Ера Супер Телескопів розпочалась: Частина 1

Однієї ночі, 400 років тому, Галілей спрямував свій 37-ти міліметровий телескоп на Юпітер та побачив три його супутники. Наступної ночі він помітив ще один та розгледів інший, який зникав за Юпітером. Його спостереження розпочали революцію в астрономії. До цього переважало переконання, що весь Всесвіт обертається навколо Землі, яка знаходиться в центрі всього. На той час така наївна та дитяча точка зору була догмою.

До Галілея і його телескопа геоцентрична система світу, яка називалась космологією Арістотеля, мала певний сенс. Усе свідчило про те, що ми – в центрі подій. Але як ми помилялись…

Щойно стало ясно, що Юпітер має тіла, які обертаються навколо нього, а не навколо нас, наше особливе положення в центрі Всесвіту було приречене.

У ті часи спостереження Галілея стали величезним викликом як для нашого розуміння самих себе, так і для тодішньої влади. Дослідника примусили відректися від побаченого і запроторили під домашній арешт. Але Галілей ніколи по-справжньому не відмовлявся від того, що він побачив у свій 37-ти міліметровий телескоп.

В наш час на планеті панують супер телескопи. І їхні розміри вже досягають не пари сантиметрів, а метрів, навіть десятків метрів. І коли нові спостереження кидають виклик нашому розумінню речей, ми згуртовуємось довкола них з цікавістю, намагаємось в них розібратись та зрозуміти.

“Габбл”

Перший Супер Телескоп, відомий більшості з нас, це – космічний телескоп «Габбл». Розташований на низькій навколоземній орбіті (ННО), «Габбл» докорінно змінив наше розуміння Всесвіту у багатьох аспектах.

Космічний телескоп "Габбл"
Телескоп “Габбл” під час місії STS-82. Джерело: NASA/IMAX

«Габбл» роздивлявся все, починаючи з нашого сусіда Місяця і закінчуючи далекими галактиками в мільярдах світлових років від нас. Він бачив, як комета, розпадаючись на частини, врізається в Юпітер, бачив пилові бурі на Марсі та області народження планет в інших галактиках. Але час «Габбла» добігає кінця, й інші супер телескопи приходять йому на заміну.

В наш час супер телескопи – це величезні та дорогі проекти, в розробці яких одночасно беруть участь декілька країн. Вони будуються для конкретних досліджень, які мають відповісти на важливі питання:

  • Яка природа темної матерії та темної енергії? Як вони розподілені у Всесвіті та яку роль відіграють?
  • Чи існують інші планети, схожі на Землю, і зоряні системи, схожі на нашу? Чи існують інші населені світи?
  • Ми самотні у Всесвіті, чи десь є й інше життя?
  • Як планети, зоряні системи та галактики формуються та розвиваються?

Деякі з цих супер телескопів опиняться на Землі, а деякі займуть своє місце у космосі. Вони матимуть величезні дзеркала, складені з окремих, керованих комп’ютером, сегментів. Деякі будуть “бачити” в ультрафіолетовому діапазоні, а деякі – в інфрачервоному спектрі. Інші ж – у видимому світлі, або ж в декількох спектрах водночас. А деякі будуть вдивлятися в найдрібніші деталі, тоді як інші будуть роками оглядати все небо.

Ми зможемо побачити планети, що формуються навколо молодих зірок, вдивлятися в атмосфери далеких екзопланет в пошуках ознак життя та поглянути на Всесвіт в його дитячих роках. Можливо, ми навіть зможемо “зламати код” темної енергії та темної матерії. Та, нарешті, зрозуміти їхнє місце у Всесвіті.

Супер телескопи – це справжні технологічні шедеври. Ми не змогли б їх побудувати без сучасних технологій, проте, у свою чергу, розробка супер телескопів сама допомагає рухати наші технології вперед.

Гігантський магелланів телескоп

Гігантський магелланів телескоп (ГМТ) будується у Чилі, в обсерваторії Лас-Кампанас. Регіон Атаками в Чилі являє собою ідеальне місце для телескопів. Через значну висоту над рівнем моря, практично відсутню хмарність, сухе повітря,  а також низький рівень світлового забруднення, пустеля Атакама є одним з найкращих місць у світі для проведення астрономічних спостережень.

ГМТ будується спільними зусиллями США, Австралії, Південної Кореї та Бразилії. Будівництво розпочалось у 2015 році та триватиме, орієнтовно, до 2020-го року. Приблизна вартість проекту становить один мільярд доларів.

