Выбор места для гигантского телескопа похож на выбор участка для дома: важны не только тихие ночи, но и сухость воздуха, ведь водяной пар поглощает инфракрасное излучение и крадёт у астрономов целые участки спектра. Рядом с этой работой в архиве лежат исследования ледяных детекторов, слушающих радиоголоса космических частиц, и нейтринная исповедь Земли, прочитанная IceCube: все они так или иначе зависят от прозрачности атмосферы. Для будущего Европейского чрезвычайно большого телескопа на Серро-Армазонес и планируемой Черенковской решётки CTA важно знать, сколько водяного пара висит над площадкой и как он распределён по небу. Прежние кампании по выбору места опирались на наземные метеостанции и радиометры, но они дают лишь точечные или кратковременные данные. Здесь же в распоряжении оказался шестилетний архив спектров, которые телескопы накопили для совсем других научных задач.
Архивные спектры были получены инструментом BESO на двух телескопах обсерватории Серро-Армазонес: сначала на 1,5-метровом Hexapod, затем на 0,83-метровом IRIS. Всего за шесть лет набралось 996 ночей наблюдений, после отбраковки осталось 5879 спектров от 918 ночей. Для каждого спектра программа molecfit подгоняла модель теллурических линий поглощения, созданную на основе радиационного переноса LBLRTM и баз данных HITRAN, к двум узким участкам в ближнем инфракрасном диапазоне: синему (816–821 нм) и красному (824–831 нм). Подгонка велась независимо в двух диапазонах, что позволило оценить ошибку измерений: среднеквадратичное расхождение составило 7,95 процента. Для контроля качества применялись три критерия: статистический тест хи-квадрат, критерий Колмогорова–Смирнова и порог на разницу PWV между двумя диапазонами не более 30 процентов. Полученные значения PWV пересчитывались к зениту и сравнивались с одновременными данными X-shooter на VLT, микроволнового радиометра LHATPRO на Серро-Параналь и глобальной модели GDAS.
Медианное значение PWV над Серро-Мёрфи (площадка BESO) составило 2,43 мм против 2,96 мм на Серро-Параналь за те же моменты времени. Разница в 22 процента заметно больше, чем ожидаемые 8 процентов из-за разницы высот в 182 метра при типичной шкале высот водяного пара 1800 метров. Это означает, что площадка Армазонес систематически суше, чем можно было бы предсказать по высотному профилю. Линейная корреляция между BESO и X-shooter дала наклон 0,851 при коэффициенте детерминации R² = 0,89, а между BESO и радиометром LHATPRO наклон 0,838 при R² = 0,93, что подтверждает надёжность метода. Напротив, модель GDAS систематически завышала PWV на 52 процента, её наклон составил лишь 0,561 при R² = 0,78. Распределение пара по небу оказалось однородным: в пределах зенитного расстояния до 60 градусов средние значения по всем азимутальным секторам лежат в диапазоне 3–4 мм без заметных асимметрий, в том числе восток-запад. Никакого влияния Эль-Ниньо 2009–2010 годов на влажность обнаружено не было, что согласуется с данными о необычно частых сухих событиях на Паранале в те же годы.
Работа стоит несколько особняком от соседей: вместо прямых измерений радиометрами или метеозондами она использует побочный продукт астрономических наблюдений, накопленный за шесть лет. Это позволяет получить не точечную, а пространственно разрешённую картину влажности над площадкой, чего не дают ни радиометры, ни модели. В отличие от исследований ледяных детекторов, которые слушают радиосигналы от частиц, или нейтринных наблюдений IceCube, здесь атмосфера изучается через поглощение света звёзд, то есть метод пассивен и не требует дополнительного оборудования. Главный вывод для соседних работ: глобальные метеорологические модели в этой прибрежной зоне Атакамы непригодны для точных предсказаний, и нужны либо локальные уточнения, либо прямые спектроскопические измерения. Для будущих установок CTA это означает, что мониторинг озона и водяного пара можно вести с помощью небольшого телескопа с оптоволоконным спектрографом.
Метод можно расширить на измерение озона, особенно в ультрафиолетовых полосах Хаггинса ниже 400 нм, которые не покрываются текущими спектрами BESO. Предлагаемая установка для CTA должна регистрировать спектры до 320 нм, чтобы улавливать эти более характерные линии озона. Сравнение с локальными уточнёнными метеорологическими моделями, такими как у Ласко и Марина, станет естественным следующим шагом для проверки их точности в этой зоне. Возможен переход к мониторингу в реальном времени, как это предлагалось для TMT на Мауна-Кеа, что позволит оперативно корректировать наблюдения.
Результаты напрямую повлияют на планирование наблюдений Европейского чрезвычайно большого телескопа в инфракрасном диапазоне и на калибровку данных Черенковской решётки CTA, где точность потока задана на уровне 5–7 процентов.
Следующим шагом станет сравнение полученных профилей атмосферы с результатами локальных метеорологических моделей высокого разрешения для Серро-Армазонес. Также необходимо провести аналогичный анализ для озона, расширив спектральный диапазон в ультрафиолетовую область.
Для атмосферной физики ключевой нерешённой проблемой остаётся вертикальное распределение водяного пара в нижней тропосфере над горными плато, где классическая экспоненциальная шкала высот нарушается. Работа показывает, что даже на расстоянии 22 км между площадками разница во влажности не сводится к простому высотному масштабу, что указывает на сложную локальную циркуляцию. Для гамма-астрономии критична точность учёта озонового поглощения в стратосфере, которое меняется от ночи к ночи и пока плохо предсказывается глобальными моделями.
За шесть лет телескопы накопили спектры 996 ночей, но лишь 63 процента из них прошли строгий отбор по качеству, при этом покрытие ночей осталось на уровне 92 процентов. Это значит, что даже отбраковка почти половины спектров не исказила картину сезонных изменений влажности.
В романе Кима Стэнли Робинсона «Аврора» колонисты, прибывшие к другой звезде, сталкиваются с проблемой атмосферной прозрачности, от которой зависит работа их телескопов. Здесь, на Земле, та же проблема решается для площадки, где прозрачность неба станет решающей для гигантского глаза E-ELT.