Телескоп VISTA: Обзор южного неба в инфракрасном свете.

Введение

VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) – широкопольный рефлекторный телескоп с зеркалом диаметром 4,1 метра, расположенный в обсерватории Паранал в Чили. Он управляется Европейской южной обсерваторией и начал научные наблюдения в декабре 2009 года. VISTA была спроектирована и разработана консорциумом университетов Соединенного Королевства под руководством Лондонского университета королевы Марии и стала вкладом в ESO в рамках соглашения о присоединении Великобритании, финансируемым Советом по научным и технологическим объектам Великобритании (STFC). Телескоп оснащен единственным инструментом: VIRCAM, Vista InfraRed CAMera. Это 3-тонная камера, содержащая 16 специальных детекторов, чувствительных к инфракрасному излучению, с общим количеством 67 миллионов пикселей. Инструмент второго поколения под названием 4MOST – многообъектный спектрограф с оптоволоконной системой питания на 2400 объектов – находится в разработке и планируется к установке около 2022 года. Наблюдения на длинах волн, превышающих видимый спектр, позволяют VISTA изучать объекты, которые практически невозможно увидеть в видимом свете из-за их низкой температуры, наличия пылевых облаков или красного смещения, вызванного расширением Вселенной на протяжении длительного пути света от ранней Вселенной. Проект осуществлялся 18 университетами Соединенного Королевства (Великобритании), получившими финансирование из совместного инфраструктурного фонда правительства Великобритании и дополнительное финансирование от Совета по исследованиям в области физики частиц и астрономии. Стоимость проекта оценивается в 46 миллионов евро (36 миллионов фунтов стерлингов). После рассмотрения нескольких площадок в Чили консорциум выбрал обсерваторию Паранал Европейской южной обсерватории (ESO), а именно вторичную вершину, расположенную в 1500 м от Очень Большого Телескопа (VLT). Консорциум возложил техническую ответственность за проектирование и строительство телескопа на британский Астрономический технологический центр. Два года спустя – в 2002 году – Великобритания присоединилась к ESO, и VISTA стала неденежным вкладом в членский взнос. Затем консорциум завершил строительство и ввод телескопа в эксплуатацию, после чего Совет по научным и технологическим объектам от имени Великобритании передал телескоп ESO для использования астрономами всех стран-членов.

The VISTA (Visible and Infrared Survey Telescope for Astronomy) is a wide field reflecting telescope with a 4.1 metre mirror, located at the Paranal Observatory in Chile. It is operated by the European Southern Observatory and started science operations in December 2009. VISTA was conceived and developed by a consortium of universities in the United Kingdom led by Queen Mary University of London and became an in kind contribution to ESO as part of the UK's accession agreement, with the subscription paid by the UK Science and Technology Facilities Council (STFC). The telescope has only one instrument: VIRCAM, the Vista InfraRed CAMera. This is a 3 tonne camera containing 16 special detectors sensitive to infrared light, with a combined total of 67 million pixels. A second generation instrument called 4MOST, a 2400 object fibre fed multi object spectrograph, is under development for installation around 2022. Observing at wavelengths longer than those visible to the human eye allows VISTA to study objects that may be almost impossible to see in visible light because they are cool, obscured by dust clouds or because their light has been stretched towards redder wavelengths by the expansion of space during the light's long journey from the early Universe. of 18 universities in the United Kingdom (UK), which obtained funding from a joint infrastructure fund of the UK government and further funding from the Particle Physics and Astronomy Research Council. The project is valued at €46M (£36M). After considering several sites in Chile, the consortium chose the Paranal Observatory of the European Southern Observatory (ESO), namely a secondary peak 1,500 m from the Very Large Telescope (VLT). The consortium selected the UK Astronomy Technology Centre to take technical responsibility for design and construction of the telescope. Two years later – in 2002 – the UK joined ESO, and VISTA became an in kind component of the joining fee. The consortium then completed the construction and commissioning of the telescope, and the Science and Technology Facilities Council – on behalf of the UK – handed over the telescope to ESO, for the benefit of astronomers in all its member countries.

Опросы VISTA

Научные цели обзоров VISTA, начатых в 2010 году, охватывают многие из наиболее актуальных проблем современной астрофизики – от природы темной энергии до угрозы со стороны околоземных астероидов. Более подробную информацию о каждом обзоре VISTA можно найти на сайте ESO — VISTA Surveys и на странице ESO — Проекты публичных обзоров.