Гігантський магелланів телескоп
Серцем ГМТ є сегментне основне дзеркало. GMTO Corporation

Основне дзеркало ГМТ складається з 7 окремих дзеркал: одного центрального дзеркала в оточенні 6 інших. Разом вони утворюють оптичну поверхню, яка становить 24,5 метра у діаметрі. Це означає, що ГМТ матиме загальну світлозбиральну площу 368 квадратних метрів. Таким чином, ГМТ перевершить «Габбла» і буде мати в 10-ро більшу роздільну здатність. Розмір одного дзеркала ГМТ складає 8,4 метра – майже технологічна межа розміру окремого дзеркала. Саме тому в ГМТ (і в інших сучасних телескопах) використовується сегментна система.

Ці дзеркала – сучасні дива інженерії. Кожне зроблене з 20 тонн скла, а для їх виготовлення необхідні роки. Перше дзеркало було вилите в 2005 році і полірувалося впродовж 6 років. Дзеркала настільки масивні, що тільки для їхнього вистигання необхідно 6 місяців.

Цікаво, що вони не просто пласкі, а асферичні. Плюс, всі дзеркала повинні мати однакову кривину, аби працювати як одне ціле. Параболоїдна поверхня дзеркала має бути відполірована з точністю більш ніж 25 нм. Це приблизно 1/25 довжини хвилі світла.

ГМТ допоможе покращити наше розуміння фундаментальних аспектів Всесвіту, зокрема про:

  • формування зірок та планет;
  • планетарні системи за межами Сонячної системи;
  • зоряні населення та їхню хімічну еволюцію;
  • формування та еволюцію галактик;
  • фундаментальну фізику;
  • перше світло та реіонізацію космосу.

ГМТ збиратиме більше світла за будь-який наявний сучасний телескоп. Це буде перший телескоп, який буде в змозі безпосередньо фотографувати екзопланети. З ГМТ ми зможемо побачити колір планет, і, можливо, навіть погодні умови на їхній поверхні.

Тридцятиметровий телескоп

Як й інші супер телескопи, Тридцятиметровий Телескоп (ТМТ) будується зусиллями декількох країн. Міжнародний консорціум, який стоїть за ТМТ, за їхнім власним твердженням, представляє половину населення Землі: США, Канаду, Індію, Китай, Японію. Для чого стільки партнерів? Справа у вартості. ТМТ буде коштувати 1.5 мільярди доларів.

Серце кожного телескопу – його дзеркало. Дзеркало у ТМТ, ймовірно, становитиме 30 метрів у діаметрі. Воно також матиме сегментний дизайн і буде складатись з 492 невеликих дзеркал, шестикутників, розміром 1,4 метра.

Світлозбиральна сила ТМТ буде в десятеро більша ніж у телескопа Обсерваторії Кека та в 144 рази більша ніж у «Габбла».

Але ТМТ – не просто величезний збирач світла, він вихваляється й іншими параметрами, які, власне, і визначають супер телескопи. Один з таких параметрів – дифракційна межа просторової роздільної здатності (ДМПРЗ). Річ у тім, що коли телескоп спрямовується на два віддалених об’єкти, які здаються розташованими близько один до одного, світло від них розсіюється таким чином, що ці два об’єкти виглядають як один.

ДМПРЗ означає, що коли телескоп спостерігає за зорею чи іншим об’єктом, розсіювання світла від дефектів телескопу відсутнє. Тобто ТМТ буде краще розрізняти ближчі об’єкти. За цим показником він тричі перевершить телескоп Обсерваторії Кека та майже в десятеро – «Габбл» (на деяких довжинах хвиль).

Тридцятиметровий телескоп TMT
Рендеринг вигляду зверху комплексу ТМТ. Courtesy TMT International Observatory

Критичною для функціювання телескопів з сегментними дзеркалами є так звана активна оптика. Контролюючи форму та положення кожного сегмента, активна оптика дозволяє основному дзеркалу компенсувати зміни вітру, температури або механічної напруги на телескоп. Без активної оптики та її “сестри” адаптивної оптики, яка компенсує турбулентність атмосфери, будь-який телескоп, понад 8 метрів, не працював би належним чином.

ТМТ буде працювати в близькій ультрафіолетовій, видимій та близькій інфрачервоній області довжин хвиль.

Супер телескопи – це велетні. І не тільки через розміри їхніх дзеркал, але й також через їхню масу. В ТМТ маса рухомої частини сягне 1420 тонн. З іншого боку, телескоп повинен мати змогу за короткий час відреагувати на події на кшталт вибуху наднової. Саме тому здатність телескопа швидко рухатися одразу закладалася в дизайн, а час реакції був встановлений на рівні 5-10 хвилин.

TMT досліджуватиме найбільш важливі на сьогодні питання астрономії та космології:

  • Природа темної матерії.
  • Фізика екстремальних об’єктів, таких як нейтронні зорі.
  • Ранні галактики та космічна реіонізація.
  • Формування галактик.
  • Надмасивні чорні діри.
  • Дослідження Чумацького Шляху і близьких галактик.
  • Народження та раннє життя зірок і планет.
  • Наднові та гамма-спалахи.
  • Екзопланети.
  • Наша Сонячна система.

