20:18
Четыре новых гигантских телескопа вот-вот потрясут астрономию

В городе скоро появятся новые телескопы.

Когда телескоп Хукера впервые посмотрел в небо в 1917 году, никто не знал, какие чудеса он может открыть. В течение десятилетия астроном Эдвин Хаббл использовал его-тогда самый большой телескоп в мире, диаметром 100 дюймов-чтобы обнаружить, что галактики существуют за пределами Млечного Пути, и что Вселенная расширяется.

История повторилась, начиная с 1949 года, когда 200-дюймовый телескоп Хейла впервые сфотографировал ночное небо. В начале 1960-х годов астроном Мартен Шмидт использовал этот прибор для анализа необычных “квазистеллярных радиоисточников”— квазаров для краткости. Они оказались сверхмассивными черными дырами, накапливающими материю в центрах галактик,-фантастическая фантазия, когда был построен телескоп Хейла.

К 1990-м годам технология продвинулась достаточно далеко, чтобы возвестить эру телескопов диаметром от 8 до 10 метров (от 26 до 33 футов), и та же история повторилась еще раз. С существенной помощью 2,4-метрового космического телескопа Хаббла, вращающегося над атмосферой Земли, искажающей изображение,эти приборы могли анализировать несколько десятков далеких сверхновых типа Ia-катастрофические взрывы белых карликов. Поразительно, но исследователи обнаружили, что расширение Вселенной ускоряется. Опять же, это было возможно только с увеличенной огневой мощью новейших телескопов.

Теперь астрономы стоят на пороге новой революции телескопов. В течение следующих нескольких лет исследователи ожидают, что три прибора, которые более чем в два раза больше своих ближайших конкурентов, начнут сканировать небо. А четвертый телескоп, один” всего лишь " 8 метров в диаметре, будет использовать передовые технологии для изображения всего ночного неба каждые три дня.

Этот квартет новых инструментов обещает предоставить потрясающую науку по актуальным вопросам. Но, как и в случае с предыдущими большими скачками вперед в размерах, новые прицелы, вероятно, также сделают открытия, которые никто еще не может себе представить. Как говорит Пэт Маккарти, вице-президент гигантского телескопа Магеллана (GMT): "мы ожидаем узнать то, чего не знаем.”

Размер имеет значение

Астрономы всегда стремятся расширить границы-увидеть более слабые объекты в более подробных деталях. Большой телескоп собирает больше света, и таким образом позволяет глубже видеть космос. Удвойте диаметр главного зеркала, собирающего свет для телескопа, и вы вчетверо увеличите площадь его поверхности, а следовательно, и количество света, которое он получает. Наблюдение, которое когда-то занимало четыре часа, теперь может быть выполнено за один, и это же самое зеркало позволит вам видеть примерно в два раза дальше.

Обсерватория Лас Кампанас, показанная здесь в изображении художника, должна быть завершена примерно через 10 лет. Обсерватория объединит семь зеркальных сегментов для телескопа диаметром 24,5 метра-примерно в 10 раз больше космического телескопа Хаббла.

Гигантский телескоп Магеллана-GMTO Corporation / производство Mason Media Inc.

Но вы можете задаться вопросом,где находится закон убывающей отдачи. В конце концов, вы можете видеть только до сих пор. Возможно, космический телескоп Хаббла недавно приблизился к этим пределам, когда он завершил свою программу Frontier Fields, которая позволила исследователям наблюдать галактики, существующие всего через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва. А для более близких объектов Хаббл предоставляет изображения вне сравнения, несмотря на относительно небольшой размер. Чего еще могут хотеть люди?

Ну, профессиональные астрономы не живут одними только изображениями. Чаще всего для получения информации о температуре, скорости, вращении и составе объекта им требуется разложение света, называемое спектром, на объекты, которые они наблюдают. Действительно, спектр-это единственный способ отличить звездный свет от пылающего газового облака или слабую звезду в окрестностях Млечного Пути от расплывчатой галактики в отдаленном уголке Вселенной. А чтобы получить достаточно света даже для минимального спектрального анализа, требуется примерно в 100 раз больше времени, чем для получения изображения. К счастью, большие объемы позволяют значительно сократить время обработки.

