что видно в самый мощный телескоп в мире
Крупнейший в мире телескоп, наконец, сможет увидеть звёзды без дифракционных лучей
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:
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.
12 крупнейших телескопов в мире
Интерес человека к исследованию космоса приводит к разработке современных наземных телескопов, которые только усилились в конце 20-го века. Как вы, наверное, знаете, наземные телескопы имеют ограниченное применение, поскольку они могут наблюдать только небольшой участок электромагнитного спектра (оптический), и поэтому у нас есть космические телескопы.
Однако, в отличие от космических телескопов, наземные могут быть выполнены в огромных размерах. Например, главное зеркало крупнейшего космического телескопа (который в настоящее время находится в разработке), телескоп Джеймса Уэбба, составляет 6,5 метра, что составляет всего 60% от самых крупных работающих наземных телескопов.
Ниже мы составили список из 12 крупнейших телескопов в мире. Список включает в себя как действующие, так и планируемые телескопы, отсортированные по их эффективной апертуре (предел сбора света оптического прибора).
12. MMT
Диаметр: 6,5 м
Расположение: Маунт Хопкинс, Аризона, США
MMT (ранее Multi-Mirror Telescope) является частью обсерватории Фреда Лоуренса Уиппла, расположенной на горе Хопкинс, штат Аризона. Его первоначальное название, Multi-Mirror Telescope, было навеяно шестью небольшими зеркалами в виде сот, которые когда-то использовались для сбора света. Нынешнее моноблочное первичное зеркало было установлено в 1999 году.
Телескоп внес несколько принципиально новых изменений в области. Его система адаптивной оптики повлияла на революционный дизайн Большого Бинокулярного Телескопа. Помимо оптики, телескоп смог получить улучшенные результаты в инфракрасных исследованиях, удалив практически все возможные теплые поверхности со своего светового пути.
11. Обсерватория Джемини
Диаметр: 8,1 метра
Расположение: Мауна-Кеа, Гавайи и Серро-Пачон, Чили
Телескопы Джемини, принадлежащая и поддерживаемая пятью крупными исследовательскими организациями из разных стран, состоит из двух идентичных телескопов, которые расположены в двух разных местах. Оба телескопа могут работать в инфракрасном диапазоне с помощью технологии адаптивной оптики широкого поля.
Один из его инструментов, Gemini Planet Imager (GPI), в основном высококонтрастный спектрометр, позволяет телескопам получать изображения экзопланет, вращающихся вокруг чрезвычайно ярких звезд. GPI успешно обнаружил 51 Eridani b, который, как считается, в миллион раз слабее, чем его родитель 51 Eridani.
10. Very Large Telescope (Очень большой телескоп, сокр. ОБТ)
Диаметр: 8,2 метра
Расположение: пустыня Атакама, Чили
Очень Большой Телескоп (ОБТ для краткости), пожалуй, один из самых популярных телескопов в мире. ОБТ фактически состоит из четырех независимых телескопов, каждый из которых имеет одно основное 8,2-метровое зеркало. Их можно использовать отдельно или как единое целое для достижения более высокого углового разрешения.
Телескоп (ы) может работать как в визуальном, так и в инфракрасном диапазоне. Все четыре телескопа связаны с современными интерферометрическими приборами (VLTI), которые позволяют исследователям изучать яркие астрономические объекты, включая звезды и туманности, посредством интерферометрии.
После космического телескопа им. Хаббла, ОБТ, пожалуй, является наиболее продуктивным исследовательским центром (работающим на визуальной длине волны) с точки зрения общего количества рецензируемых статей, опубликованных до настоящего времени. В 2017 году более 600 опубликованных научных работ были основаны на данных, предоставленных ОБТ.
9. Subaru Telescope
Диаметр: 8,4 метра
Расположение: Мауна-Кеа, Гавайи, США
Телескоп Subaru, расположенный в знаменитой обсерватории Мауна-Кеа, эксплуатируется и контролируется Национальной астрономической обсерваторией Японии. Он назван в честь популярного открытого звездного скопления «Плеяды».
