Содержание
Крупнейший в мире телескоп, наконец, сможет увидеть звёзды без дифракционных лучей / Хабр
Огромный, 25-метровый Гигантский Магелланов телескоп (ГМТ) не только откроет новую эру наземной астрономии, но и получит первые, самые современные изображения Вселенной, на которых звёзды будут выглядеть именно такими, какие они есть, без дифракционных лучей
При разглядывании величайших изображений Вселенной у нас включается память и воображение. Мы можем рассмотреть планеты Солнечной системы с удивительной детализацией, галактики, расположенные в миллионах или даже миллиардах световых лет от нас, туманности, где рождаются новые звёзды, и звёздные останки, имеющие жутковатый, фаталистический вид нашего космического прошлого и будущего нашей Солнечной системы. Но самые распространённые объекты на этих фотографиях – это звёзды, имеющиеся везде и во всех направлениях, куда бы мы ни посмотрели, как в нашем Млечном Пути, так и за его пределами. И на всех изображениях, от наземных телескопов до Хаббла, у звёзд почти всегда видны лучи: это артефакт изображения, присущий конструкции телескопов.
Мы готовимся к появлению следующего поколения телескопов, и среди них выделяется 25-метровый Гигантский Магелланов телескоп (ГМТ): у него единственного не будет этих дифракционных лучей.
Компактная Группа Хиксона 31, снятая Хабблом – красивое «созвездие» галактик, но на передний план выходят несколько звёзд из нашей собственной Галактики, выделяющихся дифракционными лучами. Этих лучей не будет только при использовании ГМТ.
Телескоп можно сделать по-разному; в принципе, необходимо лишь собирать и фокусировать свет Вселенной на одной плоскости. Ранние телескопы строились по типу рефракторов, когда входящий свет проходит через большую линзу и фокусируется на одной точке, из которой его можно перенаправить в глаз, на фотопластинку или (что более современно) на цифровую матрицу. Но возможности рефракторов фундаментально ограничены физическим размером линзы нужного качества. Такие телескопы не превышают и метра в диаметре. Поскольку качество изображения определяется диаметром апертуры, как в разрешении, так и в светосиле, рефракторы вышли из моды более 100 лет назад.
Телескопы-рефлекторы давно заменили рефракторы, а размер доступного для создания зеркала серьёзно превышает тот, который доступен для линзы сходного качества
Но другая схема – телескоп-рефлектор – может быть гораздо мощнее. Зеркало с хорошо отражающей поверхностью подходящей формы может фокусировать входящий свет на одной точке, а размер зеркала, которое можно отлить и отполировать, очень сильно превышает размер максимальной линзы. Крупнейшие однозеркальные телескопы рефлекторы могут достигать целых 8 метров в диаметре, а сегментация зеркал может достигать и ещё больших размеров. В настоящее время крупнейшим в мире является Большой Канарский телескоп диаметра 10,4 м, но в ближайшее десятилетие этот рекорд побьют два (а возможно, и три) телескопа: 25-метровый ГМТ и 39-метровый Европейский чрезвычайно большой телескоп, ELT.
Сравнительный размер зеркал различных существующих и проектируемых телескопов. Когда запустят ГМТ, он станет крупнейшим в мире, первым оптическим телескопом диаметра 25 м в истории, но потом его затмит ELT.
Но у всех этих телескопов имеются зеркала, и все они являются рефлекторами.
Оба этих телескопа – многосегментные рефлекторы, и должны выдать нам невиданные ранее изображения Вселенной. ELT будет больше по диаметру и количеству сегментов, а также по стоимости, и его должны будут достроить через несколько лет после ГМТ. ГМТ будет поменьше по диаметру и количеству сегментов (хотя сами сегменты будут крупнее), дешевле, и будет закончен быстрее. Этапы его строительства следующие:
- рытьё котлована началось в феврале 2018,
- залив бетона – 2019,
- постройка здания, полностью защищающего от погоды – 2021,
- доставка телескопа – 2022,
- установка основных зеркал – начало 2023,
- первый свет – конец 2023,
- первые научные исследования – 2024,
- запланированное окончание строительства – 2025.