Наука с помощью VISTA

Поскольку VISTA — это большой телескоп, обладающий также и широким полем зрения, он способен обнаруживать тусклые объекты и быстро охватывать большие участки неба. Каждое изображение, полученное с помощью VISTA, охватывает область неба, примерно в десять раз превышающую площадь полной Луны, и телескоп сможет обнаруживать и каталогизировать объекты на всем южном небе с чувствительностью, в сорок раз превышающей чувствительность предыдущих инфракрасных обзоров неба, таких как весьма успешный Two Micron All Sky Survey. Этот скачок в наблюдательной мощности, сопоставимый с увеличением чувствительности при переходе от невооруженного глаза к первому телескопу Галилея, позволит обнаружить огромное количество новых объектов и создать гораздо более полные каталоги редких и экзотических объектов на южном небе. Инфракрасные измерения, полученные в ходе астрономического обзора VVV, были использованы для уточнения космической шкалы расстояний, в частности, для получения надежных расстояний до звездных скоплений и цефеид.

Выбор изображений VISTA

На первом опубликованном изображении (слева) показана туманность Пламени (NGC 2024) – впечатляющее звездное облако газа и пыли в хорошо известном созвездии Ориона (Охотника) и его окрестностях. В видимом свете ядро этого объекта скрыто плотными облаками пыли, но изображение, полученное с помощью VISTA в инфракрасном диапазоне, способно проникнуть сквозь эту пелену и показать скрытое внутри скопление горячих молодых звезд. Широкое поле зрения камеры VISTA также захватывает свечение NGC 2023 и призрачную форму знаменитой туманности Конь. На изображении слева (ниже снимка туманности Пламени) видна «Голубая лагуна» – инфракрасный снимок, полученный в рамках обзора VVV. На нем изображена звездная колыбель, известная как туманность Лагуна (также известная как Мессье 8), расположенная на расстоянии около 4000–5000 световых лет в созвездии Стрельца (Стрельца). VISTA может наблюдать и объекты за пределами нашей Галактики. На примере слева (ниже изображения туманности Ориона) телескоп сделал групповой портрет скопления галактик в созвездии Форнакс (Химическая печь). Широкое поле зрения позволяет запечатлеть множество галактик на одном снимке, включая эффектную спиральную галактику с перемычкой NGC 1365 и крупную эллиптическую галактику NGC 1399. Изображение было составлено из снимков, полученных через фильтры Z, J и Ks в ближней инфракрасной части спектра, и содержит множество членов этого скопления. В правом нижнем углу – изящная спиральная галактика с перемычкой NGC 1365, а слева – большая эллиптическая галактика NGC 1399, окруженная роем слабых шаровых скоплений. Размер изображения составляет примерно 1 градус на 1,5 градуса, а общее время экспозиции – 25 минут.

Конструкция телескопа

Цель многократного получения изображений больших участков неба с разрешением, ограниченным условиями видимости, привела к уникальной оптической схеме. Первичное зеркало представляет собой вогнутый гиперболоид диаметром 4,1 м и с относительным отверстием около f/1. Зеркало имеет менискообразную форму толщиной 17 см с центральным отверстием диаметром 1,2 м для размещения камеры в фокусе Кассегрена. Оно было изготовлено методом литья из материала Zerodur компанией Schott в Германии, а затем отполировано и профилировано компанией LZOS в Москве. Это самое большое зеркало данной формы и с таким малым относительным отверстием; его полировка заняла 2 года, что превысило первоначальные ожидания. Зеркало поддерживается системой актуаторов (81 сзади и 24 по краю), позволяющей компьютерами контролировать его форму. Вторичное зеркало представляет собой выпуклый гиперболоид диаметром 1,24 м. Комбинация двух гиперболических зеркал делает эту схему близкой к схеме Ричи-Кретьена. Общее относительное отверстие составляет около f/3, однако качество изображения, формируемого только двумя зеркалами, было бы неудовлетворительным. Вторичное зеркало установлено на гексаподе, что позволяет компьютеризированно управлять его положением, углом наклона и ориентацией. Инфракрасная камера была разработана консорциумом, в состав которого входят Лаборатория Разерфорда-Эпплтона, Британский центр астрономических технологий и Университет Дарема, и является крупнейшей в мире, её масса составляет почти три тонны. Телескоп и камера образуют единую оптическую систему, поскольку три линзы коррекции поля в камере необходимы для проецирования сфокусированного изображения неба на детекторы. Для инфракрасной камеры также критически важно блокировать тепловое излучение от телескопа и купола. Это достигается с помощью последовательности охлаждаемых диафрагм перед линзами коррекции поля. Кроме того, вторичное зеркало имеет уменьшенный диаметр, чтобы предотвратить попадание тепловой структуры за край первичного зеркала в поле зрения краевых детекторов; это означает, что апертура, видимая любой точкой в плоскости изображения, составляет 3,7 м. Эта конструкция требует, чтобы вакуумный криостат камеры, охлаждающий детекторы и диафрагмы, имел длину более 2 м и переднее окно диаметром 95 см. Фильтровое колесо, расположенное непосредственно перед детекторами, позволяет выбирать определенный диапазон инфракрасных длин волн. На области неба, соответствующей угловому диаметру 1,65°, плоскость изображения содержит 16 массивов инфракрасных детекторов.

