Что нужно, чтобы построить обсерваторию нового поколения
Когда вы слышите о крупных научных проектах, таких как новый огромный телескоп или ускоритель частиц длиной в несколько миль, обычно это происходит в контексте сделанных ими крупных научных открытий. Но прежде чем кто-либо сможет совершить большой научный прорыв, кто-то должен спроектировать и построить эти огромные объекты. А это может означать налаживание международного сотрудничества, прокладку линий электропередачи и столкновение с экстремальными погодными условиями только для того, чтобы залить бетон.
От крыс, грызущих оптоволоконные линии, до надувных палаток, защищающих от 100-градусной жары, наука может оказаться запутанной, когда она сталкивается с реальным миром. Мы поговорили с представителями трех текущих и будущих крупных научных проектов, чтобы узнать, что нужно, чтобы превратить бесплодный участок камня и грязи в обсерваторию мирового класса.
Обнаружение чего-то нового
Многие крупные объекты представляют собой постепенные улучшения существующих проектов, но иногда наука делает шаг вперед в совершенно новом направлении. Именно это и произошло, когда дело дошло до первого обнаружения гравитационных волн, которого достигла установка LIGO ( Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория ) в 2015 году и за которую исследователи были удостоены Нобелевской премии по физике.
Объект, который его обнаружил, начинался как упрощенная версия под названием Initial LIGO. Он был разработан, чтобы проверить, возможно ли вообще достичь чувствительности детекторов, необходимой для обнаружения гравитационных волн , и даже эта «базовая» версия потребовала десятилетий планирования и работы.
Стефан Баллмер, эксперт по гравитационным волнам из Сиракузского университета, который работал как над начальной, так и над усовершенствованной версией установки, описал стимул для создания оригинальной установки: «Мы думаем, что сможем достичь этой невероятной чувствительности, поэтому давайте потратим наименьшее количество денег, чтобы доказать, что это осуществимо».
Первоначальная LIGO работала с 2002 по 2010 год; за это время он не обнаружил никаких гравитационных волн. Однако это не обязательно было провалом, потому что обсерватория действительно достигла чувствительности , необходимой для обнаружения — то, в возможности чего многие люди не были уверены.
«Если у людей были сомнения по поводу всего этого, это не значит, что они не верили в существование гравитационных волн. Они скептически отнеслись к представлению, необходимому для их просмотра. И в этом смысле Initial LIGO сработала», — объяснил Балмер.
Таким образом, исследователям удалось обеспечить финансирование для модернизации объекта до Advanced LIGO, работы которого начались в 2008 году. Благодаря улучшенным детекторам обсерватория почти сразу же обнаружила объект. «С Advanced LIGO нам повезло. И как только мы действительно включили машину, мы начали видеть события».
Выбор правильного места
Одна из самых больших проблем сегодня с крупномасштабными проектами – где их разместить. Подобные проекты обычно представляют собой крупные проекты международного сотрудничества, поэтому планировщикам необходимо найти место, которое является экологически безопасным и имеет местное правительство, готовое поддержать проект.
«В наши дни это большая проблема: одна страна не может действительно делать то, что необходимо в масштабах ближайших границ», — сказал Джозеф Макмаллин, заместитель генерального директора и директор программы Square Kilometer Array Organization . «Поэтому требуется международное сотрудничество».
Square Kilometer Array — это будущая радиоастрономическая обсерватория, которая включает в себя антенны, построенные на двух площадках: одна в Южной Африке и одна в Западной Австралии. Эти места были выбраны в первую очередь из-за наибольшей опасности для радионаблюдений — радиочастотных помех. Где бы люди ни излучали радиоволны, например, от мобильных телефонов и ноутбуков, это излучение может мешать слабым сигналам, которые пытаются обнаружить астрономы.
«Задача того, что мы делаем, — это смотреть на очень слабые источники через различные экраны нашей атмосферы, а в некоторых случаях даже через межзвездную или межгалактическую среду, а затем всю систематику наших инструментов — а затем пытаться откалибровать эти чтобы мы могли сохранить этот конкретный сигнал», — объяснил Макмаллин. «Дополнительные передачи усложняют подобные эффекты».
Проблема в том, что места с низким уровнем радиопомех также, как правило, малонаселены, что затрудняет их застройку. Теоретически, где-то вроде Антарктиды было бы идеальным местом для размещения радиотелескопа, но трудности со строительством и укомплектованием персоналом в таком месте сделать это непрактично.