Довольно скоро! Но даже с таким амбициозным графиком, у ГМТ будет огромное оптическое преимущество, и не только над ELT, но и вообще над всеми рефлекторами: у снятых им звёзд не будет дифракционных лучей.
Считается, что звезда, разгоняющая в стороны Туманность Пузырь, может быть в 40 раз массивнее Солнца. Обратите внимание на то, как дифракционные лучи мешают наблюдению менее ярких структур поблизости.
Привычные вам лучи, наблюдаемые на снимках с таких обсерваторий, как телескоп Хаббла, появляются не из-за основного зеркала, а из-за необходимости последовательных отражений, фокусирующих свет на его конечной цели. Для этого необходимо каким-либо способом разместить и закрепить вторичное зеркало, повторно фокусирующее поток света. Нет никакой возможности избежать наличия поддерживающих конструкций, удерживающих вторичное зеркало, а они оказываются на пути света. Количество и расположение поддержек определяют количество лучей – четыре у Хаббла, шесть у Джеймса Уэбба – и их видно на всех фотографиях.
Сравнение дифракционных лучей для различного расположения стоек в рефлекторе. Внутренний круг – вторичное зеркало, внешний – основное; внизу показаны итоговые конфигурации лучей.
У всех наземных рефлекторов есть такие дифракционные лучи; будут они и у ELT. Щели между 798-ю шестиугольными зеркалами, несмотря на то, что их площадь составит не более 1% общей площади зеркала, увеличат силу лучей. Каждый раз, когда мы будем фотографировать какой-либо неяркий объект, неудачно расположенный близко к чему-то яркому – к звезде, например – у нас вылезут эти дифракционные лучи. Даже с использованием сдвижной съёмки, при которой делается две почти одинаковые фотографии с небольшим сдвигом, и одна вычитается из другой, не получится полностью избавиться от этих лучей.
ELT с основным зеркалом диаметром в 39 м, будет крупнейшим в мире устремлённым в небо глазом, когда начнёт работать в начале следующего десятилетия. Это детальная предварительная схема с анатомией всей обсерватории [кликабельно]
Но ГМТ, обладающий семью огромными восьмиметровыми зеркалами с одним центральным и шестью симметрично расположенными вокруг него зеркалами, гениально спроектирован так, чтобы устранить эти дифракционные лучи.
Шесть внешних зеркал расположены таким образом, что с края собирающей свет области и до центрального зеркала тянутся узкие щели. Вторичное зеркало поддерживают тонкие «паучьи лапки» стоек, но каждая из них расположена точно над этими щелями. Поскольку стойки не блокируют свет, используемый внешними зеркалами, никаких лучей на изображении не будет.
25-метровый ГМТ сейчас строится, и станет величайшей наземной обсерваторией Земли. Стойки, удерживающие вторичное зеркало, разработаны так, чтобы попадать точно в промежутки между зеркалами.
Но вместо этого в этой уникальной схеме – в которой между зеркалами будут щели, а стойки будут пересекать центральное зеркало – будет наблюдаться новый набор артефактов: набор кругов, появляющихся вокруг кольцевых объектов (диски Эйри), которые будут окружать каждую звезду. Эти круги будут выглядеть как пустые места на изображении, и будут появляться везде из-за схемы телескопа. Однако они будут очень малой интенсивности, и появятся на короткое время; эти круги заполнятся изображением, когда небо и телескоп будут вращаться в течение ночи, аккумулируя свет во время долгой экспозиции.
После 15 минут, минимального, по сути, времени для получения приличной фотографии, эти кружки полностью исчезнут.
Ядро шарового скопления Омега Центавра – один из наиболее густонаселённых участков, содержащих старые звёзды. ГМТ сможет различить больше звёзд, чем когда бы то ни было, и без всяких дифракционных лучей.
