Әлемдегі ең ірі оптикалық телескоп: Cerro Armazones обсерваториясы

Кіріспе

Чилидегі маңызды астрономиялық құрылыс
Обсерваторияның жалпы типі

Өте үлкен телескоп (ЭЛТ) – құрылысы жүріп жатқан астрономиялық обсерватория. Аяқталғаннан кейін ол әлемдегі ең ірі оптикалық/жақын инфрақызыл өте үлкен телескоп болады. Еуропалық Оңтүстік обсерваториясының (ESO) бөлігі болып табылатын бұл құрылыс Чилидің солтүстігіндегі Атакама шөліндегі Армазонес тауының үстінде орналасқан. Дизайн сегменттелген негізгі айнасы және диаметрі бар екінші айнасы бар шағылыстыратын телескоптан тұрады. Телескоп адаптивті оптикамен, алты лазерлік нұсқаушы жұлдыз құрылғыларымен және көптеген ірі ғылыми құралдармен жабдықталады. Жоба алғашқыда European Extremely Large Telescope (E ELT) деп аталды, бірақ 2017 жылы атауы қысқартылды. ЭЛТ астрофизикалық білімді дамытуға, басқа жұлдыздардың айналасындағы планеталарды, Ғаламдағы алғашқы галактикаларды, аса массивті қара тесіктерді және Ғаламның қара секторының мәнін егжей-тегжейлі зерттеуге, сондай-ақ басқа жұлдыздардың айналасындағы протопланеталық дискілерде су мен органикалық молекулаларды анықтауға бағытталған. 2012 жылдың 11 маусымында ESO кеңесі телескоп орнында азаматтық жұмыстарды бастау үшін ЭЛТ бағдарламасының жоспарларын бекітті, телескоптың құрылысы кейбір мүше мемлекеттердің үкіметтерімен соңғы келісімге қол жеткізілгенге дейін күтілуде.

Тарих

2010 жылдың 26 сәуірінде Еуропалық оңтүстік обсерваториясы (ESO) кеңесі жоспарланған ELT үшін базалық орын ретінде Чилидегі Cerro Armazones тауын таңдады. Алғашқы жобаларға диаметрі және ауданы шамамен 1 м² болатын сегменттелген негізгі айна, сондай-ақ диаметрі 1 м² болатын екінші айна кірді. Алайда, 2011 жылы жалпы көлемін 13%-ға дейін 978 м²-ға дейін азайту туралы ұсыныс енгізілді. Бұл жобаланған шығындарды 1,275 миллиардтан 1,055 миллиард еуроға дейін төмендетті және телескопты одан әрі жылдам аяқтауға мүмкіндік берді. Екінші айнаның кіші болуы – аса маңызды өзгеріс; ол бірнеше өндірушінің мүмкіндіктеріне сәйкес келеді, ал жеңіл айна блогы екінші айнаның тірегіш құрылымындағы жоғары беріктік материалдарды қолдану қажеттілігін жояды. 2011 жылдың маусым айында ESO кеңесі жаңартылған бастапқы жобаны мақұлдады және 2011 жылдың желтоқсанында құрылыс жобасын бекітуді күтті. Жобаға 2012 жылдың маусым айында алдын ала келісім берілді. 2014 жылы жұмысты бастау 2024 жылға жоспарланған, ал 2023 жылғы мәліметтер бойынша, алғашқы жарық 2028 жылға жоспарлануда. ELT зерттеу инфрақұрылымын жоспарлаудағы еуропалық іс-шаралардың, мысалы Astronet Science Vision және Infrastructure жол картасы мен ESFRI жол картасының басымдығы болып табылады. Телескоп 2014 жылы B кезеңіндегі зерттеуге ұшырады, ол "негізгі айна сегменттері, бейімделетін төртінші айна немесе механикалық құрылым сияқты негізгі элементтердің прототиптерін жобалау және өндіру үшін өнеркәсіппен жасалған келісімшарттар" және сегіз құралдың тұжырымдамалық зерттеулерін қамтыды.

Дизайн

ЭЛТ бес айнадан тұратын жаңа конструкцияны пайдаланады. Алғашқы үш айна қисық (сфералық емес) және 10 доғалық минуттық көру бұрышында (толық Ай енінің үштен бірі) жоғары сапалы кескінді қамтамасыз ету үшін үш айналы анастигмат конструкциясын құрайды. Төртінші және бесінші айналар (шамалы) жазық болып келеді, олар атмосфералық бұрмалауларға адаптивті оптикалық түзету (4-айна) және кескінді тұрақтандыру үшін ұштық бұрылыс түзетуін (5-айна) жүзеге асырады. Сондай-ақ, төртінші және бесінші айналар жарықты телескоп құрылымының екі жағында орналасқан екі Насмит фокустық стансасының біріне бағыттайды, бұл бірнеше ірі құралдарды бір уақытта орнатуға мүмкіндік береді.

