Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего совместно с британской корпорацией BAE Systems создали оптическую технологию размером всего около 6 миллиметров (0,24 дюйма), которая может изменить подход к наблюдению Солнца в будущих космических миссиях.

Ключевой элемент разработки — метаповерхность, оптическая структура, сформированная из наномасштабных элементов, которые позволяют управлять светом на уровне, недоступном традиционной оптике. В данном случае речь идёт о метаповерхностной поляризационной решётке, способной одновременно разделять свет по разным состояниям поляризации.

Поляризация — направление колебаний световой волны. В солнечной физике её измерение важно, поскольку оно позволяет восстанавливать структуру магнитных полей Солнца. Эти поля связаны с явлениями вроде корональных выбросов массы — мощных вспышек, выбрасывающих в космос облака заряженных частиц, способных нарушать работу спутников, связи и энергетических систем на Земле.

Современные солнечные телескопы измеряют разные компоненты поляризации последовательно: один и тот же сигнал регистрируется несколько раз при изменении ориентации оптического элемента. Такой подход требует серии кадров, которые затем объединяются в единое изображение.

Проблема в том, что в космосе даже минимальные вибрации аппарата между кадрами приводят к смещению изображений и размытию данных. Чтобы компенсировать это, приходится использовать сложные и дорогие системы стабилизации, которые в некоторых случаях обходятся дороже самой оптики.

Изображение сгенерировано: Nano Banana

Разработанная метаповерхность решает эту проблему иначе: она разделяет входящий свет на несколько каналов поляризации одновременно. Это позволяет получать всю необходимую информацию в одном кадре, без движущихся частей и без последовательной съёмки.

По словам ведущего автора исследования Ноа Рубина (Noah Rubin), это один из первых случаев, когда метаповерхность прошла путь от лабораторного прототипа до испытаний в реальной астрономической системе и была одобрена для потенциального космического применения.

Разработка была интегрирована в специально собранный солнечный телескоп и протестирована в рамках сотрудничества с Национальным центром атмосферных исследований США (NCAR). В ходе экспериментов система успешно фиксировала магнитные поля солнечных пятен и давала результаты, сопоставимые с данными крупнейшей орбитальной обсерватории Solar Dynamics Observatory NASA.

Фото: Noah Rubin

Важной частью эксперимента стало испытание технологии на устойчивость: метаповерхность прошла вибрационные и температурные тесты, имитирующие условия запуска и работы в космосе. Это подтвердило её потенциальную пригодность для будущих миссий.

Практическая архитектура системы включает крупный солнечный телескоп в обсерватории Дунн в Нью-Мексико, где свет сначала отражается от зеркала на 41-метровой башне, затем проходит около 69 метров вниз в подземную часть установки и возвращается обратно к научному оборудованию. Уже на финальном этапе он попадает в компактный модуль с метаповерхностью размером всего несколько миллиметров.

Полученные результаты показывают, что можно одновременно измерять поляризационные характеристики солнечного излучения в одном моменте времени, что особенно важно для наблюдения быстрых процессов на Солнце, ранее недоступных для точной регистрации.

Авторы подчёркивают, что технология может существенно упростить конструкцию будущих космических телескопов, снизив количество механических элементов и уменьшив стоимость миссий. В перспективе это открывает путь к более компактным и устойчивым инструментам для мониторинга солнечной активности и космической погоды.