В итоге мы получим первый телескоп мирового класса, способный видеть звёзды такими, какие они есть – без дифракционных лучей! В его схеме будут небольшие компромиссы, самый крупный из которых будет состоять в небольшой потере светосилы. Физический диаметр ГМТ будет составлять 25,4 м, однако собирающая свет область будет иметь диаметр «всего» в 22,5 м. Однако небольшую потерю разрешения и светосилы с лихвой восполняют возможности этого телескопа, отличающие его от всех остальных.
Несколько наиболее удалённых галактик в наблюдаемой Вселенной, увиденные благодаря проекту Hubble Ultra Deep Field. ГМТ сможет сфотографировать все эти галактики с разрешением в десять раз лучше, чем у Хаббла.
Его разрешение составит от 6 до 10 угловых миллисекунд, в зависимости от длин волн – это в 10 раз лучше Хаббла и в 100 раз чувствительнее его. Он сможет рассмотреть удалённые галактики на расстояниях в десять миллиардов световых лет, и мы сможем установить их кривые вращения, поискать признаки слияния, измерить истекающую из них материю, изучить участки формирования звёзд и признаки ионизации. Мы сможем напрямую разглядеть экзопланеты земного типа, включая Проксима Центавра b, расположенные на расстоянии до 30 световых лет от нас. Планеты типа Юпитера будут видны на расстояниях до 300 световых лет. Мы также измерим параметры межгалактической среды и процентное содержание химических элементов везде, куда ни посмотрим. Также мы сможем обнаружить самые ранние сверхмассивные чёрные дыры.
Чем дальше от нас находится квазар или сверхмассивная чёрная дыра, тем мощнее телескоп (и камера) нужны для её обнаружения. Преимущество ГМТ будет состоять в способности проводить спектроскопию таких ультрадалёких объектов после их обнаружения.
А ещё мы сможем проводить прямые спектроскопические измерения отдельных звёзд в густонаселённых скоплениях и окружениях, изучать детали строения ближайших галактик и в деталях наблюдать системы из двух, трёх и нескольких звёзд. Сюда входят даже звёзды в центре Галактики, расположенные в 25 000 световых лет от нас. И всё это, естественно, без дифракционных лучей.
На изображении демонстрируется улучшение разрешения изображения центра Галактики угловым размером в 5 угловых секунд – от телескопов Кека с адаптивной оптикой до будущих телескопов, таких, как ГМТ. И только на ГМТ у звёзд не будет дифракционных лучей.
По сравнению с тем, что мы можем видеть сегодня в лучших обсерваториях мира, следующее поколение наземных телескопов откроет нам целую плеяду новых рубежей, сорвав покров загадочности с невиданной Вселенной. Кроме планет, звёзд, газа, плазмы, чёрных дыр, галактик и туманностей, мы будем смотреть на невиданные ранее объекты и явления. И до тех пор, пока мы на них не посмотрим, мы не будем знать точно, какие чудеса Вселенная приготовила для нас.
Благодаря хитроумному и инновационному проекту ГМТ, объекты, которые мы пропустили из-за дифракционных лучей ярких близлежащих звёзд, внезапно откроются нам. Нам предстоит наблюдать целую новую Вселенную, и этот уникальный телескоп откроет нам то, что пока никто не может увидеть.
Строительство самого крупного телескопа в мире началось пока без России
Мощный взрыв произошел в горах Чили — это Европейская Южная обсерватория, в которую Россия никак не вступит, начала строить самый крупный в мире телескоп (диаметр зеркала — 39 м). Динамит потребовался для того, чтобы выровнять площадку на горе, где будет установлен «самый большой глаз в мире».
В четверг в Чили не только праздновали победу национальной сборной по футболу над сборной Испании и досрочный выход в 1/8 финала чемпионата мира, но и начинали новый этап в истории науки. На пике Серро Армазонес, который находится на севере Чили, в пустыне Атакама, на высоте около 3 тыс. м над уровнем моря, произошел запланированный взрыв, в результате которого было снесено примерно 5 тыс.
тонн скальных пород. Это первая стадия работ по крупномасштабному выравниванию рельефа, необходимому для последующей установки 39-метрового телескопа E-ELT (Extremely Large Telescope — экстремально большой телескоп) и комплекса зданий обсерватории.
