Телескоп Хейла в Паломарской обсерватории

Введение

Телескоп в обсерватории Паломар в Калифорнии, США

Телескоп Хейла – это 5,1-метровый рефлекторный телескоп в обсерватории Паломар в округе Сан-Диего, штат Калифорния, США, названный в честь астронома Джорджа Эллери Хейла. Благодаря финансированию Фонда Рокфеллера в 1928 году он руководил планированием, проектированием и строительством обсерватории, но проект занял 20 лет, и он не дожил до момента ее ввода в эксплуатацию. Телескоп Хейла был революционным для своего времени, имея вдвое больший диаметр, чем у второго по величине телескопа, и стал пионером многих новых технологий в конструкции монтировки телескопа, а также в проектировании и изготовлении его большого алюминиевого зеркала с низким термическим расширением из стекла Pyrex, имеющего сотовую структуру. Он был завершен в 1949 году и до сих пор активно используется. Телескоп Хейла представлял собой технологический предел в создании больших оптических телескопов более 30 лет. Он был самым большим телескопом в мире с момента его постройки в 1949 году до строительства советского БТА-6 в 1976 году и вторым по величине до строительства обсерватории Кека 1 на Гавайях в 1993 году.

История

Хейл курировал строительство телескопов в обсерватории Маунт-Уилсон с грантами от Института Карнеги в Вашингтоне: телескоп в 1908 году и телескоп в 1917 году. Эти телескопы оказались очень успешными, что привело к быстрому прогрессу в понимании масштаба Вселенной в 1920-х годах и продемонстрировало дальновидцам, таким как Хейл, необходимость в еще более крупных объективах. Главным оптическим конструктором предыдущего 100-дюймового телескопа Хейла был Джордж Уиллис Ричи, который планировал, чтобы новый телескоп был построен по схеме Ричи-Кретьена. По сравнению с обычным параболическим зеркалом, эта схема обеспечивала бы более четкое изображение на большей полезной области обзора. Однако Ричи и Хейл разошлись во взглядах. Поскольку проект уже задерживался и превышал бюджет, Хейл отказался от новой схемы с ее сложной формой зеркал, и Ричи покинул проект. Телескоп Маунт-Паломар-Хейл стал последним в мире ведущим телескопом с параболическим первичным зеркалом. В 1928 году Хейл получил грант в размере 6 миллионов долларов от Фонда Рокфеллера на "строительство обсерватории, включая 200-дюймовый отражающий телескоп", который должен был управляться Калифорнийским технологическим институтом (Кальтек), одним из основателей которого был Хейл. В начале 1930-х годов Хейл выбрал место на горе Паломар в округе Сан-Диего, штат Калифорния, США, как наиболее подходящее, и менее подверженное растущей проблеме светового загрязнения в крупных городах, таких как Лос-Анджелес. Корнинг Гласс Уоркс получила задание изготовить первичное зеркало. Строительство обсерватории и купола началось в 1936 году, но из-за перерывов, вызванных Второй мировой войной, телескоп был завершен только в 1948 году и торжественно введен в эксплуатацию. В течение 1949 года в телескоп были внесены корректировки из-за небольших искажений изображения. Он стал доступен для научных исследований в 1950 году. Телескоп увидел первый свет 26 января 1949 года в 22:06 по тихоокеанскому времени (PST) под руководством американского астронома Эдвина Пауэлла Хаббла, нацелившись на объект NGC 2261, также известный как переменная туманность Хаббла. Телескоп продолжает использоваться каждую ясную ночь для научных исследований астрономами из Кальтека и их операционных партнеров: Корнеллского университета, Калифорнийского университета и Лаборатории реактивного движения. Он оснащен современными оптическими и инфракрасными матричными камерами, спектрографами и системой адаптивной оптики.

