Человечество всматривается во Вселенную очень дорогими глазами. Компьютеры не только управляют движениями этих глаз и обрабатывают изображения далеких миров, но и эффективно увеличивают зоркость современных оптических телескопов.

Давным-давно жили-были на Земле странные и энергичные люди. Они поклонялись Солнцу и любили строить гигантские сооружения из огромных каменных блоков, подогнанных друг к другу с точностью до миллиметра. Их мегалитическая цивилизация опоясала весь мир. Они оставили следы своей загадочной кипучей деятельности от Цейлона до Египта и от Сахары до Англии, затем объявились со всей своей культурой в Америке, а оттуда ушли в Тихий океан на остров Пасхи и Полинезийский архипелаг. Вероятно, они первыми из вида Homo sapiens достаточно глубоко осознали, что для того, чтобы возвыситься над извечной животной борьбой за жратву и размножение, следует созидать и познавать. Например, строить астрономические обсерватории и изучать движение планет и звезд. Знаменитый Стоунхендж в Англии и подобные ему развалины во многих других местах Европы были когда-то обсерваториями солнцепоклонников. А недавно в песках Южной Сахары нашли еще одну. Она старше Стоунхенджа на тысячелетие. Ей 7000 лет.

В конце XX века астрономы смотрят в небо всё с той же целью: помочь человечеству сохранить человеческое лицо. Там, в глубинах Космоса, природа ставит физические эксперименты с таким размахом, какой и не снился физикам в их земных лабораториях. Людям остается только с завистью подглядывать и использовать результаты астрономических наблюдений для проверки самых продвинутых физических теорий. Тех теорий, которые завтра станут технологиями, а послезавтра - нашей повседневной жизнью. Чтобы это "послезавтра" оказалось лучше наших ожиданий, сегодня во Вселенную всматриваются сотни телескопов: оптических, инфракрасных, радио, ультрафиолетовых, рентгеновских, гамма, наземных, орбитальных и даже подземных - нейтринных. О двух мощнейших оптических телескопах мне хочется рассказать читателям "Компьютерных Вестей" потому, что полноценное функционирование этих очень дорогих инструментов было бы просто невозможным без быстродействующих компьютеров.

На вершине вулкана Мауна-Кеа на Гавайях находится самый мощный в мире оптический телескоп Кека. Собственно, это не один телескоп, а два: Кек I работает с мая 1993 года, а Кек II - с октября 1996 года. Эти два инструмента-близнеца образуют обсерваторию Кека, принадлежащую США и управляемую CARA - Калифорнийской ассоциацией исследований в астрономии, объединяющей Калтех, Калифорнийский университет и NASA. Каждый из двух телескопов Кека весит 300 тонн и имеет рекордное по размеру главное зеркало - 10 метров в диаметре. Весь проект по созданию и развитию обсерватории Кека к 2000 году съест 500 миллионов долларов.

Говоря о таких больших деньгах, следует сделать одно лирическое отступление. Вероятно, читатель заметил, что и обсерватория, и оба ее телескопа носят одно и то же имя - Кек. Более того, создание телескопа Кек I было начато в 1985 году благодаря гранту размером 140 миллионов долларов, выделенному Фондом (опять-таки) Кека. У.М.Кек - это миллионер и астроном-любитель, который вошел в историю, подарив свои деньги ученым на создание уникального инструмента. Господа миллионеры, читающие "Компьютерные Вести"! Если вы хотите увековечить свои имена, то зачем вы строите храмы? Храм назовут не вашим именем, а именем святого, и совпадение этих имен сути не изменит. Наука не так спесива, как религия, потому перенимайте передовой опыт вашего коллеги Кека! Обсерватории, увы, очень дороги, однако и "Компьютерная лаборатория (скажем) Иванова" звучит достаточно гордо.