Разрешение также увеличивается с увеличением диаметра телескопа. Сделайте зеркало вдвое шире, и оно доставит вдвое больше деталей. И благодаря причудам физики вы можете извлечь ту же выгоду, поместив меньшие телескопы дальше друг от друга, а затем объединив их свет с помощью процесса, известного как интерферометрия. (Радиоастрономы, использующие этот метод, получили первое изображение черной дыры в начале этого года: глобальная сеть радиотелескопов увидела около 54 миллионов световых лет, чтобы захватить сверхмассивную черную дыру в центре гигантской галактики M87.)

Наземные телескопы сталкиваются с дополнительной проблемой: разрушением земной атмосферы. Когда свет от небесного объекта проходит через воздух при различных температурах, он толкается и теряет четкость. Это большая причина, по которой проектировщики устанавливают большие телескопы на высоких горных вершинах — там гораздо меньше воздуха, чтобы мешать им. Даже разница температур между воздухом снаружи и внутри купола телескопа может создавать воздушные потоки, которые отрицательно влияют на резкость изображения.

Вот тут-то и пригодится адаптивная оптика. За последние несколько десятилетий астрономы отточили эту технику, которая механически компенсирует любые атмосферные махинации и

обеспечивает изображения почти столь же резкие, как зеркало теоретически может произвести. Сердцем адаптивной оптической системы является тонкое, гибкое, управляемое компьютером зеркало. Астрономы нацеливаются на довольно яркую эталонную звезду, расположенную близко к объекту, который они хотят изучить. Компьютер анализирует поступающий свет, чтобы измерить, как атмосфера размывает его, а затем сообщает системе управления, как настроить форму зеркала, чтобы исправить изображение в режиме реального времени. Поскольку атмосферная турбулентность постоянно меняется, такие системы могут изменять форму зеркала до 1000 раз в секунду. А если поблизости нет яркой эталонной звезды — как это часто бывает-астрономы могут просто направить мощные лазерные лучи в верхние слои атмосферы Земли и создать свой собственный эталонный свет.

Изготовление зеркал

Прежде чем они смогут воспользоваться преимуществами следующего поколения телескопов, инженеры, конечно, должны изготовить детали — а именно, эти необходимые и огромные зеркала. Астрономы разработали для них два проекта.

Каждый из семи зеркальных сегментов Гигантского Магелланова телескопа должен быть тщательно обработан в соответствии с точными техническими характеристиками, чтобы обеспечить точные наблюдения. Здесь сотрудники зеркальной лаборатории Ричарда Ф. Кэриса помещают свежий слой стекла в зеркальную форму.

Гигантский Магелланов телескоп-GMTO Corporation

В первом они отливали единое монолитное зеркало. Астроном из Аризонского университета Роджер Энджел впервые применил этот метод после проведения эксперимента на заднем дворе около 1980 года. Технический персонал начинает процесс с загрузки кусков стекла в форму печи. Затем они поднимают температуру печи до 2100 градусов по Фаренгейту и вращают всю сборку со скоростью пять оборотов в минуту. Как только куски расплавляются до консистенции густого меда, стекло перетекает в чашеобразную или параболическую форму-идеальную для фокусировки входящего звездного света — в результате вращения. Зеркала имеют толщину не более 1 дюйма и сотовую структуру, чтобы удерживать их вес. Затем специалисты шлифуют и полируют поверхность зеркала до нужной формы.

Аризонская Лаборатория Ричарда Ф. Кариса Mirror Lab отлила зеркала для многих крупнейших телескопов мира, включая 6,5-метровую обсерваторию MMT и двух 8,4-метровых монстров Большого бинокулярного телескопа, оба в Аризоне.