Hale supervised the building of the telescopes at the Mount Wilson Observatory with grants from the Carnegie Institution of Washington: the telescope in 1908 and the telescope in 1917. These telescopes were very successful, leading to the rapid advance in understanding of the scale of the Universe through the 1920s, and demonstrating to visionaries like Hale the need for even larger collectors. The chief optical designer for Hale's previous 100 inch telescope was George Willis Ritchey, who intended the new telescope to be of Ritchey–Chrétien design. Compared to the usual parabolic primary, this design would have provided sharper images over a larger usable field of view. However, Ritchey and Hale had a falling out. With the project already late and over budget, Hale refused to adopt the new design, with its complex curvatures, and Ritchey left the project. The Mount Palomar Hale Telescope turned out to be the last world leading telescope to have a parabolic primary mirror. In 1928 Hale secured a grant of $6 million from the Rockefeller Foundation for "the construction of an observatory, including a 200 inch reflecting telescope" to be administered by the California Institute of Technology (Caltech), of which Hale was a founding member. In the early 1930s, Hale selected a site at on Palomar Mountain in San Diego County, California, US, as the best site, and less likely to be affected by the growing light pollution problem in urban centers like Los Angeles. The Corning Glass Works was assigned the task of making a primary mirror. Construction of the observatory facilities and dome started in 1936, but because of interruptions caused by World War II, the telescope was not completed until 1948 when it was dedicated. Due to slight distortions of images, corrections were made to the telescope throughout 1949. It became available for research in 1950. The telescope saw first light on January 26, 1949, at 10:06pm PST under the direction of American astronomer Edwin Powell Hubble, targeting NGC 2261, an object also known as Hubble's Variable Nebula. The telescope continues to be used every clear night for scientific research by astronomers from Caltech and their operating partners, Cornell University, the University of California, and the Jet Propulsion Laboratory. It is equipped with modern optical and infrared array imagers, spectrographs, and an adaptive optics

Один из стеклянных тестовых образцов для телескопа Хейла был использован для изготовления первичного зеркала телескопа C. Дональда Шейна. Собирающая поверхность зеркала составляет около 31 000 квадратных дюймов (20 квадратных метров).

Монтажные конструкции

Телескоп Хейла использует специальный тип экваториальной монтировки, называемый "подкова" (horseshoe mount) – модифицированную вилочную монтировку, в которой полярная ось заменена открытой конструкцией в форме подковы, обеспечивающей телескопу полный доступ ко всему небу, включая Полярную звезду и звезды вблизи неё. Оптическая труба (OTA) использует ферму Серрюе, недавно изобретённую Марком У. Серрюером из Калифорнийского технологического института в Пасадене в 1935 году, конструкция которой позволяет ей изгибаться таким образом, чтобы все оптические элементы оставались в выравнивании.

200-дюймовое зеркало

Первоначально телескоп Хейла должен был использовать первичное зеркало из кварцевого стекла, изготовленного компанией General Electric, но вместо этого первичное зеркало было отлитo в 1934 году на заводе Corning Glass Works в штате Нью-Йорк с использованием нового материала Corning под названием Pyrex (боросиликатное стекло). Зеркало отлили в форму с 36 выступающими блоками формы (похожими по форме на вафельницу). Это создало зеркало сотовой структуры, что позволило сократить необходимое количество Pyrex с более чем до всего лишь , сделав зеркало, которое быстрее остывало бы в процессе эксплуатации и имело бы множество "точек крепления" на задней стороне для равномерного распределения веса (примечание – см. внешние ссылки, статья 1934 года, для чертежей). Форма центрального отверстия также была частью формы, чтобы свет мог проходить через готовое зеркало при использовании в конфигурации Кассегрена (заглушка из Pyrex для этого отверстия также была изготовлена для использования в процессе шлифовки и полировки). Когда стекло заливали в форму во время первой попытки отлить 200-дюймовое зеркало, интенсивный нагрев привел к тому, что несколько формовочных блоков откололись и всплыли на поверхность, испортив зеркало. Дефектное зеркало было использовано для тестирования процесса отжига. После переработки формы второе зеркало было успешно отлито. После нескольких месяцев охлаждения готовый заготовок зеркала был доставлен по железной дороге в Пасадену, Калифорния. По прибытии в Пасадену зеркало было перенесено с железнодорожной платформы на специально разработанный полуприцеп для транспортировки по дорогам к месту полировки. В оптической мастерской в Пасадене (ныне здание Синхротрона в Caltech) использовались стандартные методы изготовления телескопических зеркал для придания плоской заготовке точной вогнутой параболической формы, хотя и в большем масштабе. Была построена специальная зеркальная ячейка, которая могла выполнять пять различных движений при шлифовке и полировке зеркала. Более 13 лет было удалено и отполировано почти стекла, что уменьшило вес зеркала до . Зеркало было покрыто (и до сих пор покрывается каждые 18–24 месяца) отражающей алюминиевой поверхностью с использованием того же процесса вакуумного осаждения алюминия, изобретенного в 1930 году физиком и астрономом из Caltech Джоном Стронгом. Первичное зеркало телескопа Хейла было близко к технологическому пределу для зеркала, изготовленного из цельного куска стекла. Использование монолитного зеркала, значительно большего, чем 5-метровый Хейл или 6-метровый БТА-6, является непомерно дорогим из-за стоимости как самого зеркала, так и массивной конструкции, необходимой для его поддержки. Зеркало большего размера также немного прогибалось бы под собственным весом при повороте телескопа в разные положения, изменяя точную форму поверхности, которая должна быть точной до 2 миллионных дюйма (50 нм). Современные телескопы с диаметром более 9 метров используют другую конструкцию зеркала для решения этой проблемы: либо одно тонкое гибкое зеркало, либо набор небольших сегментированных зеркал, форма которых непрерывно регулируется компьютеризированной системой активной оптики с помощью приводов, встроенных в ячейку поддержки зеркала.