Для этого на вершине горы необходимо выровнять платформу размером 150 на 300 м, всего с вершины нужно убрать около 220 тыс. куб. м камня.
«Самый большой глаз в мире»
Директор по программам Европейской южной обсерватории (ESO) Адриан Расселл и его коллеги рассказывают…
20 ноября 19:50
Проект E-ELT реализует Европейская Южная обсерватория (European southern Observatory, ESO) — ведущая межгосударственная астрономическая организация, в которую входят 15 стран: Австрия, Бельгия, Бразилия, Великобритания, Германия, Дания, Испания, Италия, Нидерланды, Португалия, Финляндия, Франция, Чешская Республика, Швейцария и Швеция. Как рассказывал в своей лекции в «Газете.Ru» директор по программам ESO Адриан Расселл, разработка E-ELT началась в 2004 году.
Первоначально инструмент должен был иметь 100-метровое зеркало, но по ряду причин было принято решение отказаться от этой идеи и сделать его несколько меньше — 39 м.
Все равно это ощутимый скачок от нынешнего поколения телескопов, самый большой из которых имеет зеркало диаметром 10 м.
Впрочем, из телескопов, диаметр зеркала которых оценивается в не один десяток метров, E-ELT, который создатели ласково называют самым большим глазом в мире, не является единственным строящимся. В марте 2012 года в обсерватории Лас-Кампанас, которая находится в центре Чили, была произведена аналогичная операция — взрыв горы — для сооружения GMT (Giant Magellanic Telescope — Гигантский Магеллановский телескоп) телескопа, главное зеркало которого представляет собой конструкцию из семи зеркал, диаметр каждого из которых составит 8,4 м. Одно будет располагаться в центре, а остальные шесть — по периметру, так что эквивалентный диаметр такого составного зеркала составит более 20 м. К настоящему моменту к завершению подходит изготовление трех зеркал из семи.
Строительство GMT должно завершиться к 2020 году. В его создании участвуют четыре страны: США, Чили, Южная Корея и Австралия.
Помимо E-ELT и GMT, которые строятся в Чили, существует третий проект крупного телескопа — TMT (Thirty Meter Telescope — 30-метровый телескоп). В отличие от двух других проектов он будет расположен на Гавайских островах. Над его созданием работают ученые из США, Индии, Китая и Японии. Правда, это самый отстающий проект крупного телескопа: его строительство пока не началось, и участники проекта заканчивают разработку проекта и решают финансовые вопросы. Например, буквально две недели назад Китайская академия наук провела широкое обсуждение участия в этом проекте и в итоге подтвердила участие Китая с финансированием 10% общей стоимости проекта.
Сначала был большой взрыв
В обсерватории Лас-Кампанас (Чили) началось строительство GMT (Гигантского Магелланова телескопа с…
24 марта 13:27
Средняя же цена каждого из проектов составляет около $1 млрд.
Нетрудно заметить, что в проектах крупных телескопов участвуют все ведущие страны, претендующие на то, что в них есть сильная наука, кроме России. Никаких переговоров о присоединении российских астрономов к проектам GMT и TMT не велось никогда. А вот вопрос о вступлении России в Европейскую Южную обсерваторию обсуждался на самом высоком уровне, в том числе и при участии Владимира Путина. Для того чтобы стать членом ESO, России нужно внести около €150 млн в течение десяти лет. При этом большая часть этих средств может остаться в России в виде высокотехнологичных заказов. Так, руководители ESO, в том числе и директор обсерватории Тим де Зеу, в беседе с корреспондентом «Газеты.Ru» не один раз говорили о своей заинтересованности в том, чтобы находящийся в Подмосковье Лыткаринский завод оптического стекла принимал участие в создании зеркал для E-ELT.
Вопрос о вступлении России в ESO стал одним из центральных на мартовской встрече в Министерстве образования и науки, посвященной развитию астрономии и астрофизики в Российской федерации.