Кран поднимает один сегмент зеркала с пола печи в зеркальной лаборатории Ричарда Ф. Кариса.

Второй метод проектирования, разработанный в 1977 году покойным астрономом Джерри Нельсоном из Калифорнийского университета в Санта-Крусе, объединяет множество гексагональных зеркальных сегментов в единую структуру. Хотя сами сегменты не являются огромными, объединение их вместе может привести к телескопу мирового класса. Оба 10-метровых телескопа Кека на Гавайях Мауна-Кеа имеют 36 сегментов, каждый около 6 футов в поперечнике и весом 880 фунтов. 10,4-метровый Gran Telescopio Canarias на Ла-Пальме на Канарских островах имеет такое же количество шестиугольных сегментов, как и несколько меньшие Кеки.

Сверхбыстрая съемка неба

Итак, каковы же будут эти новые инструменты на самом деле и что они будут делать? Из четырех телескопов нового поколения, готовящихся произвести революцию в астрономии, большой синоптический обзорный телескоп (LSST) должен быть первым, кто приземлится на сцене. Что отличает LSST от других, так это не его размер — его 8,4-метровое основное зеркало удобно поместилось бы в нескольких современных обсерваториях на горных вершинах, — а его способность быстро изображать широкие полосы неба.

Расположенный на вершине Серро-Пачон в северо-центральной части Чили, LSST должен занять всего 15 секунд, чтобы получить четкие изображения, охватывающие 9,6 квадратных градуса неба, что эквивалентно площади более чем 40 полных Лун и почти в 5000 раз превышает поле зрения Широкополевой камеры Хаббла — 3.

Большой синоптический обзорный телескоп будет снимать фотографии, охватывающие все ночное небо, начиная всего с нескольких лет. Этот рисунок художника показывает внешний вид относительно скромного инструмента, 8 метров в поперечнике, на его чилийской горной вершине.

"LSST получит общую картину в пространстве-времени, принимая более 800 изображений [каждую ночь] каждого видимого участка неба в шести цветовых фильтрах”, - говорит главный научный сотрудник LSST Тони Тайсон из Калифорнийского университета в Дэвисе. - Это будет цифровой цветной фильм о Вселенной, исследующий природу по-новому.”

Не менее важным для успеха LSST является его 3,2-гигапиксельная камера визуализации. Самая большая цифровая камера в мире-это не та, которую вы хотели бы тащить с собой в свой следующий отпуск: она имеет размеры 5,5 на 9,8 фута и весит около 6200 фунтов. С его помощью LSST будет принимать два последовательных 15-секундных изображения одного участка неба, а затем быстро сравнивать их, чтобы отклонить любое случайное излучение, попадающее в детекторы. (Это похоже на съемку нескольких фотографий знаменитого здания, чтобы в цифровом виде удалить туристов. Затем прицел переключается на следующую область неба — движение, которое занимает в среднем всего 10 секунд, — и повторяет процесс. Такая скорострельная съемка означает, что LSST может охватывать все небо, видимое из Серро-Пачона каждые три дня.

Большой синоптический обзорный телескоп будет снимать фотографии, охватывающие все ночное небо, начиная всего с нескольких лет. Этот рендеринг художника показывает интерьер инструмента.

Тодд Мейсон, Мейсон Продакшнс Инк./ LSST Corporation

Компьютерная программа сначала обработает изображения в течение 60 секунд, ища все, что изменило яркость или положение по сравнению с предыдущими изображениями той же области. Когда он что-то найдет, он сразу же отправит предупреждение исследователям для быстрого последующего наблюдения. Астрономы ожидают, что LSST доставит до 10 миллионов предупреждений за ночь — в среднем 278 в секунду во время типичного 10-часового сеанса наблюдений.

Это будет благом для ученых, изучающих преходящие события, такие как звездные взрывы, которые производят новые и сверхновые звезды. Усилия LSST должны также разработать детальную перепись малых объектов Солнечной системы, обнаружив от 10 до 100 раз больше околоземных объектов и удаленных объектов Пояса Койпера за орбитой Нептуна.