Де ж побудують ТМТ? Спочатку планувалось побудувати його на вершині вулкану Мауна-Кеа, на Гаваях. Мауна-Кеа є чудовим місцем для телескопів. Там вже знаходяться Обсерваторія Кека, Обсерваторія Джеміні, телескоп Субару, Телескоп CFHT, а також Телескоп імені Джеймса Клерка Максвела. Але втрутились місцеві жителі, які заявили, що Мауна-Кеа священне для них місце і більше телескопів священне місце не витримає. В якості альтернативної домівки для ТМТ розглядається Ла-Пальма на Канарських островах, проте дебати тривають.

Європейський надзвичайно великий телескоп

Європейський надзвичайно великий телескоп (Є-НВТ) будується Європейською Південною обсерваторією (ESO) на  горі Сьєрра-Амазоне (3060 м) у пустелі Атакама, на півночі Чилі. Крім 15 європейських країн до консорціуму входить також Бразилія. ESO з партнерами вже мають декілька сучасних великих телескопів: Великий міліметровий радіотелескоп Атаками, Дуже Великий Телескоп. Але Є-НВТ зі своїм 39 метровим дзеркалом буде наче Гулівер в країні ліліпутів. Приблизна вартість проекту становить 1 мільярда євро.

E-ELT Європейський надзвичайно великий телескоп
Рендеринг телескопу Є-НВТ на основі детального проекту. ESO/L. Calçada/ACe Consortium

Як і в інших великих телескопах, головне дзеркало (М1) Є-НВТ буде складатись з сегментів у кількості 798 штук, діаметром 1,4 метра кожен. Телескоп матиме п’ять дзеркал інноваційного дизайну. Незвичайний аспект дизайну Є-НВТ – це його третє дзеркало (М3). Воно дасть Є-НВТ кращу якість зображення на більшому полі зору у порівнянні з головним та допоміжним (М2) дзеркалами. Четверте (М4) та п’яте (М5) дзеркало використовуватимуться для адаптивної оптики, стабілізації зображення та кріплення масивних дослідницьких приладів.

Оптична система телескопу Є-НВТ
Оптична система телескопу Є-НВТ. ESO/L. Calçada/ACe Consortium

Що вивчатиме Є-НВТ? Наукова програма Є-НВТ є досить амбітною. Один з найбільш захопливих аспектів  Є-НВТ – це його здатність робити знімки екзопланет. 39-ти метрове дзеркало буде не тільки збирати більше світла від далеких об’єктів з малою світністю, але й забезпечить збільшення кутової роздільної здатності. Це означає, що телескоп зможе розрізняти об’єкти, які знаходяться дуже близько один до одного у космічних масштабах.

“Це дозволить телескопу фотографувати планети, які знаходяться близько до зірки, навколо якої вони обертаються та робити спектральний аналіз їхньої атмосфери. Особлива увага буде приділятись планетам за так званій зоні, придатній для життя (де може існувати вода в рідкому стані)”

– пояснює доктор Сірасуоло.

Є-НВТ має також й інші цілі. Це дослідження формування та еволюції планетарних систем, виявлення води та органічних молекул в протопланетних дисках навколо зірок в процесі формування. Він буде дивитися на деякі з, можливо, найвіддаленіших об’єктів, перші зорі, галактики та чорні діри, щоб спробувати зрозуміти взаємозв’язок між ними та їхню еволюцію. Вчені також сподіваються за допомогою Є-НВТ здійснити прямі вимірювання прискорення розширення Всесвіту.

Це відео пояснює деякі аспекти дизайну Є-НВТ та його наукові цілі (ENG).

Всі ці цілі дуже цікаві, але для багатьох з нас найцікавішим є питання: “Чи ми самотні у Всесвіті?”.

“Кінцева мета полягає в пошуку ознак життя. Звичайно, наступне покоління телескопів забезпечить величезний стрибок вперед в розумінні планет в інших зоряних системах та у пошуку життя у Всесвіті”

– погоджується доктор Сірасуоло.

Пошуки життя у Всесвіті можуть забрати багато часу (якщо нам взагалі це вдасться). Але Є-НВТ значно розширить наші знання про екзопланети та й про весь Всесвіт.

Ера супертелескопів розпочалась: частина 2


Ілля Дока
  • 17 записів
  • 0 дописів
Ілля приєднався до Science Ukraine у 2016 році. Має вищу освіту у прикладній фізиці. Здебільшого пише про космос, технології, фундаментальну та прикладну фізику.
Отримуй новини, що визначають майбутнє на свій Email:
Обирай Science Ukraine