Наблюдения по эту сторону телескопа. Почему астрофизики озаботились экологией?

В течение многих лет астрономы проводили одинокие вечера в отдаленных обсерваториях на вершинах гор, наблюдая звезды и планеты. Но так было в прошлом, а сегодня изучение небесных тел предполагает иное: огромное количество радаров непрерывно сканируют небо и передают данные на суперкомпьютеры, потребляющие огромное количество энергии, а для создания космических аппаратов стоимостью в несколько миллиардов долларов требуются годы и тонны ракетного топлива. Наземные обсерватории следующего поколения будут огромными, как, например, невероятно большой телескоп, который будет построен в 2024 году и превзойдет размерами римский Колизей.

Всё это наводит некоторых ученых на мысли об углеродном следе: становится всё более очевидным, что астрономам тоже пора задуматься о том, как сделать свою деятельность более экологичной. Для этого, например, можно перейти на солнечную энергию, что имеет смысл для обсерваторий в Австралии и Чили, где небо ясное и много солнечного света. Но существуют и другие варианты.

«Сейчас мы вынуждены заниматься наукой в промышленном масштабе», — говорит Адриан Шутте, руководитель программы Square Kilometer Array, с помощью которой предполагается связать два строящихся радиотелескопа в Южной Африке и Австралии (для этого необходимо связать друг с другом несколько тысяч радаров).

«Если вы в самом деле хотите что-то обнаружить в небе, телескопом на вашем заднем дворе уже не обойтись, — говорит Шутте. — Так что мы тратим энергию в промышленных масштабах, и нам нужно заранее планировать значительные выбросы CO₂».

Не так давно в журнале Nature Astronomy группа европейских астрономов опубликовала статью, в которой проводится оценка глобального углеродного следа для всех видов деятельности, которыми занята современная астрономия, включая как наземные, так и космические обсерватории.

Они подсчитали, что энергия, затрачиваемая для строительства и поддержания существующей инфраструктуры, провоцирует выработку 1,2 млн метрических тонн углекислого газа в год, а за всё время существования современной астрономии в атмосферу выброшено уже 20,3 млн метрических тонн.

Такое количество углекислого газа, согласно калькулятору эквивалентов парниковых газов, соответствует годовым выбросам пяти электростанций, работающих на угле.

Например, новый космический телескоп Джеймса Уэбба стоимостью 9,8 млрд долларов, который NASA запустило в декабре 2021 года (первые снимки с него ученые намерены получить уже этим летом), будет иметь углеродный след в 300 000 метрических тонн CO₂. Это всё равно что сжечь 1655 вагонов угля. Кроме того, еще один очень большой телескоп, находящийся в чилийском городе Паранале, за 21-летний срок службы выбросил в атмосферу 540 000 метрических тонн CO₂.

Конечно, можно задаться вопросом, почему астрономы так беспокоятся о размере углеродного следа от своей деятельности, если в других отраслях с этим несравнимо хуже. Как горит Энни Хьюз, одна из соавторов упомянутой статьи и штатный астроном Французского исследовательского института астрофизики и планетологии (IRAP), ученым важно подать пример.

«Человечество столкнулось с исключительной климатической ситуацией, — сказала Хьюз во время пресс-конференции 17 марта. — Научные данные однозначно свидетельствуют о том, что человеческая деятельность влияет на изменение климата Земли.

Это уже настолько очевидно, что мы обязаны коренным образом изменить нашу деятельность в следующем десятилетии. Поэтому мы должны действовать уже сейчас, дабы сократить выбросы углекислого газа. Это касается не только астрономов, но и всех остальных ученых».

По словам Хьюз, если ученые хотят повлиять на общество, они должны сами подавать пример. В противном случае «это всё равно как если бы ваш отец запрещал вам курить и постоянно курил сам. Неудивительно, если вы не будете принимать его слова всерьез»

Чтобы спрогнозировать объем углеродного следа для будущих сооружений, авторы статьи использовали оценки из предыдущих работ, показывающие, сколько энергии было потрачено во время строительства наземных обсерваторий и запуска орбитальных, а также прогнозы затрат энергии на их эксплуатацию в течение ожидаемого срока службы. Авторы считают свой прогноз достаточно реалистичным, но не абсолютно точным. Пока невозможно избежать некоторой неопределенности, поскольку показатели меняются в зависимости от того, были ли предыдущие оценки получены с учетом массы самого объекта или же с учетом углеродных затрат на его функционирование. Например, у космического телескопа «Хаббл», находящегося на орбите более тридцати одного года, углеродный след составляет либо 555 000 метрических тонн CO₂ по массе объекта, либо 1,1 млн метрических тонн по количеству углерода, затраченному на его функционирование.

