Интегральный спектрограф MUSE на Очень Большом Телескопе
Multi-unit spectroscopic explorer
MUSE – спектрограф на VLT ESO для детального изучения Вселенной. Сочетает высокое пространственное и спектральное разрешение, улучшая астрономические наблюдения.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Спектрограф интегрального поля, установленный на Очень Большом Телескопе
Integral field spectrograph installed at the Very Large Telescope
Многоединичный спектроскопический исследователь (MUSE) — это спектрограф интегрального поля, установленный на Очень Большом Телескопе (VLT) Европейской южной обсерватории (ESO). Он работает в видимом диапазоне длин волн и специально разработан для использования улучшенного пространственного разрешения, обеспечиваемого адаптивной оптикой, предлагая дифракционно-ограниченную производительность в определенных конфигурациях.
The Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE) is an integral field spectrograph installed at the Very Large Telescope (VLT) of the European Southern Observatory (ESO). It operates in the visible wavelength range, It is specifically designed to take advantage of the improved spatial resolution provided by adaptive optics, offering diffraction limited performance in specific configurations.
Предыстория
Традиционно астрономические наблюдения в оптическом диапазоне разделялись на получение изображений и спектроскопию. Первое позволяет охватывать широкое поле зрения, но ценой очень низкого разрешения по длине волны. Второе, как правило, либо полностью теряло пространственное разрешение в случае волоконных спектрографов, либо частично – в случае длиннощелевых спектрографов, либо обладало лишь грубым пространственным разрешением в случае современных спектрографов интегрального поля. MUSE был разработан для улучшения этой ситуации, обеспечивая как высокое пространственное разрешение, так и хорошее спектральное покрытие. Главный исследователь прибора – Роланд Бэкон из Лионского центра астрофизических исследований (CRAL), возглавляющий консорциум, состоящий из шести крупных европейских институтов: CRAL при Лионской обсерватории является ведущим институтом (PI institute) и руководил строительством большей части прибора. В консорциум также входят немецкий Институт астрофизики Геттингена (IAG) и Институт астрофизики Лейбница в Потсдаме (AIP), Нидерландская исследовательская школа астрономии (NOVA), Институт исследований в области астрофизики и планетологии (IRAP) (Франция), ETH Zürich (Швейцария) и Европейская южная обсерватория (ESO). Старт проекта был дан 18 января 2005 года, а окончательный просмотр проекта состоялся в марте 2009 года. Прибор успешно прошел окончательную приемку в Европе 10 сентября 2013 года. MUSE был установлен на платформе Nasmyth четвертого телескопа VLT Unit 19 января 2014 года и получил первое изображение 31 января 2014 года.
Traditionally astronomical observations in the optical region have been separated into imaging and spectroscopy. The former can cover a wide field of view, but at the cost of a very coarse resolution in the wavelength direction. The latter has tended to either lose spatial resolution completely in the case of fibre spectrographs, and partially in the case of long slit spectrographs or to have only coarse spatial resolving power in the case of recent integral field spectrographs. MUSE was devised to improve on this situation by providing both high spatial resolution as well as a good spectral coverage. The principal investigator of the instrument is Roland Bacon at the Lyon Centre for Astrophysics Research (CRAL) in charge of a consortium consisting of six major European institutes: CRAL at Lyon Observatory is the PI institute and led the construction of the majority of the instrument. Other involved institutes include the German Institut für Astrophysik Göttingen (IAG) and the Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP), the Netherlands Research School for Astronomy (NOVA), the Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie (IRAP), France, ETH Zürich, Switzerland as well as the European Southern Observatory (ESO). The kick off for the project was January 18, 2005 with the final design review in March 2009. The instrument passed its final acceptance in Europe on September 10, 2013 MUSE was mounted on the Nasmyth platform of the fourth VLT Unit telescope on January 19, 2014, and saw first light on January 31, 2014.