Екінші айна

Екінші айнаны жасау үлкен қиындық тудырады, өйткені ол жоғары дөңгелек және асфералық болып табылады. Оның диаметрі 4,2 метр, салмағы 3,5 тонна, бұл оптикалық телескоптарда қолданылған ең үлкен екінші айна және ең үлкен дөңгелек айна. 2017 жылдың қаңтарында үшінші айна сияқты, екінші айна да 32 нүктеге орнатылады, оның 14-і жиегінде, ал 18-і артқы жағында. Барлық жиынтық гексаподқа орнатылады, оның орналасуын әрбір бірнеше минут сайын микрометрден де төмен дәлдікпен түзетуге мүмкіндік береді. Екінші айнадағы деформациялар үшінші, төртінші немесе бесінші айнадағы қателерге қарағанда соңғы бейнеге әлдеқайда аз әсер етеді. 2023 жылдың шілдесіне қарай үшінші айна құйылды және жылтыратылуда. Бұл айна жасалған ең үлкен бейімделетін айна болады және алты құралымдық жапырақшадан, басқару жүйелерінен және дауыс катушкасының инерциялық жетегінен тұрады. Жер атмосферасының турбуленттілігінен туындаған бейне бұрмалануы, сондай-ақ желдің негізгі телескопқа тигізетін деформациялары нақты уақытта түзетіледі. ELT-нің адаптивті оптикалық жүйесі адаптивті оптикасыз қол жеткізілген ең жақсы көріну жағдайларымен салыстырғанда, қарапайымдылық деңгейін 500 есеге арттырады. INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) компаниясымен қосалқы мердігер ретінде серіктестік құрған компаниялар төртінші айнаның жобалау және өндірісіне жауапты. 6 жапырақша Германиядағы Schott компаниясымен құйылды және Safran Reosc компаниясымен жылтыратылды. 2023 жылдың шілдесіне барлық 6 жапырақша аяқталды және олардың тіреу құрылымына біріктірілу процесі жүріп жатыр. 2024 жылдың басында алты құралымдық жапырақша жасалып, біртұтас құрылымға біріктірілуде. Бұл телескоп үшін салынған ең үлкен күмбез. Күмбездің жалпы массасы шамамен 6100 тоннаны құрайды, ал телескопты орнату және түтік құрылымының жалпы қозғалмалы массасы шамамен 2800 тоннаға жетеді. Байқау саңылауының екі негізгі дизайны қарастырылуда: бірі екі жиынтықтан тұратын ішкі есіктермен, ал қазіргі негізгі дизайн – бір жұп үлкен жылжымалы есіктер. Бұл есік жұбының жалпы ені 45,3 метрді құрайды. ESO телескоптардың негізгі құрылысымен бірге оның құрылысы үшін итальяндық ACe консорциумымен (Astaldi және Cimolai компанияларынан тұрады) және тағайындалған қосалқы мердігер, итальяндық EIE тобымен келісімшарт жасасты. Келісімшартқа қол қою рәсімі 2016 жылдың 25 мамырында Германияның Мюнхен қаласындағы ESO штаб-пәтерінде өтті. Күмбез ауа райы нашар болғанда және күндіз телескопты қорғауды қамтамасыз етеді. Күмбездің бірнеше тұжырымдамалары бағаланды. 40 метрлік ELT күмбезі үшін негізгі тұжырымдама – бетон тіреуінің үстінде айналатын, екі жағынан ашылатын қисық есіктері бар жарты шар тәрізді күмбез. Бұл бұрынғы жобадан шығындарды азайту мақсатында жасалған оңтайландыру және құрылысқа дайын болу үшін қайта расталуда. Келісімшартқа қол қойылғаннан кейін бір жыл өткен соң және 2017 жылдың мамыр айында алғашқы тас салтанатты түрде қаланғаннан кейін, құрылыс алаңы ACe компаниясына берілді, бұл күмбездің негізгі құрылымын салудың басталуын білдіреді.

