Нил Тайсон - На службе у войны - негласный союз астрофизики и армии

___________________

Офицер вы или астрофизик, вы не обойдетесь без больших объемов информации. Солдаты используют информацию в реальном времени, тогда как астрофизики чаще запасают ее впрок – иногда на целые годы. То, что наши обсерватории зарегистрировали в процессе наблюдений, мы потом сосредоточенно анализируем в тишине: поэтому сохранение информации становится одной из наших главных забот. Когда-то Галилей мог лишь зарисовывать то, что он видел в свой телескоп. Прорывом XIX века стала фотография: теперь у нас появилась запись того, что иначе доказать было бы невозможно. В XX веке таких прорывов было много: специализированные фотоэмульсии, увеличение чувствительности подогревом пленки, спектральные фильтры, фотоумножители, ПЗС с их пикселами – все это вместе принесло людям огромное количество информации, которая ждет использования, причем многократного использования, изобретательными аналитиками.

Представьте пиктограмму: цифровое изображение прямоугольной формы. А теперь вообразите самый маленький из возможных ее участков. Это Элемент ПИКТограммы: «пиксел». Такова фундаментальная единица регистрации у приборов с зарядовой связью: ПЗС. С этих приемников в 1970-х началось коренное преобразование методов построения изображений, а к началу 1990-х этот подход вытеснил все остальные. Мне случилось быть этому свидетелем: в те годы я оканчивал магистратуру, и влияние этого процесса на мою область исследований невозможно переоценить.

Когда ПЗС подвергается воздействию света – от ближайшего уличного фонаря или от далекой галактики, – каждый из его пикселов накапливает некоторое количество электронов, которое зависит от интенсивности света, падающего на каждый из малых участков светочувствительной микросхемы – главного элемента ПЗС. Чем интенсивнее свет, тем больше электронов накапливается – хотя, если свет будет слишком ярким, приемник достигнет уровня насыщения и избыток электронов распределится по соседним пикселам, искажая получаемые данные. Если удвоить экспозицию, удвоится и количество электронов. Электроны, скопившиеся на каждом пикселе, затем собираются с микросхемы, подсчитываются и превращаются в элемент мозаики, которая и составляет изображение. Чем больше пикселов в этой мозаике, тем выше доступное разрешение. Сейчас вы можете без труда скачать с «Викисклада» уличную сцену объемом 2592 столбца на 1944 строки, которая трансформируется в мозаику из более чем 5 миллионов пикселов – фото, проработанное до мельчайших деталей. Но это еще что: если не боитесь перегрузить ваш компьютер, можете скачать изображение Туманности Ориона из галереи космического телескопа Хаббла размером 18 000 х 18 000, а это уже 324 миллиона пикселов, битком набитых подробностями.

Есть еще такое понятие, как «квантовая эффективность». В идеальном по эффективности приемнике один фотон даст вам один электрон. Реальность не столь хороша, хотя ПЗС все равно далеко обгоняет фотопленку. Ведь из каждой сотни фотонов света, падающего на кристаллы галоидного серебра в вышедшей из употребления астрофотографической эмульсии IIIaJ фирмы Eastman Kodak, лишь примерно трем удавалось запустить химическую реакцию, необходимую для появления изображения. То есть в этом случае квантовая эффективность составляла 3 %. А какова сегодня квантовая эффективность ПЗС? У некоторых астрономических ПЗС она превышает 60 % в широкой полосе длин волн видимого света. Выходит, что мощность приемников выросла в двадцать раз. Но есть и ПЗС, у которых на определенных длинах волн в ближней инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областях спектра квантовая эффективность достигает 90 %. Вдобавок ПЗС можно использовать с любой оптикой. Все эти плюсы означают, что теперь астрофизики могут получать информацию из гораздо более далеких областей космоса, чем раньше, и таких областей стало гораздо больше.

При этом, однако, возрастают трудности, связанные с шумами. Когда телескоп наведен на слабый источник света, он может не собрать достаточного количества фотонов для того, чтобы перейти порог чувствительности. С другой стороны, то, что кажется световым сигналом, может оказаться шумом. У каждого телескопа, у каждого приемника есть собственный внутренний шум. Есть он и у ПЗС: собственное тепло приемника достаточно велико для того, чтобы связанные с ним тепловые фотоны попадали в пикселы. Поэтому профессиональные ПЗС и камеры, в которых они смонтированы, в процессе работы охлаждаются. В прежние времена, когда для регистрации получаемых на телескопе изображений астрофизики использовали фотографические пластинки, требовались длинные экспозиции. Зная, что есть объекты, более слабые, чем мы способны зарегистрировать, мы стремились получить все большие и большие телескопы, которые собирали все больше и больше света. Нужны были деньги, инженеры, новые башни телескопов, новые горные вершины для их установки.