Там было показано огромное множество проектов, на что представители министерства во главе с заместителем министра образования и науки Людмилой Огородовой заметили, что, хотя все проекты интересны, нет финансовой возможности их поддержать и российское астрономическое сообщество должно прийти к единому мнению и определить приоритеты. Результатом заседания стало формирование рабочей группы, которая должна представить расставленный в виде рейтинга список мероприятий, направленных на развитие астрономии в РФ, с их бюджетом. В качестве срока назывался май, но к настоящему моменту, по информации «Газеты.Ru», подобный план еще комиссией не составлен.
«Объединение институтов по тематике — вполне возможный сценарий»
О работе с Федеральным агентством научных организаций, конференции научных работников, возможном слиянии…
26 марта 11:21
Позднее в разговоре с корреспондентом «Газеты.Ru» Людмила Огородова сказала, что, по ее мнению, России в плане астрономии «нужно занять собственную позицию и вступить, конечно, в какой-то из центров, а может быть, даже и во все», отметив, что «позиция должна быть обоснована.
.. не только с точки зрения денег, которые мы потратим на это, а именно с точки зрения того, что мы хотим получить».
В настоящее время самый крупный оптический телескоп, расположенный в России, — это Большой телескоп азимутальный (БТА), который имеет диаметр зеркала 6 м.
Он расположен в горах Карачаево-Черкесии и является базовым инструментом Специальной астрофизической обсерватории Российской академии наук (САО РАН). Директор САО РАН Юрий Балега является ярым сторонником вступления России в ESO. Второй же по величине телескоп в стране, диаметр которого составит 2,5 м, должен вступить в строй нынешним летом. Этот инструмент сооружает Государственный астрономический институт имени П.К. Штернберга Московского государственного университета на плато Шатджатмаз недалеко от Кисловодска.
Начинается строительство крупнейшего в мире радиотелескопа
Космос
Мегаобсерватория, известная как Решетка квадратных километров, состоит из огромных кластеров тарелок и антенн, разбросанных по отдаленным частям Южной Африки и Западной Австралии.
Составное изображение телескопа SKA-Low, объединяющее существующий прототип станции AAVS2.0 в Западной Австралии с художественным представлением будущих станций SKA-Low. SKAO
Дениз Чоу
Наконец-то начались работы по созданию крупнейшей в мире радиоастрономической обсерватории.
Известный как Решетка квадратных километров, мегателескоп состоит из огромных групп тарелок и антенн, разбросанных по отдаленным частям Южной Африки и Западной Австралии. Строительство обсерватории началось в понедельник после трех десятилетий планирования.
Массив квадратных километров называют одним из крупнейших научных проектов 21 века. Сверхчувствительный инструмент будет использоваться для исследования некоторых из самых загадочных космических тайн, начиная от темной материи, темной энергии и формирования галактик и заканчивая происхождением коротких, но интенсивных импульсов радиоизлучения, известных как быстрые радиовсплески.
Кэтрин Цесарски, председатель совета директоров Square Kilometre Array, сказала, что обсерватория создавалась «много лет».
«Сегодня мы собрались здесь, чтобы отметить еще одну важную главу в этом 30-летнем путешествии, которое мы прошли вместе. Путешествие за доставкой крупнейшего в мире научного прибора», — говорится в заявлении.
Обсерватория состоит из двух массивов: SKA-Low в Западной Австралии, расположенной на традиционных землях народа ваджарри, и SKA-Mid, построенной в Кару в Северном Кейпе в ЮАР.
Объект в Австралии будет состоять из более чем 131 000 древовидных антенн, каждая высотой около 6,5 футов. Вместе они будут достаточно чувствительны, чтобы улавливать одни из самых слабых сигналов во Вселенной — низкочастотные радиоволны в диапазоне от 50 до 350 мегагерц.
По словам ученых проекта, по сравнению с аналогичными телескопами, существующими сейчас, SKA-Low будет в восемь раз более чувствительным, иметь на 25% лучшее разрешение и сможет в 135 раз быстрее обследовать небо.
Южноафриканский компонент будет состоять из почти 200 тарелок, расширенных за счет телескопа MeerKAT с 64 тарелками, который уже существует на сайте. Они будут способны работать в диапазоне средних частот от 350 мегагерц до 15,4 гигагерца.