Зеркало LSST, отлитое в лаборатории Caris Mirror Lab начиная с марта 2008 года, добралось до вершины горы 11 мая 2019 года. Астрономы ожидают, что он выйдет в сеть в 2021 году, а полноценные научные операции по его запланированному 10-летнему исследованию начнутся в 2022 году после того, как он будет полностью откалиброван.

В семь раз больше очарования

Если одно огромное зеркало может дать так много науки, почему бы не попробовать семь? Именно эта идея лежит в основе GMT, строящегося в Обсерватории Лас Кампанас в Чили. GMT состоит из семи 8,4-метровых зеркал в единой структуре, расположенных в виде ромашки с одним центральным зеркалом, окруженным шестью "лепестками"."Лаборатория Caris Mirror была занята работой над этим проектом, и только что завершила второе зеркало в июле; следующие три были отлиты и находятся на различных стадиях шлифовки, полировки или тестирования. В Лас-Кампанасе прошлой весной команда из 40 человек закончила раскопки фундамента телескопа.

Уже начато строительство гигантского телескопа "Магеллан" в Обсерватории Лас-Кампанас в Чили, которое должно быть завершено примерно через 10 лет.

Гигантский Магелланов телескоп-GMTO Corporation

“Мы можем работать с четырьмя зеркалами, - говорит Маккарти. - Это все еще делает его самым большим телескопом в мире.- GMT должен достичь этой вехи в 2026 году, а все семь должны быть установлены к 2028 году. В совокупности зеркала дадут прибору эффективную апертуру 24,5 метра, что примерно в 10 раз больше, чем у Хаббла, поэтому он должен достичь разрешения в 10 раз лучшего, чем орбитальная обсерватория. А его расположение примерно на высоте 8248 футов над уровнем моря в засушливой пустыне Атакама обеспечит ему великолепные виды как в видимом свете, так и в ближнем инфракрасном спектре. Но он будет не единственным с этими новыми и улучшенными видами.

Заклятие на твоем прицеле

Два других гигантских телескопа следующего десятилетия пошли другим путем. И чрезвычайно большой телескоп (ELT), и тридцатиметровый телескоп (TMT) будут состоять из сотен шестиугольных сегментов, соединенных вместе для создания зон сбора мамонтов.

Европейский ELT может похвастаться 798 сегментами в своем первичном зеркале-каждый из которых измеряет 55 дюймов в поперечнике-что дает первичному зеркалу телескопа апертуру 39 метров. Немецкая оптическая компания Schott выпустила первый из этих сегментов в начале 2018 года и с тех пор выпускает их. Открытие мамонтового телескопа состоялось в июне 2014 года на Серро-Армасонес, 9993-футовой горе в Чили. Если все пойдет по плану, то ELT должен увидеть первый свет в 2025 году, примерно в то же время, что и GMT.

Чрезвычайно большой телескоп, показанный с использованием лазеров, чтобы помочь программе визуализации исправить искажения в атмосфере.

Как следует из названия, 492 сегмента ТМТ дадут первичному зеркалу телескопа апертуру в 30 метров. Японские партнеры проекта производят грубые зеркала, которые примерно такого же размера, как и ELT, в то время как группы В Японии, Китае, Индии и Соединенных Штатах будут полировать, вырезать и монтировать их. TMT присоединится к своим кузенам Кека на вершине Мауна-Кеа на высоте 13 287 футов. Сайт дает TMT доступ ко всему Северному небу, чего никто из трех других не может получить со своих сайтов в Чили. Он также является самым высоким из больших новых телескопов, помещая его выше большей части земной атмосферы.

Но сайт также имеет серьезный недостаток. Мауна-Кеа является священным местом для коренных гавайцев, и строительство телескопа вызвало различные протесты. Было неясно, будет ли когда-нибудь построена новая обсерватория, но Верховный суд Гавайев постановил в октябре 2018 года, что строительство может продолжаться.