Making the secondary mirror is a major challenge as it is highly convex, and aspheric. It is also very large; at 4.2 metres in diameter and weighing 3.5 tonnes, it will be the largest secondary mirror ever employed on an optical telescope and the largest convex mirror ever produced. In January 2017, Like the tertiary mirror, the secondary mirror will be mounted on 32 points, with 14 along its edges and 18 on the back. The entire assembly will be mounted on a hexapod, allowing its position to be aligned every few minutes to sub micrometer precision. Deformations on the secondary mirror have a much smaller effect on the final image compared to errors on the tertiary, quaternary, or quinary mirrors. As of July 2023, the tertiary mirror has been cast and is in polishing. The deformable mirror will be the largest adaptive mirror ever made, and consists of six component petals, control systems, and voice coil actuators. The image distortion caused by the turbulence of the Earth's atmosphere can be corrected in real time, as well as deformations caused by the wind upon the main telescope. The ELT's adaptive optics system will provide an improvement of about a factor of 500 in the resolution compared to the best seeing conditions achieved so far without adaptive optics. partnered with INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) as subcontractors, are responsible for the design and manufacture of the quaternary mirror. The 6 petals were cast by Schott in Germany and polished by Safran Reosc. As of July 2023, all 6 petals are completed and in the process of being integrated into their support structure. As of early 2024 the six component petals had been fabricated and are being brazed into a single unit. making it the largest dome ever built for a telescope. The dome will have a total mass of around 6100 tonnes, and the telescope mounting and tube structure will have a total moving mass of around 2800 tonnes. For the observing slit, two main designs were under study: one with two sets of nested doors, and the current baseline design, i. e. a single pair of large sliding doors. This pair of doors has a total width of 45.3 m.

ESO signed a contract for its construction, together with the main structure of the telescopes, with the Italian ACe Consortium, consisting of Astaldi and Cimolai and the nominated subcontractor, Italy's EIE Group. The signature ceremony took place on 25 May 2016 at ESO's Headquarters in Garching bei München, Germany. The dome is to provide needed protection to the telescope in inclement weather and during the day. A number of concepts for the dome were evaluated. The baseline concept for the 40m class ELT dome is a nearly hemispherical dome, rotating atop a concrete pier, with curved laterally opening doors. This is a re optimisation from the previous design, aimed at reducing the costs, and it is being revalidated to be ready for construction. One year after signing the contract, and after the laying of the first stone ceremony in May 2017, the site was handed over to ACe, signifying the beginning of the construction of the dome's main structure.

Астрономиялық көрсеткіштері

Астрономиялық көрсеткіштер бойынша күмбез 1 градусқа дейінгі зениттік қашу траекториясын қадағалай алуы керек, сондай-ақ 5 минут ішінде жаңа нысанаға алдын ала бағдарлана алуы тиіс. Бұл күмбездің 2 градус/секунд бұрыштық жылдамдықпен үдеп, қозғалуын талап етеді (сызықтық жылдамдық шамамен 5 км/сағ). Күмбез телескопқа толық еркіндік беру үшін жобаланған, осылайша ол ашық немесе жабық күйде орналаса алады. Ол сонымен қатар зениттен бастап көкжиектен 20 градусқа дейінгі аралықта бақылаулар жүргізуге мүмкіндік береді.

Қалқымалы шыны

Осындай үлкен ашылумен, ELT күмбезі телескоптың айналарын (екіншілік айнадан басқа) желдің тікелей соққаннан қорғау үшін жел экрандысының болуын қажет етеді. Жел экрандысының бастапқы конструкциясы оны орналастыруға қажетті көлемді ең аз деңгейге дейін төмендетеді. Бақылау саңылауының екі жағында орналасқан екі шар тәрізді жапырақша телескоп апертурасының алдынан жылғалап, желдің күшін азайтады.

Желдету және ауа баптауы

Күмбездің дизайны телескоптың күмбездік тұмандылықтан шектелуіне жол бермей, жеткілікті желдетуді қамтамасыз етеді. Осы мақсатта күмбезге жалюзилер орнатылған, ал жел экрандысы олардың тиісті функцияларын орындауына мүмкіндік беретіндей етіп жасалған. Күмбездің ішіндегі және сыртындағы ауа ағынын, сондай-ақ күмбез бен жел экрандысының телескопты қорғаудағы тиімділігін зерттеу үшін есептеу гидродинамикалық модельдеу және жел тоннеліндегі сынақтар жүргізілуде. Су өткізбейтін конструкциямен қатар, ауа өткізбейтін конструкция да талап ретінде қойылады, себебі кондиционер жүктемесін азайту өте маңызды. Күмбезді кондициялау телескопты алдағы түнге жылулық тұрғыдан дайындау үшін ғана емес, сонымен қатар телескоп оптикасын таза ұстау үшін де қажет. Телескопты күндіз кондициялау өте маңызды, ал қазіргі техникалық талаптар күмбездің 12 сағат ішінде телескоп пен ішкі кеңістікті 10°C-қа дейін салқындатуына мүмкіндік береді.