Это единственный телескоп зеркального типа, почти идентичный телескопам Близнецов, которые немного больше. Ряд современных технологий, включая мультиобъектную инфракрасную камеру и спектрограф (MOIRCS) и охлаждаемую среднюю инфракрасную камеру и спектрометр (COMICS), позволяют астрономам исследовать сразу несколько целей, включая прохладную межзвездную пыль.
Subaru Coronagraphic Extreme Adaptive Optics (SCExAO), продвинутая высококонтрастная система визуализации, способна снимать прямые изображения экзопланет.
8. Большой бинокулярный телескоп (англ. The Large Binocular Telescope)
Диаметр: 8,4 метра
Расположение: горы Пиналено, Аризона, США
Теоретически, это больше, чем у любого отдельного телескопа, работающего сегодня, но поскольку LBT собирает свет с гораздо более низким дифракционным пределом, его нельзя увидеть в том же отношении. Тем не менее в настоящее время это самый большой несегментированный телескоп в мире.
Довольно уникальный дизайн LBT в сочетании с адаптивной к свету оптикой позволяет снизить фазовые погрешности в атмосфере, имеет низкий тепловой фон, высокое угловое разрешение и высокую чувствительность для обнаружения слабых, удаленных объектов.
Еще в 2008 году LBT совместно с космическим телескопом успешно обнаружили отдаленный галактический кластер, обозначенный как 2XMM J083026 + 524133, расположенный на расстоянии около 6 миллиардов световых лет от Земли.
7. Большой южноафриканский телескоп
Диаметр: 9,2 метра
Расположение: Сазерленд, Южная Африка
Южноафриканский большой телескоп (SALT) на данный момент является крупнейшим оптическим телескопом в южном полушарии. Он имеет необычный зеркальный дизайн, который закреплен под углом 37° и основан на телескопе Хобби-Эберли (в обсерватории Макдональдс). Фиксированный зенитный угол позволяет телескопу получать доступ к большой части неба. Его основное зеркало состоит из 91 шестиугольных сегментов.
Его расположение позволяет исследователям проводить спектроскопический и поляриметрический анализ астрономических объектов, которые невозможно увидеть из северного полушария. В течение следующих нескольких лет SALT сосредоточится на далеких квазарах и слабых галактиках.
6. Кек 1 и 2
Диаметр: 10 метров
Расположение: Мауна Кеа, Гавайи, США
Знаменитый двойной телескоп обсерватории WM Keck, расположенный на Мауна-Кеа, является одним из самых совершенных телескопов в мире. Основные зеркала обоих телескопов имеют ширину 10 метров и состоят из 36 шестиугольных сегментов.
Они оснащены самыми современными инструментами, включая адаптивную оптику с лазерной направляющей звездой. Один из его инструментов, мультиобъектный спектрограф глубокой внегалактической визуализации (DEIMOS) может собирать свет от более чем 130 галактик за одну экспозицию.
Другой инструмент, ближняя инфракрасная камера (NIRC), настолько чувствителен, что технически может обнаружить крошечное пламя на поверхности Луны. Это позволяет телескопам Keck собирать данные из далеких галактик / протогалактик, квазаров, чтобы изучить их образование и эволюцию.
Диаметр: 10 метров.
Расположение: Дэвис Маунтин, Техас, США.
Расположенный в известной обсерватории Макдональд в Техасе, телескоп Хобби-Эберли (HET) в настоящее время является вторым по величине оптическим телескопом в мире с полезной оптической апертурой 10 метров (его фактический диаметр составляет 11 м). Как и большинство других больших телескопов, основное зеркало Хобби-Эберли состоит из множества маленьких шестиугольных сегментов, точнее 91.
Хобби-Эберли в основном используется для обнаружения / изучения далеких галактик и различных звездных объектов с помощью спектроскопии. За прошедшие годы телескоп смог обнаружить ряд Солнечных планет и успешно рассчитать скорость вращения нескольких галактик.
В отличие от многих телескопов, основное зеркало Хобби-Эберли зафиксировано под углом 55 ° (может вращаться вокруг своего основания). Это позволяет телескопу иметь доступ к 70-81% ночного неба.
Объект назван в честь бывшего лейтенанта-губернатора Техаса Билла Хобби и выдающегося выпускника Университета штата Пенсильвания Роберта Эберли.
4. Большой Канарский телескоп
Диаметр: 10,4 метра
Местонахождение: Ла Пальма, Канарские острова, Испания
Gran Telescopio Canarias (GranTeCan), возможно, является крупнейшим сегментированным телескопом с первичным зеркалом в настоящее время. Весь проект GranTeCan поддерживается университетами и институтами из более чем одной страны и возглавляется испанским институтом астрофизических исследований IAC.
На начальном этапе испытаний телескоп был запущен всего с 12 шестигранными сегментами, но был увеличен до 36 сегментов, полностью оснащенных адаптивной системой управления.
Он имеет три основных инструмента визуализации; MEGARA, мультиволновой спектрограф, CanariCam, продвинутый средне-инфракрасный сканер с поляриметрическими возможностями, и OSIRIS, интегрированная спектроскопия низкого разрешения. Телескоп был полностью введен в эксплуатацию в 2009 году и стоил около 130 миллионов евро.
Телескопы в настоящее время в стадии строительства
3. Гигантский Магелланов Телескоп
Диаметр: 24,5 м
Расположение: Валленар, Чили
Предполагаемое завершение: 2025
На данный момент строится около десятка чрезвычайно больших телескопов, и одним из них является гигантский телескоп Магеллана.
В конечном итоге он будет иметь семь одинаковых сегментов шириной 8,4 м, образующих основное зеркало, однако начнется с четырех. Эти сегменты будут расположены симметрично с одним в центре.
Ожидается, что телескоп достигнет разрешающей способности изображения примерно в десять раз больше, чем у космического телескопа Хаббла. Ожидается, что весь проект будет стоить около 1 миллиарда долларов.
2. Тридцатиметровый телескоп
Диаметр: 30 метров
Расположение: Мауна-Кеа, Гавайи
Предполагаемое завершение: 2027
Телескоп предназначен для работы в диапазоне длин волн от ближнего ультрафиолетового до среднего инфракрасного диапазона и будет оснащен системой многоконъюгатной адаптивной оптики, которая позволит исследователям наблюдать астрономические объекты без большинства атмосферных помех.
Проект осуществляется рядом международных частных и государственных исследовательских институтов, в том числе Caltech и Национальной астрономической обсерваторией Японии.
Местоположение проекта вызвало серьезные общественно-политические волнения на всей территории Гавайев. В настоящее время в Мауна-Кеа находится 13 различных обсерваторий, занимающих более 500 акров охраняемых земель (которые имеют культурное значение среди местных жителей).
1. Европейский чрезвычайно большой телескоп
Диаметр: 39,3 метра
Расположение: Серро Армазонес, Чили
Предполагаемое завершение: 2024
Если все пойдет по плану, к 2024 году Европейский экстремально большой телескоп (ELT) станет самым большим телескопом в мире. Он сможет собирать в 13 раз больше света, чем любой другой оптический телескоп, существующий сегодня, и полученные изображения будут в 16 раз острее, чем те, которые были захвачены космическим телескопом Хаббла.
Помимо гигантского 39-метрового основного зеркала (состоящего из 798 шестиугольных сегментов), телескоп будет использовать четыре дополнительных зеркала для улучшения качества изображения и адаптивной оптики. ELT будет искать отдаленные внесолнечные планеты, анализировать сверхмассивные черные дыры, самые ранние галактики во вселенной с большей глубиной и точностью.
Его продвинутый набор инструментов позволит астрономам обнаруживать органические молекулы и воду вблизи молодых звезд, что поможет им больше узнать об эволюции планет. Первая фаза телескопа, вероятно, будет стоить около 1 миллиарда евро.