23 июня 2025 года телескоп Веры Рубин сделал первые снимки. С виду — просто кадры звезд и туманностей, вроде ничего необычного. На деле — запуск самого амбициозного астрономического проекта десятилетия. В статье разберемся, зачем нужен телескоп на 3,2 гигапикселя, как он будет снимать небо 10 лет подряд, и что даст науке, инженерам и каждому, кто хоть раз смотрел в ночное небо.

Кто такая Вера Рубин и почему телескоп назвали в ее честь

Вера Рубин — великий американский астроном, которая большую часть жизни изучала так называемую «проблему вращения галактики». Если кратко: все видимые объекты (звезды, планеты и другие) в ней вращаются с определенными орбитальными скоростями. Ученые на основе третьего закона Кеплера и расчетов масс логично предположили: чем дальше объект от центра вращения, тем медленнее он должен двигаться (пропорционально квадратному корню от радиуса орбиты). То есть общая кривая вращения (зависимость распределения скорости от расстояния) должна представлять собой убывающий график. 

Вот только на деле все объекты в галактике вращаются совершенно иначе: орбитальная скорость постоянна (пологий график) или в некоторых случаях даже возрастает с удалением от центра вращения, как представлено на иллюстрации ниже.

В 1970-х годах Вера Рубин выдвинула гипотезу, что масса галактики распределена иначе, чем это следовало из расчётов по видимым объектам. Гипотетически галактика погружена в гало темной материи — невидимый компонент, который оказывает существенное влияние на гравитационные эффекты. Она не была первой, кто ввел сам термин (его ввел еще Фриц Цвикки в 1933 году), но впервые применила его для объяснения «проблемы вращения галактик». 

Еще Вера Рубин работала вместе с великим Ричардом Фейнманом, открыла совместно с Кентом Фордом эффект Рубина–Форда и активно боролась за право женщин заниматься наукой наравне с мужчинами.

Первоначально обсерватория, о которой идет речь в нашей статье, предназначалась именно для исследования темной материи. Точнее, для обнаружения по всей видимой части Вселенной гравитационных линз — отклонения электромагнитного излучения (а следовательно, света) из-за искривления пространства. 

В 2016 году, после смерти Веры Рубин, Национальный научный фонд США и Управление науки Министерства энергетики США, финансирующие проект, приняли решение назвать обсерваторию в ее честь, как дань уважения выдающейся исследовательнице темной материи.

Как устроена обсерватория: от локации до железа

Обсерватория расположена на вершине горы Серро-Пачон в Чили, на высоте 2647 метров. Локация выбрана неслучайно — расположенное в часе лёта к северу от чилийской столицы Сантьяго, это предгорье Анд отличается уникально стабильной погодой — минимальные колебания температур и чистая атмосфера. 

А еще протекающее недалеко от берега течение Гумбольдта (еще известное как Перуанское течение) охлаждает поверхность Тихого океана — это минимизирует влажность воздуха, что, по выражению астрономов, обеспечивает одни из лучших в мире условий за наблюдением космоса. 

Сам телескоп (получивший название Симони в честь спонсоров Чарльза и Лизы Симони) представляет собой 350-тонное устройство из стали и стекла, укрытое под 30-метровым куполом весом 650 тонн. 

Диаметр главного зеркала телескопа составляет 8,4 метра, и сделано оно из цельного куска боросиликатного стекла с низким коэффициентом теплового расширения. Поверхность покрыта 120 нм-слоем чистого серебра для повышения отражающей способности. 

Оптическая конструкция представляет собой трехзеркальный анастигмат, то есть полностью компенсирующий сферическую аберрацию, коматическую аберрацию и астигматизм. Это критически важно для главной задачи — обеспечить самый широкий угол обзора в 9,6 квадратных градуса, что примерно соответствует размеру неба, равному 45 полным Лунам. Для примера, широкоугольная камера «Хаббла» и ближняя инфракрасная камера «Уэбба» имеют поля зрения менее 0,05 квадратных градуса. 

Еще оптика включает в себя: 

• шесть сменных цветовых фильтров, охватывающих диапазон от 330 до 1080 нм (одновременно может быть установлено пять фильтров); 

• три корректирующие линзы, как и фильтры, встроенные в корпус основной камеры LSST и использующие лазерную систему для юстировки. 

Сама камера LSST размером с небольшой автомобиль, весит 2800 кг и позволяет получать изображения в 3,2 гигапикселя, с выдержкой в 30 секунд. Фокальная плоскость камеры состоит из 189 ПЗС-датчиков по 16 мегапикселей, сгруппированных в 21 матрицу. Каждый ПЗС считывает 1 млн пикселей и даёт точность выборки в 0,2 угловых секунды. Чтобы работа была стабильной, матрицы охлаждаются до -100 ˚С при помощи системы криостатирования.  