Преимущество двух площадок, выбранных для SKA, заключается в наличии некоторой существующей инфраструктуры, поскольку на них уже размещены телескопы, размещенные партнерскими учреждениями. Объединение телескопов в соответствующие места помогает разделить нагрузку, когда дело доходит до строительства дорог или прокладки линий электропередачи и водоснабжения.
И это все, что необходимо, прежде чем вы сможете начать строить такие сооружения, как жилые помещения и столовые для рабочих, необходимых для строительства. «Мы часто думаем, что строим обсерваторию, но на самом деле мы строим города», — сказал Макмаллин.
Разделение нагрузки
Когда исследователи планировали строительство будущей обсерватории Веры Рубин , которая строится на горе под названием Серро Пачон в Чили, у них были аналогичные опасения. Им нужно было место с низкой облачностью и большим количеством ясных ночей для наблюдений, но им также нужно было место с приличной инфраструктурой.
На горе, которую они выбрали, уже размещены два других больших телескопа, Gemini и SOAR, а также другие инструменты меньшего размера, расположенные на соседней горе.
«Мы очень удалены, но не изолированы», — объяснил Джефф Барр, руководитель проекта по телескопам и площадкам обсерватории Рубин. «У нас есть соседи, и соседям нужна была инфраструктура, которую они уже построили».
Это означало, что поблизости уже были электричество и вода, а также важнейшие дороги, по которым строительные бригады и оборудование могли подняться на гору. Существовала также инфраструктура связи, которая представляла собой антенную систему вещания, но ее было недостаточно для того огромного количества данных, которые Рубин будет производить каждую ночь.
Поэтому Рубин согласился проложить оптоволоконные линии связи, которые будут обслуживать не только его собственную обсерваторию, но и другие на горе. Обсерватории являются частью одного консорциума под названием AURA (Ассоциация университетов по исследованию астрономии), поэтому они используют общую инфраструктуру.
«Есть своего рода заинтересованность в каждой новой обсерватории», — сказал Барр. «Он дает то, чего еще не было, поэтому вы разделяете расходы и инвестиции, необходимые для работы на горе».
Закладываем основу
Вы можете себе представить, что проложить оптоволоконную линию было бы несложно, и это мало чем отличается от компаний, которые все чаще предлагают оптоволоконные соединения жилым домохозяйствам во многих городских районах. Однако при строительстве в таком отдаленном месте есть некоторые проблемы.
По всей долине к столбам подвешивались линии электропередачи, поэтому команды могли использовать эти же столбы для подвешивания оптоволоконных линий. Но после того, как линия была разделена на Рубин и другие обсерватории, ей придется уйти большей частью под землю.
«Одна из проблем работы на этой горе заключается в том, что как только вы начнете копать на глубину шести дюймов, это будет твердая скала. Очень солидно», — сказал Барр. «Чтобы проделать дыру любого размера, вам придется практически взорвать его».
Это затрудняет отбойный молоток, поэтому часто трос прокладывают как можно глубже, а затем на него насыпают камень. Этот камень обеспечивает некоторую защиту, но линия по-прежнему уязвима для местной популяции грызунов, которые регулярно грызут кабели. «У нас постоянно есть службы по борьбе с вредителями, но даже тогда нам все равно приходится возвращаться и делать ремонт, когда леска пережевывается».
Барр сказал, что голодные грызуны являются неотъемлемой частью работы в такой дикой среде: «Это очень естественно. Если не считать территорий вокруг обсерваторий, это, по сути, просто гора».
Обсерватории работают в соответствии с принципами, направленными на минимизацию воздействия на окружающую среду, в том числе на места обитания некоторых находящихся под угрозой исчезновения видов кактусов и вискачей, а также редких (и чрезвычайно милых) кроликоподобных грызунов, обитающих в этом районе.
Влияние наследия
Однако проблемы сохранения относятся не только к экологическим проблемам. Некоторые из мест, используемых для обсерваторий, имеют важное значение для человечества. Например, площадка СКА в Западной Австралии расположена в стране Ваджарри. Ваджарри Ямаджи являются традиционными владельцами земли, на которой строится телескоп, поэтому организация работает с Ваджарри, чтобы обеспечить защиту культурного наследия, например, проводит проверки на месте с помощью наблюдателей за культурным наследием Ваджарри перед началом строительства и постоянный мониторинг. во время строительства.