Originally, the Hale Telescope was going to use a primary mirror of fused quartz manufactured by General Electric, but instead the primary mirror was cast in 1934 at Corning Glass Works in New York state using Corning's then new material called Pyrex (borosilicate glass). The mirror was cast in a mold with 36 raised mold blocks (similar in shape to a waffle iron). This created a honeycomb mirror that cut the amount of Pyrex needed down from over to just , making a mirror that would cool faster in use and have multiple "mounting points" on the back to evenly distribute its weight (note – see external links 1934 article for drawings). The shape of a central hole was also part of the mold so light could pass through the finished mirror when it was used in a Cassegrain configuration (a Pyrex plug for this hole was also made to be used during the grinding and polishing process). While the glass was being poured into the mold during the first attempt to cast the 200 inch mirror, the intense heat caused several of the molding blocks to break loose and float to the top, ruining the mirror. The defective mirror was used to test the annealing process. After the mold was re engineered, a second mirror was successfully cast. After cooling several months, the finished mirror blank was transported by rail to Pasadena, California. Once in Pasadena the mirror was transferred from the rail flat car to a specially designed semi trailer for road transport to where it would be polished. In the optical shop in Pasadena (now the Synchrotron building at Caltech) standard telescope mirror making techniques were used to turn the flat blank into a precise concave parabolic shape, although they had to be executed on a grand scale. A special mirror cell jig was constructed which could employ five different motions when the mirror was ground and polished. Over 13 years almost of glass was ground and polished away, reducing the weight of the mirror to The mirror was coated (and still is re coated every 18–24 months) with a reflective aluminum surface using the same aluminum vacuum deposition process invented in 1930 by Caltech physicist and astronomer John Strong. The Hale's mirror was near the technological limit of a primary mirror made of a single rigid piece of glass. Using a monolithic mirror much larger than the 5 meter Hale or 6 meter BTA 6 is prohibitively expensive due to the cost of both the mirror, and the massive structure needed to support it. A mirror beyond that size would also sag slightly under its own weight as the telescope is rotated to different positions, changing the precision shape of the surface, which must be accurate to within 2 millionths of an inch (50 nm). Modern telescopes over 9 meters use a different mirror design to solve this problem, with either a single thin flexible mirror or a cluster of smaller segmented mirrors, whose shape is continuously adjusted by a computer controlled active optics system using actuators built into the mirror support cell.

Купол

Движущийся вес верхнего купола составляет около 1000 тонн США и он может вращаться на колесах. Каждая дверь купола весит 125 тонн. Купол изготовлен из сварных стальных плит толщиной около 10 мм. В течение первых 50 лет своего существования телескоп Хейла внес значительный вклад в изучение эволюции звезд, космологии и астрофизики высоких энергий. Аналогично, сам телескоп и разработанные для него технологии продвинули изучение спектров звезд, межзвездной среды, AGN и квазаров. Квазары впервые были идентифицированы как источники с высоким красным смещением по спектрам, полученным с помощью телескопа Хейла. Приближение кометы Галлея (1P) к Солнцу в 1986 году впервые было зафиксировано астрономами Дэвидом С. Джуиттом и Г. Эдвардом Дэниелсоном 16 октября 1982 года с использованием 200-дюймового телескопа Хейла, оснащенного ПЗС-камерой. В сентябре 1997 года были открыты два спутника планеты Уран, увеличив общее известное количество спутников планеты до 17 на тот момент. Один из них – Калибан (S/1997 U 1), который был обнаружен 6 сентября 1997 года Бреттом Дж. Глэдманом, Филиппом Д. Николсоном, Джозефом А. Бернсом и Джоном Дж. Кавеларсом с помощью 200-дюймового телескопа Хейла. Другой спутник Урана, открытый в то время – Сикоракс (временное обозначение S/1997 U 2), также был обнаружен с использованием 200-дюймового телескопа Хейла. В рамках обзора Корнеллской среднеинфракрасной спектроскопии астероидов (MIDAS) телескоп Хейла со спектрографом использовался для изучения спектров 29 астероидов. В 2009 году, с использованием коронографа, телескоп Хейла был использован для открытия звезды Alcor B, являющейся компаньоном звезды Alcor в Большой Медведице. В 2010 году с помощью 200-дюймового телескопа Хейла был обнаружен новый спутник планеты Юпитер, получивший обозначение S/2010 J 1 и впоследствии названный Юпитер LI. В октябре 2017 года телескоп Хейла смог зарегистрировать спектр первого идентифицированного межзвездного объекта, 1I/2017 U1 ("ʻOumuamua"); хотя конкретный минерал идентифицирован не был, данные показали, что у объекта красноватый цвет поверхности. В декабре 2023 года телескоп Хейла начал использоваться в качестве приемной антенны для эксперимента по оптической связи в дальнем космосе в рамках миссии NASA "Психея".