По словам ученых проекта, по сравнению с существующими телескопами SKA-Mid в Южной Африке будет работать с четырехкратным разрешением и пятикратной чувствительностью и сможет исследовать небо в 60 раз быстрее.
Ожидается, что строительство обсерватории стоимостью около 2 миллиардов долларов будет продолжаться до 2028 года, хотя часть массивов может начать функционировать уже в 2024 году.
Крупнейший в мире массив солнечных телескопов завершен.
На краю Тибетского нагорья инженеры только что закончили монтаж последних частей оборудования на крупнейший в мире массив телескопов для изучения Солнца.
Строительство Даочэнского солнечного радиотелескопа (DSRT), состоящего из более чем 300 тарельчатых антенн, образующих круг диаметром более 3 километров, было завершено 13 ноября.
Пробная эксплуатация начнется в июне. Обсерватория стоимостью 100 миллионов юаней (14 миллионов долларов США) поможет исследователям изучать солнечные извержения и то, как они влияют на условия вокруг Земли.
«Мы вступаем в золотой век солнечной астрономии, поскольку у нас появилось много крупных солнечных телескопов, — говорит Мария Казаченко, физик-солнечник из Колорадского университета в Боулдере. К ним относятся солнечный зонд НАСА Parker, запущенный в 2018 году, и солнечный орбитальный аппарат Европейского космического агентства, запущенный в 2020 году, оба из которых собирают данные, когда они вращаются вокруг звезды.
В ближайшие несколько лет Солнце войдет в фазу высокой активности. Радиочастотные данные, которые собирает DSRT, дополнят данные, собранные телескопами, работающими в других диапазонах частот. За последние два года Китай запустил по крайней мере четыре спутника для наблюдения за Солнцем, в том числе усовершенствованную космическую солнечную обсерваторию в октябре, которые изучают звезду в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах.
«Теперь в Китае есть инструменты, которые могут наблюдать за всеми уровнями Солнца, от его поверхности до самой внешней атмосферы», — говорит Хуэй Тянь, физик-солнечник из Пекинского университета в Пекине.
Обсерватории в Китае также предоставят важные данные о солнечной активности, невидимые для телескопов в других часовых поясах, говорит Дин Миндэ, физик-солнечник из Нанкинского университета. Солнечные исследования требуют глобального сотрудничества, добавляет он.
Радиотелескопы, такие как DSRT, полезны для изучения активности в верхних слоях атмосферы Солнца — короны — например, солнечных вспышек и выбросов корональной массы (CME). Это гигантские выбросы горячей плазмы из короны, которые происходят, когда искривленное магнитное поле Солнца «защелкивается», а затем снова соединяется. Когда высокоэнергетические частицы, выпущенные во время CME, устремляются к Земле, возникающая в результате «космическая погода» может повредить орбитальные спутники и нарушить работу энергосистем на Земле.
В феврале относительно слабый CME уничтожил 40 спутников связи Starlink, запущенных SpaceX, аэрокосмической компанией в Калифорнии. «С увеличением количества спутников в космосе возрастает потребность в более точном прогнозировании космической погоды», — говорит Дин.
Казаченко говорит, что предсказание космической погоды остается проблемой. DSRT имеет широкое поле зрения, по крайней мере, в 36 раз больше, чем диск Солнца, что позволит телескопу отслеживать развитие КВМ и наблюдать, как высокоэнергетические частицы распространяются в космосе, говорит главный инженер DSRT Цзинье Ян. Национальный центр космических наук Китайской академии наук в Пекине. «С этой информацией мы сможем предсказать, достигнут ли Земли выбросы корональной массы и когда, — говорит Ян.
313 антенн DSRT позволят достичь высокой чувствительности для лучшего прогнозирования космической погоды. Большой массив потенциально может улавливать более слабые сигналы от высокоэнергетических частиц, которые могут быть пропущены массивами, ведущими наблюдения в том же частотном диапазоне — от 150 до 450 мегагерц — с меньшим количеством антенн, таких как Nançay Radioheliograph во Франции, который имеет 47 антенн.