Более подробно с описанием оптической системы телескопа можно ознакомиться по ссылке. 

При этом 350-тонная махина еще и быстро вращается — 3,5 градуса в секунду, а останавливается всего за 4 секунды. Опорная стойка выполнена из стали и располагается на фундаменте диаметром 16 метров, с толщиной стенок 1,25 метров, установленном на нетронутой скальной породе. За перемещение отвечают 232 привода, с системой стабилизации от вибраций. Вся конструкция вращается по двум осям посредством гидростатических подшипников.  

Разумеется, для управления всеми системами обсерватории требуются мегаватты энергии. Под обсерваторией установлена огромная батарея конденсаторов, питающих электроприводы вращения. При этом используется принцип рекуперации: когда телескоп останавливается, энергия возвращается конденсаторам и подзаряжает их. 

Что в телескопе по-настоящему уникального

Обсерватория Веры Рубин — это совершенно другой подход к исследованию звездного неба. Разработчики отказались от фокусировки на отдельных космических объектах в пользу быстрого охвата огромной области неба: десятков тысяч звезд и планет одновременно. Еще раз напомним ключевые:

• поле зрения — 9,6 квадратных градуса, или 45 полных Лун.

• скорость перемещения 350 тонн — 3,5 градуса, при этом останавливается за 4 секунды.

• частота съемки — одно изображение раз в 34 секунды.

• качество изображения — 3,2 гигапиксельная камера создает настолько большие фотографии, что для их отображения в полном размере потребуются 378 телевизионных 4К-экранов.  

Проще говоря, LSST сканирует небо, словно Google Street View — улицы. Только вместо близко расположенных прохожих и зданий — бескрайнее звездное небо. 

На результат уже можно посмотреть в приложении Skyviewer. Наблюдаемая область включает южную часть скопления Девы примерно в 55 миллионах световых лет от Земли, а также более близкие звёзды Млечного Пути и гораздо более далекие группы галактик.

По проекту, обсерватория Веры Рубин проработает как минимум 10 лет. За это время самая передовая цифровая камера сделает более 2 миллионов снимков (охват южной части неба занимает 3-4 ночи), соберет свыше 500 петабайт данных и посетит каждый видимый объект не менее 825 раз. Это позволит максимально точно отслеживать изменения всего южного неба, исследовать 17 миллиардов звезд нашей Галактики и 20 миллиардов галактик во Вселенной. 

Но как все это будет работать программно? Ведь это — весьма сложная задача. 

Во-первых, нужно разделить каждое изображение — ведь многие объекты могут перекрываться или перемещаться. Для этого анализ фотографий, сделанных через разные фильтры (система меняет их автоматически), нужно провести буквально попиксельно. После этого сравнить изображение одной и той же области неба и выявить различия — программа делает это раз в 60 секунд. На один снимок приходится 10 000 оповещений, за ночь — 10 миллионов. 

Во-вторых, такой объём данных (порядка 20 ТБ за ночь) должен передаваться в вычислительный центр, где он будет обрабатываться и загружаться на сервер. Более того, у любого астронома должен быть доступ для анализа в реальном времени. Скажем, обсерватория отслеживает конкретную сверхновую: настраивается программный фильтр, и если происходят изменения, приходит оповещение. Тогда можно навести на эту сверхновую другой телескоп с узким углом зрения и изучить, что именно там происходит.

Чтобы обеспечить работу столь сложной системы, данные из обсерватории передаются напрямую в Национальную ускорительную лабораторию SLAC в Менло-Парке, Калифорния, в 9000 км от Серро-Пачона. Передача занимает менее 10 секунд благодаря 600-гигабитному оптоволоконному соединению между обсерваторией и Ла-Сереной, а оттуда — по выделенной 100-гигабитной и резервной 40-гигабитной линиям до лаборатории. 

В SLAC каждое изображение калибруется и очищается, например, от следов спутников, раскладывается на пиксели и сохраняется, после чего сравнивается с базовым, сделанным ранее. 

По мере того, как каталог объектов Рубина будет пополняться, астрономы смогут делать к нему запросы самыми разными способами. Нужны все изображения определенного участка неба? Без проблем. Все галактики определённой формы? Немного сложнее, но тоже можно. Ищете 10 000 объектов, похожих по какому-либо параметру на 10 000 других объектов? Это займет время, но тоже — проблемы нет. 

Ключевой момент проекта — его код полностью открыт и доступен на GitHub. Причем любой астроном может использовать необработанные данные, запустив свой собственный код. 

«Практически все в астрономическом сообществе чего-то хотят от нашего телескопа, — объясняет Уильям О’Муллейн, заместитель руководителя проекта обсерватории, — поэтому они хотят быть уверены, что мы обрабатываем данные правильно. Весь наш код открыт. Вы можете увидеть, что мы делаем, и если у вас есть решение получше, мы его рассмотрим»

А в будущем для анализа столь огромного потока данных планируют подключить нейросети — но сейчас хватает и других задач, которые нужно решать. 