The moving weight of the upper dome is about 1000 US tons, and can rotate on wheels. The dome doors weigh 125 tons each. The dome is made of welded steel plates about 10 mm thick. During its first 50 years, the Hale telescope made many significant contributions to stellar evolution, cosmology, and high energy astrophysics. Similarly, the telescope, and the technology developed for it, advanced the study of the spectra of stars, interstellar matter, AGNs, and quasars. Quasars were first identified as high redshift sources by spectra taken with the Hale telescope. Halley's Comet (1P) upcoming 1986 approach to the Sun was first detected by astronomers David C. Jewitt and G. Edward Danielson on 16 October 1982 using the 200 inch Hale telescope equipped with a CCD camera. Two moons of the planet Uranus were discovered in September 1997, bringing the planet's total known moons to 17 at that time. One was Caliban (S/1997 U 1), which was discovered on 6 September 1997 by Brett J. Gladman, Philip D. Nicholson, Joseph A. Burns, and John J. Kavelaars using the 200 inch Hale telescope. The other Uranian moon discovered then is Sycorax (initial designation S/1997 U 2) and was also discovered using the 200 inch Hale telescope. The Cornell Mid Infrared Asteroid Spectroscopy (MIDAS) survey used the Hale Telescope with a spectrograph to study spectra from 29 asteroids. In 2009, using a coronograph, the Hale telescope was used to discover the star Alcor B, which is a companion to Alcor in the Big Dipper. In 2010, a new satellite of planet Jupiter was discovered with the 200 inch Hale, called S/2010 J 1 and later named Jupiter LI. In October 2017 the Hale telescope was able to record the spectrum of the first recognized interstellar object, 1I/2017 U1 ("ʻOumuamua"); while no specific mineral was identified it showed the visitor had a reddish surface color. In December 2023 the Hale Telescope began serving as the receiving antenna for the Deep Space Optical Communications experiment on NASA's Psyche mission.

Прямые снимки экзопланет

До 2010 года телескопы могли получать прямые изображения экзопланет лишь в исключительных случаях. В частности, изображения легче получить, когда планета особенно велика (значительно больше Юпитера), находится на большом расстоянии от своей звезды и горяча, чтобы излучать интенсивное инфракрасное излучение. Однако в 2010 году команда из Лаборатории реактивного движения NASA продемонстрировала, что вихревой коронограф может позволить даже небольшим телескопам получать прямые изображения планет.

Сравнение

При вводе в эксплуатацию в 1949 году площадь светосбора телескопа Хейла была в четыре раза больше, чем у второго по величине телескопа того времени. Другими современными телескопами были телескоп Хукера в обсерватории Маунт-Уилсон и телескоп Отто Струве в обсерватории Макдональда. + Три крупнейших телескопа в 1949 году # Название / Обсерватория Изображение Апертура Высота Дата первого света Главный инициатор 1 Телескоп ХейлаПаломарская обсерватория 200 дюймов508 см 1713 м (5620 футов) 1949 Джордж Эллери ХейлДжон Д. Рокфеллер Эдвин Хаббл 2 Телескоп ХукераОбсерватория Маунт-Уилсон 100 дюймов254 см 1742 м (5715 футов) 1917 Джордж Эллери ХейлЭндрю Карнеги 3 Обсерватория Макдональда 82 дюймаОбсерватория Макдональда (т.е. телескоп Отто Струве) 82 дюйма210 см 2070 м (6791 фут) 1939 Отто Струве