Есть ли компьютеры в обсерватории Кека? А где их теперь нет? Но не только для того, чтобы астрономы подсчитывали свои зарплаты и развлекались играми. Компьютеры управляют движениями телескопов и, несмотря на вращение Земли, с высочайшей точностью держат на оптической оси наблюдаемый объект в течение нескольких часов. Зачем так долго? Затем, что изображения очень удаленных и слабых объектов статистически набираются многие часы. Разумеется, не человеческим глазом и не фотопленкой - для этого есть в сто раз более чувствительные электронные детекторы. Компьютеры также обрабатывают сигналы этих детекторов и синтезируют изображения далеких миров. Но главная работа компьютеров в телескопе Кека происходит на главном 10-метровом зеркале, и без них это зеркало было бы не оптическим элементом, строящим изображение, а просто "светосборником", годным разве что для разогревания консервов солнечным светом. Дело в том, что главное зеркало телескопа-рефлектора должно отклоняться по форме от точного параболоида не более чем на 1/10 длины световой волны. Зеркала телескопов отливают из специального стекла; отливку очень медленно охлаждают, чтобы не допустить появления в ней внутренних напряжений; затем верхнюю поверхность гигантского стеклянного диска шлифуют под форму параболоида, постоянно контролируя отклонения оптическими методами; наконец, параболоидную поверхность полируют, тщательно очищают и в глубоком вакууме напыляют на нее тончайший слой алюминия. Идеальное зеркало готово. Но если его отклонить от горизонтали, то оно деформируется под собственной тяжестью и станет никуда не годным. Во избежание этого приходится делать стеклянный диск очень толстым и потому тяжелым, а также применять замысловатые системы разгрузки зеркала, то есть равномерного распределения его веса на множество опорных точек. Эти технические решения годились для зеркал диаметром до 5 метров, а вот уже 6-метровый рекордный советский рефлектор постигла неудача: его зеркало настолько исказилось, что эффективно работал только 2-метровый пятачок. Но если зеркало более 5 метров диаметром неизбежно становится слишком мягким, то как же работают 10-метровые зеркала обоих Кеков? Никакого парадокса: просто они не сплошные. Каждое состоит из 36 шестиугольных сегментов размером 1,8 метра. Каждый сегмент - достаточно жесткая часть идеального параболоида, но сегменты закреплены не жестко и могут чуть-чуть перемещаться под действием пьезоэлектрических толкателей - актуаторов. Вся поверхность зеркала непрерывно освещается лазером, получающаяся интерференционная картина считывается детекторами-сенсорами и передается в компьютер, который анализирует, насколько каждый сегмент зеркала отклонился от параболоида. Дважды в секунду компьютер посылает управляющие сигналы на сотню актуаторов, и те выводят каждый сегмент зеркала к идеальной поверхности с точностью 4 нанометра, то есть 1/1000 толщины волоса. Делать это необходимо так часто потому, что зеркало непрерывно поворачивается, следя за своей небесной целью, и конструкции крепления сегментов всего за полсекунды ощутимо деформируются. Но требуемые скорости анализа данных от сенсоров и управления актуаторами - уже не фантастика для современных компьютеров, и характеристики обоих Кеков это доказывают. Удивительно красивое компьютерное решение казалось бы неразрешимой технической проблемы, не так ли?

А вот еще одно компьютерное решение еще одной проблемы астрономии - адаптивная оптика. Чтобы почувствовать эту проблему, сравним огромные наземные телескопы Кека с небольшим орбитальным телескопом Хаббла, имеющим всего лишь 2,4-метровое зеркало. Когда оба Кека работают по одному и тому же объекту одновременно, они эквивалентны виртуальному телескопу с 14-метровым зеркалом и видят гораздо более далекие и слабые объекты, чем видит Хаббл. Зато Хаббл видит гораздо более четко, то есть его угловое разрешение существенно превосходит разрешение Кеков. Дело в том, что Хабблу не мешает земная атмосфера, которая сильно смазывает картинку, получаемую наземными инструментами. Как победить атмосферные искажения? Запустить на орбиту 10-метровый телескоп - дело немыслимое: даже небольшой Хаббл обошелся в 1,2 миллиарда долларов. К счастью, есть красивое техническое решение, позволяющее повысить разрешение наземных телескопов практически до уровня орбитальных. Это решение звучит парадоксально: если земная атмосфера искажает видимую телескопом картинку, то надо исказить оптику телескопа таким образом, чтобы восстановилась четкая картинка. Телескоп должен стать умным (разумеется, за счет электронных мозгов): он должен анализировать и распознавать происходящие в атмосфере искривления световых лучей и адаптировать (то есть приспосабливать) свою оптику так, чтобы кривая оптика компенсировала эффект кривой атмосферы. На телескопах Кека эта идея будет реализована следующим образом. У телескопов-рефлекторов кроме главного зеркала обязательно есть еще и вспомогательное, или вторичное, зеркало небольшого диаметра: оно располагается над главным и направляет собираемые им лучи на детекторы. В следующем году жесткое вторичное зеркало телескопа Кек II будет заменено достаточно мягким зеркалом, деформируемым 349 актуаторами под управлением компьютера; затем такой же адаптивной оптикой оснастят Кек I. После этой операции наземная обсерватория Кека не будет уступать космическому Хабблу по остроте зрения, превосходя его по дальнозоркости.

