Вопрос «что лучше — наземный или космический телескоп?» похож на вопрос, что лучше: микроскоп или радар. Ответ зависит от того, какой свет нужно зарегистрировать, какую область неба охватить, насколько важны разрешение и стабильность и сколько стоит весь эксперимент. Современная астрономия развивается не через победу одного типа обсерваторий, а через их совместную работу.
Что атмосфера делает с изображением
Земная атмосфера полезна для жизни, но для телескопа она одновременно фильтр и постоянно движущаяся линза. Турбулентность заставляет изображение звезды дрожать и расплываться — это и создаёт знакомое мерцание. Водяной пар и другие молекулы поглощают большие участки инфракрасного спектра, а ультрафиолетовое и рентгеновское излучение почти полностью блокируется высокими слоями атмосферы.
Поэтому наземные обсерватории строят высоко в сухих районах с устойчивой атмосферой. Современная адаптивная оптика измеряет искажения сотни или тысячи раз в секунду и деформирует зеркало так, чтобы компенсировать турбулентность. В узком поле изображения крупных земных телескопов благодаря этому могут соперничать по резкости с космическими.
Главное преимущество Земли — размер и возможность ремонта
На Земле можно построить зеркало, которое физически невозможно отправить существующей ракетой одним аппаратом. Очень большие телескопы используют сегментированные зеркала, сложные приборы и массивные системы охлаждения и поддержки. Если спектрограф устарел, его можно заменить. Если сломался привод, инженеры могут приехать к обсерватории. Космический аппарат обычно лишён такой роскоши.
Кроме того, наземный телескоп существенно дешевле космического аппарата сопоставимого класса. Это позволяет строить несколько обсерваторий, проводить длительные обзоры и регулярно модернизировать инструменты. Радиоастрономия особенно выигрывает от этого: огромные одиночные антенны и интерферометры вроде ALMA физически реалистичны именно на Земле.
Зачем тогда уходить в космос
Орбита открывает те диапазоны, которые атмосфера не пропускает, и даёт чрезвычайно стабильные условия. Hubble работает в ультрафиолете, видимом и ближнем инфракрасном диапазоне без атмосферного seeing. Webb находится далеко от Земли и оптимизирован под инфракрасные наблюдения с очень низким тепловым фоном. Chandra видит рентгеновскую Вселенную, которую наземный оптический телескоп не сможет увидеть никаким увеличением зеркала.
Стабильность также важна при измерении очень небольших изменений яркости и спектра. Например, для исследования атмосферы экзопланеты необходимо сравнивать свет звезды во время транзита и вне его с высокой точностью. Отсутствие атмосферы Земли убирает целый класс помех.
Почему космический телескоп не всегда «мощнее»
Размер зеркала определяет, сколько света собирает инструмент и какое теоретическое угловое разрешение он может получить, но это только часть задачи. Имеют значение длина волны, качество оптики, поле зрения, чувствительность детекторов, спектральное разрешение и время наблюдения. Небольшой специализированный космический аппарат может быть лучшим инструментом для одной задачи и совершенно бесполезным для другой.
То же относится к сравнению Hubble и крупнейших наземных обсерваторий. Hubble не обязан «побеждать» их по каждому параметру: его сила — стабильная платформа и доступ к диапазонам, ограниченным атмосферой. Земные гиганты выигрывают площадью зеркала и возможностью постоянно обновлять приборы.
Как выбирают инструмент для реальной науки
Если нужно получить ультрафиолетовый спектр горячей звезды, космос практически неизбежен. Для детальной спектроскопии множества галактик выгодна большая наземная апертура. Для холодной пыли и далёких галактик нужен инфракрасный телескоп с низким собственным тепловым излучением. Для радиокарт молекулярного газа — массив земных антенн. Нередко один объект сначала находят обзором, затем изучают другим телескопом и подтверждают третьим диапазоном.
Именно совместные наблюдения дают наиболее полную физическую картину. Космическая и наземная астрономия не конкурируют за титул «лучшей». Они закрывают разные слабые места друг друга — и поэтому самые важные открытия всё чаще оказываются результатом работы целой сети обсерваторий.
Сравнение особенно наглядно в эпоху чрезвычайно больших земных телескопов. ELT с зеркалом около 39 метров сможет собирать гораздо больше света, чем любой нынешний оптический космический телескоп, но всё равно будет смотреть через атмосферу. Webb, напротив, имеет меньшее зеркало, зато холодную космическую среду и доступ к инфракрасным окнам, которые с Земли частично или полностью закрыты. Это разные оптимумы, а не линейная шкала мощности.
Есть и вопрос времени наблюдений. Космическая миссия имеет жёсткий ресурс, ограниченную связь и практически неизменяемый набор инструментов. Большая наземная обсерватория может десятилетиями получать новые камеры и спектрографы. Поэтому при планировании науки астрономы думают не «где картинка красивее», а какой набор систематических ошибок и технических ограничений допустим именно для нужного измерения.