The objective to repeatedly image large areas of sky at seeing limited resolution led to a unique optical design. The primary mirror is a concave hyperboloid with 4.1 m diameter and about f/1 focal ratio. The mirror has a meniscus shape of 17 cm thickness with a central 1.2 m hole to accommodate the camera at the Cassegrain focus. It was cast from Zerodur by Schott in Germany and subsequently polished and figured by LZOS, Moscow. It is the largest mirror of this shape and of such short focal ratio; polishing it took 2 years, which was longer than anticipated. The mirror is supported by a number of actuators (81 on the back and 24 around the edge), which allow its shape to be controlled by computers. The secondary mirror is a convex hyperboloid of 1.24 m diameter. The combination of the two hyperbolic mirrors makes this a quasi Ritchey Chrétien design. The combined focal ratio is about f/3, but the image quality of the two mirrors alone would be poor. The secondary mirror is mounted on a hexapod support so that its position, tip, and tilt are also computer controlled. The infrared camera was built by a consortium composed of the Rutherford Appleton Laboratory, the UK Astronomy Technology Centre, and Durham University, and is the world's largest at almost three tonnes. Telescope and camera form a single optical design, as the three field correction lenses in the camera are essential for the projection of a focussed image of the sky on the detectors. For an infrared camera, it is also vital to block heat radiation from the telescope and dome. This is accomplished by a sequence of cooled baffles in front of the field corrector lenses. Also, the secondary mirror is undersized to avoid edge detectors viewing warm structure outside the edge of the primary; this means the aperture seen by any point in the image plane is 3.7 m. This design requires the camera's vacuum cryostat – which cools the detectors as well as the baffles – to be more than 2 m long, with a front window of 95 cm diameter. A filter wheel just in front of the detectors allows the selection of a particular infrared wavelength range. Over an area corresponding to 1.65° diameter on the sky, the image plane has 16 arrays of infrared detectors,

Операция и поток данных

По завершении работы телескоп был передан ESO, которая выбрала шесть публичных обследований для VISTA, занимающих 75% доступного времени наблюдений. Предложения по проведению закрытых обследований, которые займут оставшееся время, направляются в ESO, которая будет планировать наблюдения по утвержденным предложениям. Наблюдения выполняются операторами в обсерватории Паранал удаленно из здания управления VLT. Сочетание большого детектора и коротких, частых экспозиций, необходимых в инфракрасном диапазоне длин волн, приводит к высокой скорости потока данных – 200–300 ГБ в сутки. Быстрая предварительная обработка в обсерватории Паранал будет использоваться для ежедневного контроля качества, но основной поток данных – передача необработанных данных в штаб-квартиру ESO в Гарчинге, близ Мюнхена, Германия, для загрузки в архив данных. Пользователи могут извлекать «отпечатки лап» (см. выше) и обрабатывать их в калибровочном конвейере для удаления инструментальных артефактов и калибровки астрометрии и фотометрии. Архивные данные также будут скопированы в систему потока данных VISTA в Великобритании, где «отпечатки лап» будут объединены в тайлы (см. выше) и на их основе будут подготовлены каталоги источников.