Юрген Кнедльседер, директор по исследованиям в IRAP и также один из соавторов обсуждаемой статьи, отметил, что астрономические обсерватории растут в размерах и потребляют всё больше энергии.

«Существует общая тенденция, что исследовательская инфраструктура становится всё больше и больше, — сказал Кнедлседер. — Очевидно, это не улучшает экологическую ситуацию».

Но не все согласны с подобной оценкой. Шутте, который в течение последних семи лет занимался проектированием телескопов для Square Kilometer Array, отмечает, что есть способы сделать большие обсерватории менее энергозатратными.

«Лучший способ не выделять CO₂ — это не использовать электроэнергию», — говорит он.

Помимо установки солнечных батарей в пустынях Австралии и Южной Африки, Шутте также подчеркивает, что он и его команда используют электронное оборудование с функцией переключения в спящий режим, когда оно не работает активно.

Кроме того, вместо энергозатратных графических процессоров для обработки данных команда Шутте использует более экологичную программируемую матрицу. По словам ученого, в результате этих изменений количество энергии для работы телескопа удалось снизить в три раза по сравнению с первоначальной оценкой 2014 года. «Для каждой подсистемы мы устанавливаем ограничение по мощности, — говорит Шутте, — и записываем это в контракты».

Идея сделать астрономию более экологичной стоит на повестке дня уже несколько лет. В статье 2020 года австралийские исследователи космоса и вычислительной техники оценили углеродный след, возникающий в результате перелетов астрономов по различным международным конференциям, и энергию, затраченную суперкомпьютерами для обработки данных из космоса. Им удалось подсчитать, что австралийский суперкомпьютер выбрасывал 15 000 метрических тонн углекислого газа в год, что в четыре раза больше, чем тот объем углекислого газа, который выбрасывается в результате перелетов астрономов. Аналогичным образом в исследовании 2021 года, проведенном учеными из Нидерландов, было установлено, что углеродный след шести астрономических институтов страны составляет чуть менее 4900 метрических тонн в год.

Обзор деятельности астрофизиков и астрономов за десять лет, опубликованный в ноябре 2021 года, также поднимает экологические проблемы и рекомендует правильно расставлять приоритеты в следующем десятилетии.

Участники конференции, на которой обсуждался этот обзор, отметили, что работа среднестатистического астрофизика производит от 20 до 35 тонн углерода в год, в основном из-за поездок и энергии, затраченной на обработку данных.

В связи с этим они рекомендовали ученым чаще обращаться к возможностям удаленного наблюдения, участвовать в дистанционных или гибридных конференциях, а также учитывать необходимость сокращения или смягчения выбросов углерода при планировании новых объектов. Также участники конференции призвали исследователей участвовать в общественных дискуссиях об изменении климата и проводить вводные уроки астрономии, чтобы познакомить с этой наукой и ее проблемами студентов и школьников. Кроме того, в докладе поднимались вопросы о проблемах при взаимодействии с коренным населением территорий, где строились новые астрономические лаборатории. В частности, там говорилось о будущей постройке тридцатиметрового телескопа в Мауна-Кеа, вызвавшей протесты коренных гавайцев, выступающих за сохранение вулканической вершины, которую они считают священной.

Некоторые астрономы считают, что бережное потребления энергии полезно для самой астрономии. Так, согласно Трэвису Ректору, профессору физики и астрономии Университета Аляски в Анкоридже, астрономы находят способы быть более энергоэффективными, исследуя природу Вселенной.

«Мы хотим внести свою лепту, — говорит Ректор, изучающий формирование ранних звезд с помощью данных обсерватории в Чили. — Мы хотели бы определить, от чего зависит объем выбросов, а затем найти способы их сократить. Мы хотели бы сделать нашу профессию более экологичной и продвинуть науку вперед».