«Это наши коллеги и соседи, и они являются частью команды на фундаментальном уровне. Многие из них присоединяются к нам для строительства обсерватории», — сказал Макмаллин. «У них также богатая история и наследие астрономических наблюдений. Таким образом, это связывает эти вещи вместе с помощью различных техник, которые человек использует».
Также учитывается долгосрочное воздействие как австралийских, так и южноафриканских объектов, которые были спроектированы так, чтобы в конечном итоге быть выведены из эксплуатации, чтобы землю можно было вернуть в исходное состояние.
«Мы планируем, что это будет 50-летняя обсерватория», — сказал Макмаллин. «Итак, вы идете туда, строите, проводите исследования, а затем выводите из эксплуатации. Вы возвращаете эту область в то же состояние, в котором она была».
Строительство в сложных условиях
Будь то температура выше 100 градусов по Фаренгейту в Западной Австралии или сильный ветер и риск землетрясений в Серро-Пачон, места, где вы, возможно, захотите построить обсерваторию, не всегда благоприятствуют строительству.
Доступ к горе в Чили может быть закрыт на несколько недель в зимнее время, когда идет снег, и даже когда гора доступна, условия означают, что работа занимает больше времени, чем в других местах.
«Вы должны понимать, что все будет идти не так быстро, как вы ожидаете», — сказал Барр. «Попытка выполнить техническую работу — это враждебная и неприветливая среда. Вы должны учитывать это практически во всем, что вы разрабатываете».
В Австралии командам СКА необходимо установить более 100 000 антенн на разных площадках, поэтому они справляются с высокими температурами и сильным ультрафиолетовым излучением, подготавливая как можно большую часть установки за пределами площадки. Когда они прибудут на место, они будут использовать специально разработанные надувные палатки с кондиционерами, чтобы защитить их от непогоды во время работы.
Но даже в не столь суровых местах есть свои проблемы. Для следующего поколения детекторов гравитационных волн конструкторам придется использовать очень прямые и очень плоские трубки длиной 25 миль.
«Ирония в том, что самая большая часть детектора — это абсолютно ничего», — сказал Балмер. «Это вакуумная трубка длиной 40 километров, и ее нужно где-то разместить».
Идея детекторов, планируемых в США, состоит в том, чтобы разместить их в основном над землей, поскольку для этого должно быть достаточно места. Однако в Европе, где также планируется еще один детектор гравитационных волн, не хватает земли для установки надземного детектора, поэтому ему, скорее всего, придется уйти под землю. Это увеличивает расходы на строительство, но также значительно усложняет обслуживание.
«Мы стремимся к простоте», — сказал Баллмер. «Создать эти детекторы достаточно сложно! Все, что мы можем сделать простым, становится лучше».
Человеческий фактор
Доставить машины и оборудование на строительную площадку – это одно, но даже при наличии всех имеющихся в мире инструментов строительство по-прежнему должно осуществляться людьми. Во время строительства на «Рубине» ежедневно может находиться бригада из более чем 100 рабочих. «Я думаю, что потери рабочей силы – человеческий фактор – столь же серьезны, как и все остальное», – сказал Барр. «Это просто такая сложная среда».
Рабочим приходится не только бороться с холодом, ветреной, пыльной и высокогорной атмосферой, характерной для вершины горы, но и дорога до места работ занимает несколько часов, поэтому многие из них будут проводить двенадцать часов в день вдали от Домой, выезд в 6 утра. «На самом деле меня больше всего удивляют люди», — сказал Барр. «Они могут работать там, в этой среде, и выполнять эти сложные задачи».
Для таких проектов требуются десятилетия, чтобы пройти путь от концепции до проектирования, строительства и ввода в эксплуатацию функционирующей обсерватории, поэтому вполне возможно, что люди, которые первоначально настаивали на их строительстве, выйдут на пенсию к тому времени, когда они начнут заниматься наукой. Но это не обязательно проблема, поскольку предыдущие поколения создают и передают инструменты новым поколениям ученых, которые только начинают свою карьеру.
По словам Балмера, это чувство долга перед будущим является частью мотивации к созданию новых детекторов гравитационных волн, но также приятно думать о том, как этого можно достичь.
«В каком-то смысле это услуга следующему поколению физиков», — сказал Балмер. «Но также, когда вы садитесь и видите, что возможно с этими машинами — что вы можете построить что-то, что видит каждую черную дыру вплоть до самых первых звезд, что вы можете наблюдать явления от объектов звездного размера, которые находятся в этих галактиках, которые даже у телескопа Уэбба есть проблемы с разрешением — не попытаться сделать это было бы почти преступлением».