Как шло строительство и какие проблемы возникали с проектом

Спонсирование и разработка проекта начались еще в 2007 году (хотя идеи о необходимости создания LSST высказывались еще в 1996 году). Среди инвесторов был уже упоминавшийся ранее Чарльз Симони (в честь него назвали сам телескоп, выделил 20 млн долларов) и Билл Гейтс (выделил 10 млн долларов). Однако большую часть расходов взяли на себя Национальный научный фонд США и Управление науки Министерства энергетики США. 

В рамках проекта еще привлекли:

• SLAC — разработала камеру LSST;

• Национальная оптическая астрономическая обсерватория — помогла собрать сам телескоп;

• Национальный центр суперкомпьютерных приложений — занимался разработкой всей программной части;

• Ассоциация университетов по исследованиям в области астрономии — организовала и контролировала строительство.

В первую очередь изготовили зеркала — на это ушло больше 8 лет, от момента изготовления формы в 2007 году до окончания полировки в 2015 году. 

Строительство самой обсерватории в Чили стартовало в 2014 году, и первоначально за 9 лет планировалось потратить 473 миллиона долларов (168 миллионов обошлась камера LSST). Однако в 2018 году Конгресс неожиданно выделил 680 миллионов — больше, чем планировалось, с формулировкой «чтобы зафиксировать расходы и ускорить общие сроки строительства». 

В 2019 году строительство основного сооружения было практически завершено. Параллельно построенный телескоп прошел приемо-сдаточные испытания и был смонтирован в 2021 году. Задержка возникла только в 2020 году из-за пандемии. 

Дольше всего шла работа над камерой — ее смонтировали только в марте 2025 года, когда все остальные системы уже были готовы. В целом, весь этап строительства прошел гладко (задержка порядка двух лет), а запланированный бюджет проекта был превышен не так уж сильно, как это бывает обычно — всего 810 млн долларов (да, в два раза против изначальных 473 млн — это нормально для подобных проектов).

Подробнее об отчете с ходом монтажа камеры LSST можно ознакомиться по ссылке — там много классных фотографий. 

Уже после ввода в эксплуатацию не обошлось без технических проблем:

• Перегорели конденсаторы после первых недель работы — а работа над устранением проблем с электрикой в горной местности достаточно сложный и долгий процесс.

• Перестали закрываться створки купола — телескоп какое-то время был в открытом состоянии и днем.

• Возник сбой в системе охлаждения — после нескольких недель выяснилось, что из-за плохого контакта кабеля система отключалась в момент движения телескопа. 

Но сотрудники обсерватории относятся к таким вызовом спокойно. Марина Павлович из Сербии говорит:

«Мне нравится, когда что-то нужно исправить, потому что с каждой новой проблемой я узнаю о системе всё больше и больше. Каждый день. И это — новый опыт».

Ожидается, что когда все проблемы будут устранены, а оборудование пройдет окончательную калибровку, обсерватория начнет работать в штатном режиме. И на посту каждую ночь будут находиться всего несколько человек, а не команда из десятков инженеров, как сейчас. 

Как будут использовать: от тёмной материи до опасных астероидов

Как мы уже говорили, за следующие 10 лет LSST составит целый каталог из миллиардов планет и звезд, а также позволит зафиксировать от 3 до 4 млн сверхновых — примерно тысячу каждую ночь. Это 500 петабайт ценнейших данных, доступ к которым будет у любого астронома в мире, благодаря open-source подходу. 

Но кроме этого, научные цели проекта:

• Изучить темную материю — первоначальная задача, из-за которой обсерваторию и назвали в честь Веры Рубин;

• Картографировать малые объекты Солнечной системы — например, околоземные астероиды и объекты пояса Койпера. Ожидается, что текущий каталог расширится минимум в 10 раз и позволит отслеживать опасные космические объекты. 

• Составить подробную карту Млечного Пути, с уточненными маршрутами движения объектов. 

Обсерватория Веры Рубин — это уникальная попытка не просто наблюдать небо, а задокументировать для всех нас, как оно меняется, в невиданных ранее масштабах.  

«Рубин» будет снабжать поколения ученых триллионами единиц данных о миллиардах объектов. Исследуйте данные. Собирайте их. Развивайте свою идею, проверяйте, верна ли она. Это будет феноменально», — говорит Виктор Краббендам , руководитель проекта по строительству обсерватории.

И если вы тоже хотите оставить свой след в науке, необязательно быть астрофизиком. Достаточно зайти на GitHub и предложить патч. Дерзайте, хабровчане. 

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:

-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS