Астро-MaNGaL для галактик и туманностей
Можно подумать, что горизонт завален, но он не завален
Скоро весна, и все поедут на природу жарить шашлыки на мангалах. И у астрономов тоже есть свой особенный MaNGaL. На самом деле у нас в лабе живет множество приборов для телескопов, которые были созданы руками тех, кто в бесконечно увлечен этим делом. Редукторы светосилы SCORPIO-1, 2, про которые я уже рассказывала, MaNGaL — фотометр с перестраиваемым фильтром для 1-м телескопа Цейсс САО РАН и 2.5-м телескопа ГАИШ МГУ, STOP — фотометр-поляриметр и внегалактический внук SCORPIO под кодовым именем «МАГИЯ» для 1-м телескопа САО РАН. Еще живет несколько приборов, которые ожидают своей реконструкции, и про них мы пока разговаривать не будем. А сколько приборов живет в виде идей вообще сосчитать нельзя.
Приборы живут в лаборатории, которая находится на Нижней научной площадке САО РАН, поэтому каждые наблюдения начинаются с путешествия. И если со SCORPIO нам нужно проехать всего лишь 16 км по горе вверх, то MaNGaL чаще всего путешествует под Кисловодск.
Из САО в КГО
На самом деле все кадры для этой статьи я должна была снимать лично, но карантины помешали получить разрешение на въезд в Кавказскую Горную Обсерваторию ГАИШ МГУ. Правда, надежды я не теряю, потому что там царит настоящая астрономическая утопия, когда бюрократия не мешает (ну или мешает в меньшей степени) астрономам работать на телескопе, а также писать для него софт, останавливать на модернизацию и получать великолепные научные результаты. Да и про сам телескоп там есть чего рассказать.
Монтировка телескопа была собрана в Китае, поэтому начальная операционка компов управления была на китайском, а сейчас все переделали и стоит такая красота, на которую очень хочется взглянуть своими глазами.
Кавказская Горная Обсерватория (КГО) принадлежит ГАИШ МГУ. Располагается в урочище Шатджатмаз в 30 км от г. Кисловодск, Карачаево-Черкесской Республики (меня особенно радует, что на сайте ГАИШ в скобках после местоположения было написано — Российская Федерация, потому что бывают вопросы). Рядом же находится Солнечная станция Пулковской обсерватории, место для которой выбирали еще середине 20 века для наблюдений солнечной короны. Солнечную корону наблюдают до сих пор, а еще привозят на практику студентов с астрономического отделения мех-мата СПбГУ (кажется, СПбГУ единственный вуз, в котором астрономы до сих пор учатся на мех-мате). А в КГО теперь привозят студентов из ГАИШ МГУ.
Кавказская Горная Обсерватория очень молода, ее строительство начали в 2009-ом.
Если бы не было гор, то дорога от САО до КГО по прямой составляла бы всего 100 км, но, природу не обманешь, и ехать приходится около 180. Существуют два варианта дороги: через село Красный Восток и через перевал Гум-Баши. И если вы когда-нибудь решите проехать как астрономический прибор из САО в КГО, то я советую оба варианта. Перевозить прибор, как и всегда, нужно бережно и с любовью, и обычная легковушка с этим справляется (кто знает, что везет машина рядом, возможно, это будущий нобелевский результат).
Наш MaNGaL предназначен для самого большого телескопа в КГО — это 2,5-метровый оптический телескоп-рефлектор (это самый дальний купол на фото). Кроме него в обсерватории еще работают телескопы системы МАСТЕР (это такие работы-телескопы, которые стоят практически по всему миру). На фото же попали еще два купола с телескопами: купол на первом плане — это новый 60-см телескоп австрийской фирмы ASA Astrosysteme, который управляется удаленно из Москвы и уже успел составить список из открытых на нем новых переменных звезд. Средний купол пока арендуется любителем астрономии с небольшим телескопчиком.
Что же такое MaNGaL?
Гордое имя MaNGaL расшифровывается как Mapper of Narrow Galaxy Lines (картировщик узких галактических линий, если по-нашему). Коллегам, которые не говорят по-русски всегда приходится давать отсылку «Mangal is equipment for Caucassian and Middle-East barbeque». И если не заглядывать внутрь, то действительно похож:
MaNGaL мимикрирует под мангал, лежа на деревянном ящике, что на платформе в фокусе Несмита 2,5-м телескопа
Так чем же нам так интересны эти узкие линии? Изображения в оптических эмиссионных линиях дают нам информацию, которая позволяет изучать физическое состояние ионизованного газа в галактических и внегалактических туманностях, оценивать темп звездообразования в галактиках и т.д. Обычно такие изображения получают в узкополосных фильтрах, максимум пропускания которых центрирован на требуемую эмиссионную линию и на континуум рядом. Для того чтобы снимать много разных туманностей, нужно иметь целый набор фильтров, потому что разные объекты движутся с разной лучевой скоростью относительно наблюдателя. Лучевой скоростью в астрономии называют проекцию скорости звезды небесного объекта в пространстве на направление от объекта к наблюдателю, то есть на луч зрения.
При этом некоторые интересные линии находятся очень близко друг к другу. Примеры таких линий — это Нα и дублет ионизованного азота [NII] λλ6548,6583 (квадратные скобки означают, что линия запрещенная), дублет серы [SII] λλ6717,6731). Чтобы изучить состояние ионизованного газа в туманностях важно разделять их, поскольку для разных линий требуются разные условия возбуждения. Для разделения таких линий требуется фильтр с шириной полосы менее 2 нм, точно выставленный на лучевую скорость данной туманности. Этот идеал редко достижим, поскольку узкополосные фильтры сложны в изготовлении и дороги, их пропускание часто не очень велико (90% пропускания для ширины пропускания фильтра в 5 нм — это сложно), а длина волны в максимуме пропускания зависит от температуры. Кроме того, для точного вычитания континуума желательно бы снять его с двух сторон от линии.
Если традиционные способы не работают или работают не очень, то нужно искать альтернативные. В качестве одного из решений можно применять сканирующий интерферометр Фабри-Перо (ИФП), работающий в режиме перестраиваемого фильтра (т.е. мы настраиваем ИФП на те длины волн, которые нам нужны для конкретного объекта). Принцип работы такого прибора для случая изучения эмиссионных линий в галактике на фоне непрерывного континуума показан на рисунке ниже.
Принцип работы перестраиваемого фильтра. Черным схематично изображен спектр галактики с яркими линиями На и [NII]. Оранжевым показаны профили пропускания интерферометра Фабри-Перо, настроенного для наблюдения в двух эмиссионных линиях и в континууме. Синим цветом показана кривая пропускания среднеполосного фильтра, выделяющая только один пик пропускания интерферометра.
Если порядок интерференции достаточно мал, то легко добиться ширины аппаратного контура 2–3 нм. При этом расстояние между соседними порядками интерференции в требуемом диапазоне достаточно велико, так что остальные пики пропускания ИФП легко отсекаются среднеполосным светофильтром (ширина полосы 150–300 нм).
А то внутри?
MaNGaL, как и положено мангалу, сделан из металлического ящика снаружи, но пришло время заглянуть внутрь. Посмотрим на рисунок и пойдем по нему слева направо. Про калибровочную лампу я уже рассказывала, когда говорила о SCORPIO и с тех пор в ее конструкции ничего не изменилось. Зеркало переброса перебрасывает свет от калибровочной лампы на оптику прибора, если ввести его в рабочий пучок. Далее идет сам интерферометр, турель с фильтрами, которые отсекают лишние порядки интерференции. Линза поля, которая корректирует кривизну поля. Компьютеры и блоки управления здесь понятны и без моих 5 копеек, ну, а ПЗС расшифровывается как «прибор с зарядовой связью», она же CCD, она же матрица, она же приемник.
Для снижения уровня шумов мы охлаждаем матрицу. Если на SCORPIO мы заливали азот, то на MaNGaL«е охлаждение работает на спирто-водяной смеси. Охлаждает знатно — до -100 градусов и обеспечивает шум считывания сравнимый с матрицей SCORPIO — до 2.5e-.
Управлением всего прибора занимается контроллер Atmel Attiny2313. Наблюдатель управляет прибором из оболочки, которая написана на языке IDL. Интересно, много ли хабро-жителей знают об этом языке? Я вот, например, впервые о нем услышала, когда пришла работать в лабу.
Так выглядит оболочка управления MaNGaL«ом и NGC 1275, линзообразная галактика с активным ядром в созвездии Персей кого я обманываю, это же доказательства существования Летающего Макаронного Монстра
Соединим MaNGaL с космосом
Для того, чтобы установить MaNGaL на телескоп его, как и SCORPIO, нужно сначала поднять. Конечно, высота ниже, чем на БТА, но без кран-балки все равно не обойтись.
Устанавливать MaNGaL будем в фокус Несмита. Такая система предполагает внутри трубы телескопа между главным и вторичным зеркалами наличие диагонального зеркала для отбрасывания изображения вбок. А это значит, что прибор будет находиться на одной из колонн телескопа, сбоку от трубы телескопа.
Мозаика панорамы 2,5-метрового телескопа. По деревянному столу можно определить колонну телескопа, на которой находится MaNGaL.
MaNGaL состыкован с космосом
А так прибор выглядит в связке с телескопом. На переднем плане крупным планом видна камера Andor iKON-M 934 со шлангами жидкостного охлаждения, подключенными к промышленному чиллеру внизу.
Комната наблюдателей 2,5-метрового телескопа в КГО
И зачем нам все это?
Ну и напоследок нужно показать, что же мы все-таки делаем на этом приборе. Но сначала, стоит отметить важное преимущество наблюдений с перестраиваемым фильтром сравнительно с тем, если бы мы снимали прямые изображения в среднеполосных фильтрах — это более аккуратное вычитание континнума. Это особенно важно при изучении межзвездной среды галактик, где вклад звездного населения в континуум может быть существенным.
Первый свет MaNGaL увидел не на телескопе КГО, а намного ближе к нам, на 1-метровом телескопе Цейсс САО РАН в сентябре 2017 года. Тогда в его поле зрения попала туманность Гантель в созвездии Лисички. Это планетарная туманность, которая является сброшенной газовой оболочкой звезды, находящейся на последних стадиях эволюции.
Изображения планетарной туманности NGC 6853 в случае, когда пик пропускания ИФП центрирован на эмиссионные линии и континуум, а также цветное композитное изображение туманности в линиях [OIII], Hα и [NII] после вычитания звездного континуума.
А на 2,5-метровый телескоп КГО на MaNGaL попал через 2 месяца, в ноябре 2017 года. В ходе этого сета было снято несколько объектов (остальные объекты, полученные в ходе первого сета на 2,5-метровом телескопе КГО можно посмотреть здесь), а я покажу вам только один из них. Это галактика NGC 1569 — карликовая галактика с галактическим ветром. Звездобразование ней настолько эффективное, что оно выдувает газовый пузырь из галактического диска.
Изображения карликовой галактики NGC 1569 в линии Hα и композитное изображение в линиях Hα и [NII] с континуумом.
И напоследок порадую результатами, которые были получены совсем недавно — в ноябре прошлого года на 2.5-м телескопе КГО с MaNGaL«ом. Здесь мы обнаружили конус ионизации от активного ядра в системе сливающихся галактик на красном смещении z=0.05. Газовые облака, подсвеченные центральным «ионизующим прожектором» тянутся на 15–18 килопарсек — это в два раза дальше, чем от Солнца до центра Млечного Пути:
На изображении показано переключение между двумя каналами — на линию ионизованого кислорода [OIII] и континуум.
Благодарности и ссылки
В заключении напомню, что прибор MaNGaL был создан в нашей лаборатории спектроскопии и фотометрии внегалактических объектов и изготовлен в макетных мастерских САО РАН в рамках выполнения проекта российского научного фонда РНФ 17–12–01335 «Ионизованный газ в галактических дисках и за пределами оптического радиуса» (руководитель проекта — А.В. Моисеев).
Кстати, у Алексея Валерьевича прекрасный блог о том, что происходит астрономии. А я надеюсь, что прошлый нелегкий год закончился и теперь у меня будет время писать сюда о новых приборах. Правда, в этом году в планах защита диссертации :)
Ну, а если вам захотелось почитать о MaNGaL’е немного подробнее, то вот ссылка на публикацию в журнале Experimental Astronomy за прошлый 2020 год ADS: 2020ExA…50…199M.
Еще у нас есть небольшая страничка, посвященная MaNGaL’у, где тоже можно найти больше информации (правда, исключительно на английском).