Если для американцев адаптивная оптика - дело близкого будущего, то для европейцев это будущее наступило 25 мая текущего года. В этот день увидел свет первый из системы четырех 8,2-метровых телескопов, создаваемых ESO (Европейской Южной Обсерваторией, консорциумом десяти стран) в чилийской пустыне Атакама. Четверка инструментов-близнецов называется VLT (Очень Большой Телескоп), и она будет полностью готова к 2003 году. Тогда VLT станет самым мощным в мире телескопом с виртуальным 16-метровым зеркалом. Но уже сегодня первый из VLT демонстрирует прекрасные характеристики, обусловленные его революционной конструкцией. Европейцы, так сказать, одним выстрелом убили двух зайцев. Главное зеркало их телескопа сплошное и считается очень легким: при площади поверхности в 50 квадратных метров оно весит всего 50 тонн, потому что его нижняя поверхность выполнена в виде пчелиных сотов. Но даже такое легкое зеркало при своем диаметре в 8,2 метра неизбежно оказывается мягким. Однако с этим недостатком не борются, а используют его как преимущество. Европейские конструкторы реализовали принцип адаптивной оптики прямо на главном зеркале. Его форма непрерывно изменяется под воздействием сил 150 актуаторов, расположенных под нижней сотовой поверхностью и управляемых компьютером (а вот 1-метровое бериллиевое вторичное зеркало является жестким, и регулируется только его положение, но не форма). В отличие от Кеков, в VLT главное зеркало не выводится актуаторами на точную форму параболоида, а приобретает изменяющуюся искаженную форму, полностью компенсирующую атмосферные искажения картинки. Какую форму придать главному зеркалу - это решает компьютер, который анализирует изображение какой-либо звездочки, находящейся в поле зрения телескопа и обязанной выглядеть просто точкой. Оптика VLT считается самой продвинутой адаптивной оптикой в мире, и она способна обеспечить в земных условиях угловое разрешение орбитального телескопа Хаббла. На рисунке читатель может увидеть, как управляемая компьютером адаптивная оптика VLT исправляет искажения изображения звезды, вызванные преднамеренным искривлением главного зеркала на 15 микрон (сверху вниз; первый столбец - треугольные искажения, второй - расфокусировка, третий - астигматизм). Красивая работа! Европа явно взяла реванш в астрономической гонке с Америкой.

Что же дальше? В начале XXI века астрономы добавят компьютерам немало работы. Оба телескопа Кека будут объединены в один оптический прибор - интерферометр, имеющий компьютерно-синтезированное виртуальное 100-метровое зеркало и способный различать 1-дюймовые детали на Луне и планетки размером с Луну у соседних звезд. То же и с тем же результатом ESO сделает с четырьмя инструментами VLT. Вот тогда умные глаза человечества неизбежно станут еще умнее, и мы вернемся к этой теме.

И в заключение пару слов о торговле в нагрузку. Именно в таком способе предложения товара может обвинить меня читатель, недовольный тем, что я много рассказал о телескопах и почти ничего об обслуживающих их компьютерах. А какое "железо" у тех компьютеров, а какая ОС и какое ПО? Но так ли это важно? Я не из числа тех, кто считает компьютер "вещью в себе", вещью самодостаточной и самоинтересной. Потому я рассказал именно о применении компьютеров, об одном из очень-очень многих. Ясное дело, данное применение можно было реализовать массой различных "хардверных" и "софтверных" способов. Но понял ли читатель, что не реализовать его было нельзя?

Сергей СЕРЫЙ