Корпус ТМТ — в котором разместится сам прицел и связанная с ним электроника, уже готов и ожидает отправки на остров из Канады. С юридическими проблемами, предположительно решенными, ученые смотрят на первый свет в 2026 году.

Наука на лодке с грузом

С их беспрецедентной светосборной мощностью и разрешением GMT, ELT и TMT обещают астрономам лучшие виды слабых объектов и переполненных областей. Ученые ожидают, что эти чудовища прольют свет на целый ряд досадных проблем. Рядом с домом приоритетной задачей будет поиск похожих на Землю планет на околоземных орбитах вокруг ближайших звезд. Еще более захватывающей будет новая способность исследовать эти миры. "Большинство этих экзопланет находятся слишком близко к своим родительским звездам, чтобы изучать их сегодня”, - говорит Маккарти. Но с помощью GMT и других больших телескопов “мы отделим свет сотен планет от их звезд-хозяев. Мы сможем отслеживать погоду по цветовым изменениям и изучать химию планетарных атмосфер.”

Тридцатиметровый телескоп позволит астрономам лучше и ближе рассмотреть вселенную.

Международная обсерватория ТМТ

Рождение и смерть звезд также должны быть плодородными полями для изучения. Спектры с высоким разрешением помогут исследователям понять, почему звезды приходят в таком широком диапазоне масс, и исследовать глубже, чем когда-либо, несостоявшиеся звезды с меньшей массой, известные как коричневые карлики. На противоположном конце жизни звезды эти чудовищные инструменты будут искать сверхновые в самых отдаленных уголках Вселенной и изучать более близкие из них в необычайных деталях, рассматривая космическую алхимию, происходящую в этих взрывающихся звездах. Высокое разрешение телескопа также позволит астрономам изучать переполненные центральные области галактики Млечный Путь и звездные скопления, такие как R136 в Большом Магеллановом Облаке.

Эти гигантские телескопы должны также ответить на еще более серьезные вопросы об основной структуре Вселенной. С помощью этих широкоапертурных телескопов и инфракрасных возможностей Маккарти говорит: "мы [сможем] оглянуться назад на раннюю Вселенную, на галактики возрастом всего от 100 до 500 миллионов лет."Это будет жизненно важным первым звеном для обеспечения широкого представления о том, как галактики эволюционируют с течением времени, и их связи со сверхмассивными черными дырами в их центрах. Телескопы должны даже пролить свет на то, как Млечный Путь вырос, поглотив ближайших спутников карликов, и потенциально решить загадку того, что появилось первым: галактики или их черные дыры.

На самом большом этапе космос все еще ставит ученых в тупик, ища объяснения темной материи, которая удерживает галактики вместе, и темной энергии, которая заставляет расширение Вселенной ускоряться. Эти новые телескопы предоставят жизненно важные новые данные, которые помогут решить эти загадки, и могут помочь устранить несоответствие между различными способами измерения скорости расширения Вселенной.

В большинстве этих начинаний большие новые телескопы будут работать вместе с орбитальным 6,5-метровым космическим телескопом Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 2021 год. Если повезет, то в ближайшие 10-15 лет мы сможем узнать гораздо больше о хитросплетениях нашего космоса. Но, как показали телескопы Хукера и Хейла, у нас также может появиться новая партия загадок, которые мы попытаемся разгадать.

Похожие материалы:

Так же рекомендуем посмотреть:

Генная терапия доходит до клинических испытаний


Все, что вам нужно знать о смертельных вспышках листерии


Неужели мы одни во Вселенной? Скорее всего, нет.

Категория: Космос / Планеты / Технологии | Просмотров: 87 | Добавил: admin | Теги: Галактика, астроном, земная атмосфера, ночное небо, яркая эталонная звезда, атмосфера Земли, космический телескоп, телескоп, гигантский телескоп, млечный путь, звезда, Четыре новых гигантских телескопа в, синоптический обзорный телескоп | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar