Телескопы ближайшего будущего — что день грядущий нам готовит?14.10.2015 18:51

Последний «рекордсмен» среди оптических телескопов заработал в 2008 году, правда крупнейшая радиоастрономическая обсерватория ALMA или Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решётка) вступила в строй совсем недавно — в марте 2013 года. Но мы сейчас находимся на пороге множества новых открытий — в ближайшие десять лет планируется ввести в строй множество новых, крупнейших в своих областях телескопов. Об этих телескопах я и расскажу далее.

Слева направо — Квадратная километровая решётка, Телескоп с пятисот метровой апертурой, Чрезвычайно большой телескоп, Тридцатиметровый телескоп, Гигансткий Магелланов телескоп и космический телескоп «Джеймс Уэбб».
Оптические телескопы

Ближайшим телескопом, превосходящим возможности современных инструментов станет «Джеймс Уэбб» или JWST (James Webb Space Telescope), который планируется запустить в октябре 2018 года:

Он будет иметь диаметр главного зеркала 6,5 метра и превосходить телескоп «Хаббл» по этому параметру в 2,7 раза. Правда хоть он и предполагается, как замена «Хаббла» — он будет использовать будет работать в инфракрасном диапазоне, и по этому его скорее стоит сравнивать с космическим телескопом «Гершель», относительно которого, разница не столь велика — примерно 1,9 раза. Приёмники инфракрасного излучения позволяют ему фиксировать экзопланеты с температурой, близкую к Земной. Он так же сможет значительно продвинуться в изучении очень далеких от нас объектов:

Для обеспечения хороших условий наблюдений телескоп будет отправлен в точку Лагранжа L2, а для дополнительного охлаждения будет использоваться пять последовательно расположенных экранов из полиамидной плёнки, покрытых с разных сторон алюминием и кремнием, которые будут очень хорошо рассеивать доходящие до телескопа свет и тепло Солнца. Эти пассивные средства позволят добиться температуры главного зеркала и аппаратуры телескопа ниже 50 К, а часть из датчиков будут так же охлаждаться дополнительно.

Применение одного цельного зеркала, как для «Хаббла» для данного телескопа оказалось невозможным — оно было бы слишком тяжёлым (а носителем для нового телескопа должен стать Ариан-5, который имеет в два раза меньшую полезную нагрузку, нежели Шаттл выводивший «Хаббл») и зеркало такого диаметра просто «не влезало» бы в обтекатель этого ракетоносителя, поэтому зеркало имеет складную конструкцию — две части главного зеркала по три сегмента будут вставать на своё место уже в процессе полёта телескопа в точку своего базирования (видео-обзор на этот и другие телескопы находятся в конце статьи).

За основу главного зеркала были взяты бериллиевые шестигранники диаметром около 1,5 метров, покрытые золотым напылением толщиной 120 нм, для лучшего отражения инфракрасного света. Всего телескоп состоит из 18 зеркал весом около 20 кг каждое. Благодаря всем ухищрениям вес удалось снизить до 6,5 тонн — против 11 тонн у «Хаббла». Однако все эти проблемы сделали своё чёрное дело — и стоимость проекта выросла до астрономических 8,8 млрд $, и по этому показателю он занимает четвёртое место среди всех научных проектов, после международной космической станции, ITER и большого адронного коллайдера.

Гигантский Магелланов телескоп (GMT) с диаметром 25,4 м, является лишь третьим по размерам из строящихся оптических, и будет состоять из семи сегментов по 8,4 м диаметром каждое:

Точности изготовления зеркал для всех трёх телескопов — просто потрясающие, ведь неровности поверхности не должны превышать 1/10 от длинны волны (а это для видимого света — 380-780 нм), то есть метровых размеров зеркала необходимо изготавливать с отклонениями от идеальной поверхности 40 нм, и даже менее. Телескоп располагаться в обсерватории Лас-Кампанас в Чили, довольно далеко от старых Магеллановых телескопов (целых 115 км). На данный момент готовы уже четыре зеркала, однако различные проблемы привели к тому, что закончить его планируется только к 2025 году (эта дата «съехала» с планируемой — уже на пять лет). Подобные проблемы преследуют и двух других великанов — их даты окончания строительства также серьёзно сдвигались.

Следующий крупный телескоп, который планируется построить — TMT (тридцатиметровый телескоп):

Он будет строиться на горе Мауна Кеа на Гавайях, эта гора уже буквально «кишит» телескопами:

Главными из которых сейчас бесспорно являются 10-метровые телескопы Кек 1 и Кек 2, которые обычно и ассоциируют с обсерваторией:

Главное зеркало нового телескопа будет состоять из 492 1,4-метровых шестиугольных сегментов, как и в телескопах Кека тут будет использоваться адаптивная оптика*, управляющая каждым зеркалом отдельно. Высота расположения даёт ему значительные преимущества: для наблюдений будет использоваться видимый свет, ближний ультрафиолет, ближний и средний инфракрасный диапазон. Планируемая дата окончания строительства — 2024 год.

Самым крупным оптическим телескопом на ближайшее будущее станет E-ELT (чрезвычайно большой телескоп) с диаметром главного зеркала 39,3 м состоящим из 798 сегментов(этот размер уже был сокращён с изначальных 45 м, а ещё раньше в пользу этого проекта отказались от проекта 100-метрового телескопа, который посчитали слишком дорогим). Размер вторичного зеркала этого гиганта — 4,1 м, или почти в два раза больше, чем основное зеркало «Хаббла». На телескоп будет установлена самая совершенная система адаптивной оптики — она состоит из 6 сенсоров, 3 электромоторов для перемещения сегмента зеркала и 12 электромоторов — для его деформации, всё это необходимо для сохранения изгибов поверхности (допустимые отклонения от идеальной формы не более 30 нм) и для парирования возмущений атмосферы — для этого считывание данных с датчиков будет проводиться 1000 раз в секунду. В итоге это позволит получить разрешающую способность почти в пять раз лучше, чем без этой системы. Общий вес конструкции телескопа — 2 800 тонн.

Здесь можно различить фигуры людей, и шестигранные сегменты зеркала (их размеры составляют 1,4 м)

Он будет строиться на горе Армасонес в Чили, рядом с VLT (очень большой телескоп). Выбор места обусловлен атмосферными условиями в данной местности — эта гора расположены в пустыми Атакама, и воздух в этих местах очень сухой, что позволяет кроме оптических инструментов применять также рассчитанные на ближний инфракрасный свет — ведь их поглощение в Земной атмосфере обусловлены в основном водяными парами, и углекислым газом. Его также планируется ввести в строй в 2024 году.

Все три телескопа имеют значительные преимущество по разрешению относительно существующих телескопов:

Любовь учёных к «эффектным» названиям своих телескопов привела к появлению шуточного плана, по строительству телескопов:

Радиотелескопы

Телескоп FAST (телескоп с пятисот метровой апертурой) — откроется уже в сентябре 2016 года, и станет крупнейшим телескопом использующим одну апертуру (то есть «одну тарелку» грубо говоря), из когда-либо созданных. Он будет состоять из 4600 отдельных треугольных панелей значительно превысит телескоп в Аресибо диаметром 305 м (людям не знакомым с астрономией этот телескоп может быть известен по фильму «Золотой глаз» из «бондианы»). FAST будет использовать тот же принцип — когда отражающая поверхность (рефлектор) остаётся на месте, а облучатель двигается для наведения на определённую точку в небе. Можно отметить, что благодаря использованию природного рельефа (как и в случае с предыдущем рекордсменом) его строительство будет не столь дорогим — 196 млн $, это меньше стоимости уже существующих оптических телескопов, и значительно уступает — строящимся.

Последний из представленных здесь астрономическим инструментов является SKA (квадратная километровая решётка). Общая площадь этого радиоинтерферометра (сети из нескольких радиотелескопов, разнесённых на местности) как ясно из названия, будет составлять целый квадратный километр. Его части должны быть построены в Австралии, Аргентине, Чили и Южной Африке, при этом штаб-квартира телескопа будет находиться в Астрофизическом центре Джодрелл Бэнк рядом с Манчестером, Англия. Он будет состоять из сети в 90 штук 100-метровых, несколько тысяч радиотелескопов 15 × 12 метров и сети 12-15 метровых параболических антенн.

Телескоп будет производить 160 терабайт необработанных данных в секунду. Его постройка, разбитая на две фазы, должна будет проходить в течении целых 12 лет — с 2018 по 2030, однако использовать его можно будет уже начиная с 2020 года (не в полную мощность, конечно). Общая стоимость проекта — 2 млрд $, из которых 650 $ млн уже выделено. База радиотелескопа будет составлять 5 000 километров, что позволит ему на максимальной частоте в 14 ГГц получить разрешение в 1 угловую микросекунду. Он сможет «увидеть» процессы флуктуации плотности в ранней Вселенной и формирования первых галактик, тестирование космологических моделей и моделей тёмной энергии.

С грустью надо отметить, что Россия не участвует не в одном из этих проектов, нам предлагали поучаствовать в проекте E-ELT — но не срослось.

*Атмосфера Земли помогает нам от высокоэнергетических частиц, приходящих из космоса и от излучения Солнца, но сильно мешает астрономам — толщина земной атмосферы примерно соответствует толще воды в 10 метров — не очень то удобно глядеть на объекты находящиеся в миллиардах световых лет от тебя, сквозь такой слой вещества, который ещё и постоянно перемещается ветрами. Поэтому с 90-х годов на уже существующих, и строящихся телескопах стали применять адаптивную оптику — принцип её работы заключается в следующем:

Фотография двух телескопов обсерватории Кека работающими в режиме интерферометра

лазерный луч специальной частоты направляется в ту область, в которую смотрит телескоп, этот луч достигает высоты в 90 км, где ионизирует атомы натрия, которые начинают светиться «как маленькая звезда». За этим свечением наблюдает прибор, который выдаёт команды электродвигателям на перемещения частей зеркала так, чтобы скомпенсировать турбулентность воздуха. Конструкция получается невероятно сложной (у телескопов обсерватории Кека по 38 сегментов зеркал, и каждый — управляется отдельно) но результат поражает работы этой системы поражает:

Система телескопа E-ELT будет ещё сложнее, и будет состоять из четырёх лучей:

**Здесь указывается максимально возможное разрешение (у телескопа «Хаббл» для сравнения — оно составляет 120 миллисекунд), на самом деле оно также зависит от частоты по формуле:

где θ — угловое разрешение, λ — длина волны и D — диаметр телескопа, так что разрешение в ультрафиолетовом спектре для телескопа примерно на порядок выше, чем в инфракрасном. С учётом углового диаметра Бетельгейзе в 55 угловых миллисекунд, телескоп E-ELT сможет получить её фотографию 11 × 11 пикселей, для Беты Живописца — это будет фотография 10 × 10. Но с учётом гигантских дистанций до звёзд (расстояние до Бетельгейзе оценивается в 643±146 световых лет) — это огромное достижение для астрономии. В перспективе это позволит проводить спектроскопию атмосфер звёзд, близко расположенных к своим звёздам планет (это можно делать и сейчас — но сигнал приходится «вычленять» из света звезды — что сильно ограничивает точность измерений). Так же увеличение углового разрешения позволяет видеть отдельные звёзды с больших дистанций — это важно при исследованиях тел на дистанциях в млрд световых лет. Основными целями этих оптических телескопов и будет как раз наблюдения за тем, что сейчас просто не видно (из-за слабого света — далёкие звёзды, экзопалнеты), очень далеко находится (а следователь — и являются очень старыми объектами — вплоть до нескольких сот млн лет от большого взрыва), или слишком близко расположено друг к другу.

Видео обзоры данных телескопов:

Джеймс Уэбб

Гигансткий Магелланов телескоп

Тридцатиметровый телескоп

Чрезвычайно большой телескоп

Телескоп с пятисот метровой апертурой

Квадратная километровая решётка

© Geektimes