределяются посередине. Разложение света и затем определение, сколько его мы получаем на каждой длине волны, даст нам спектр объекта; это делает прибор под названием спектрограф, который, по сути, делает снимок спектра. Спектр прекрасно позволяет анализировать химический состав объекта, поскольку свет, поглощаемый или излучаемый определенными молекулами или атомами, имеет точно известную длину волны. Самый яркий свет от водорода будет казаться желтоватым, ионизированный кислород дает голубой цвет, ионизированный кальций образует три красные линии, а совокупный спектр любого объекта можно считывать как уникальный отпечаток пальца, дающий краткое представление о физических свойствах и химическом составе любого наблюдаемого объекта. С помощью спектра также можно измерить, с какой скоростью объект движется в пространстве и вращается, или даже определить, как далеко он находится.

Данные визуализации и спектроскопии требуют серьезной последующей обработки, прежде чем можно будет извлечь из них научную информацию. Необработанные данные на ПЗС перекрывает какофония бесполезных данных. Электрические помехи от детектора, свет от луны и нашей собственной атмосферы, который телескоп уловил вместе с наблюдавшейся звездой, и даже такие мелочи, как рассеянные тепловые сигнатуры или сверхчувствительный (или недостаточно чувствительный) пиксель на ПЗС-матрице, — все это застилает реальные данные туманом плохих сигналов. Для решения этой проблемы проводится редукция данных, то есть сокращение

их объема, что позволяет вычистить все лишнее и добраться до научных данных, которые нам действительно необходимы. Это требует невероятной точности: важно не выбросить полезный сигнал и не оставить в данных мусор, а при этом еще и сохранить целостность данных. Публикацию красивых астрономических изображений неспециалисты иногда встречают недовольными комментариями: «Это же все обработано!» Естественно, все обработано — как палеонтологи, склонившись над хрупкими останками динозавра, показавшимися из земли, бережно счищают с них грязь и песок крошечными кисточками, чтобы обнажить окаменелую кость, так и мы удаляем с наших данных электронный «песок», чтобы увидеть все четко и ясно.

Все вышесказанное означает, что открытия редко совершаются непосредственно у телескопа: как правило, данные требуется тщательно изучить, прежде чем можно будет сделать какие-либо выводы. Тем не менее опытные астрономы могут быстро выполнить предварительную редукцию прямо у телескопа, чтобы сразу оценить, какие данные удалось получить. Именно здесь проявляется преимущество цифровых данных: вместо того чтобы трястись над единственной стеклянной фотопластинкой, как над хрупкой костью динозавра, астрономы могут позволить себе роскошь просто скопировать данные в отдельный файл, а затем, продолжая аналогию, обдуть нашу кость динозавра из садового пылесоса, то есть быстро прогнать полученные данные через программное обеспечение, которое тут же уберет столько мусора, что можно будет сразу предварительно оценить результат наблюдения. Это бесценно, потому что дает нам возможность проверять наши данные практически в реальном времени и при необходимости корректировать время съемки и настройки телескопа, чтобы улучшить результат наблюдения, а значит, и научные данные.