Ғылыми мақсаттар

ЭЛТ басқа жұлдыздардың айналасында орналасқан күннен тыс планеталарды – экзопланеталарды іздейді. Бұл Жер массасымен салыстырылатын планеталарды планеталардың әсерінен жұлдыздардың тербелісін тікелей емес жолмен өлшеу арқылы табуды, сондай-ақ ірі планеталарды тікелей бейнелеуді және тіпті олардың атмосфераларын зерттеуді қамтиды. Телескоп Жерге ұқсас экзопланеталардың суретін алуға тырысады. Ең қашықтағы объектілерді зерттеу арқылы ЭЛТ алғашқы нысандардың – алғашқы жұлдыздардың, алғашқы галактикалардың және қара тесіктердің қалыптасуын түсінуге көмектеседі, сондай-ақ олардың арасындағы байланысты анықтауға мүмкіндік береді. Қара тесіктер сияқты ерекше объектілерді зерттеу ЭЛТ-нің мүмкіндіктерін пайдаланып, ықшам объектілердің маңындағы процестерге байланысты уақытқа тәуелді құбылыстарды жақсырақ түсінуге көмектеседі. Телескопта бірнеше ғылыми құралдар болады және ол бір құралдан екіншісіне бірнеше минут ішінде ауыса алады. Телескоп пен күмбез де аспандағы орнын өзгертіп, жаңа бақылауды қысқа мерзімде бастай алады. Оның бірінші буынындағы төрт құралы – MICADO, HARMONI және METIS, сонымен қатар MORFEO адаптивті оптикалық жүйесі алғашқы бақылаулар кезінде немесе одан кейін қолжетімді болады, ал қалған екеуі кейінірек жұмыс істей бастайды. Телескоп жұмыс істеу кезеңінде басқа да құралдар орнатылуы мүмкін. Бірінші буынға төрт құрал кіреді: MICADO, HARMONI және METIS, сонымен қатар адаптивті оптикалық жүйе MORFEO. HARMONI: Жоғары бұрыштық ажыратымдылықты қамтамасыз ететін монолиттік оптикалық және жақын инфрақызыл интегралды өріс спектрографы (HARMONI) спектроскопия үшін телескоптың негізгі құралы болып табылады. METIS: Орта инфрақызыл ELT бейнелеу және спектрографы (METIS) – орта инфрақызыл диапазонында бейнелеу және спектроскопия үшін арналған құрал. MICADO: Терең байқауларға арналған көп АО (адаптивті оптика) бейнелеу камерасы (MICADO) ELT үшін арналған алғашқы бейнелеу камерасы болады және ELT байқаулары үшін көп конъюгациялы адаптивті оптика релесі (MORFEO, бұрын MAORY) жүйесімен жұмыс істейді. Екінші буын құралдары MOSAIC және ANDES болып табылады. MOSAIC: Көп нысанды спектрограф, ол ғалымдарға галактикалардың өсуін және материяның Ұлы жарылыстан бастап қазіргі уақытқа дейінгі таралуын зерттеуге мүмкіндік береді. ANDES (бұрын HIRES): ArmazoNes жоғары дисперсиялы эшель спектрографы Жерге ұқсас экзопланеталардағы өмірдің белгілерін іздеу, ғаламның алғашқы жұлдыздарын табу, физиканың негізгі тұрақтыларының өзгеруін тексеру және Ғаламның кеңею жылдамдығын өлшеу үшін қолданылады.

The ELT will search for extrasolar planets—planets orbiting other stars. This will include not only the discovery of planets down to Earth like masses through indirect measurements of the wobbling motion of stars perturbed by the planets that orbit them, but also the direct imaging of larger planets and possibly even the characterisation of their atmospheres. The telescope will attempt to image Earthlike exoplanets. By probing the most distant objects the ELT will provide clues to understanding the formation of the first objects that formed: primordial stars, primordial galaxies and black holes and their relationships. Studies of extreme objects like black holes will benefit from the power of the ELT to gain more insight into time dependent phenomena linked with the various processes at play around compact objects.]] The telescope will have several science instruments and will be able to switch from one instrument to another within minutes. The telescope and dome will also be able to change positions on the sky and start a new observation in a short time. Four of its instruments, the first generation, will be available at or shortly after first light, while two others will begin operations later. Throughout its operation other instruments can be installed. The first generation includes four instruments: MICADO, HARMONI and METIS, along with the adaptive optics system MORFEO. HARMONI: The High Angular Resolution Monolithic Optical and Near infrared Integral field spectrograph (HARMONI) will function as the telescope's workhorse instrument for spectroscopy. METIS: The Mid infrared ELT Imager and Spectrograph (METIS) will be a mid infrared imager and spectrograph. MICADO: The Multi AO (adaptive optics) Imaging Camera for Deep Observations (MICADO) will be the first dedicated imaging camera for the ELT and will work with the Multiconjugate adaptive Optics Relay For ELT Observations, (MORFEO, formerly MAORY). The second generation of instruments consists of MOSAIC and ANDES. MOSAIC: A proposed multi object spectrograph which will allow astronomers to trace the growth of galaxies and the distribution of matter from shortly after the Big Bang to the present day. ANDES (formerly HIRES): The ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph will be used to search for indications of life on Earth like exoplanets, find the first born stars of the universe, test for possible variations of the fundamental constants of physics, and measure the acceleration of the Universe's expansion.