Звезды и звездные популяции
МУЗЕ обладает полем зрения, хорошо подходящим для наблюдения ряда объектов в Млечном Пути, таких как шаровые скопления и планетарные туманности. Высокое пространственное разрешение и частота дискретизации позволят MUSE одновременно получать спектры тысяч звезд за один снимок в плотных областях, например, в шаровых скоплениях. В областях звездообразования, где присутствует смесь ионизированного газа и звезд, MUSE предоставит информацию как о звездном составе, так и о составе туманностей в этой области.
MUSE has a field of view that is well matched to a number of objects in the Milky Way, such as globular clusters and planetary nebulae. The high spatial resolution and sampling will enable MUSE to simultaneously observe the spectra of thousands of stars in one shot in dense regions such as globular clusters. In star forming regions, with a mixture of ionised gas and stars, MUSE will provide information both on the stellar and nebular content across this region.
Излучатели Лаймана-альфа
Ключевой целью разработки MUSE было изучение предков нормальных близлежащих галактик на красных смещениях z > 6. Эти объекты могут быть чрезвычайно слабыми, и в этом случае их можно обнаружить только по излучению в линии Лаймана-альфа. Такие галактики часто называют излучателями Лаймана-альфа. Распространенным методом изучения таких объектов является узкополосная съемка, однако она позволяет исследовать лишь очень узкий диапазон красных смещений, определяемый шириной фильтра. Кроме того, этот метод менее чувствителен, чем прямые спектроскопические наблюдения, поскольку ширина фильтра больше типичной ширины линии излучения. Поскольку MUSE – это спектрограф с полем зрения 1'x1', его можно использовать для одновременного поиска источников эмиссионных линий в широком диапазоне красных смещений (z = 2.9–6.65 для Лаймана-альфа). Ожидается, что прибор будет использоваться для экспозиций до 100 часов, в результате чего он сможет достичь предельного потока 3x10−19 эрг/с/см², что на порядок слабее, чем в современных узкополосных обзорах.
A key goal of the design of MUSE was to be able to study the progenitors of normal nearby galaxies out to redshifts z > 6. These sources can be extremely faint, in which case they can only be detected using through the emission in the Lyman alpha emission line, such galaxies are frequently referred to as Lyman alpha emitters. A common way to study such sources is to use narrow band imaging, but this technique can only survey a very narrow redshift range at a time – set by the width of the filter. In addition this method is not as sensitive as direct spectroscopic studies because the width of the filter is wider than the typical width of an emission line. Since MUSE is a spectrograph with a 1'x1' field of view, it can be used to search for emission line sources over a wide range in redshift (z = 2.9–6.65 for Lyman alpha) at the same time. It is expected that the instrument will be used for exposures of up to 100 hours, in which case it should reach a limiting flux of 3x10−19 erg/s/cm2 which is an order of magnitude fainter than current narrow band imaging surveys.
Эволюция галактик
MUSE станет мощным инструментом для изучения динамических свойств галактик от ближайшей Вселенной до красного смещения не менее 1,4, после которого запрещенная линия излучения [O II] на длине волны 372,7 нм исчезает в красной части спектрального диапазона спектрографа. При малых красных смещениях MUSE позволит получать двумерные карты кинематики и звездных популяций во всех типах галактик. Инструмент будет развивать и расширять научные результаты, полученные с помощью прибора SAURON на телескопе Уильяма Гершеля, распространяя их как на большие радиусы, так и на более далекие галактики. В режиме узкого поля зрения MUSE сможет детально изучать область вокруг сверхмассивной черной дыры в центре массивных галактик. Предполагается, что это поможет астрономам понять процесс формирования этих гигантов – вероятно, посредством слияния, в результате которого две черные дыры объединяются, образуя более массивный объект, одновременно возмущая звездные орбиты в центре галактики. При больших красных смещениях MUSE предоставит возможность строить карты распределения металлов в галактиках и одновременно накладывать ограничения на их динамическую структуру. Сочетая это с информацией об окружающей среде, благодаря широкому полю зрения (1 угловая минута соответствует 430 килопарсекам при красном смещении 0,7), станет возможным изучать, как на свойства галактик влияет окружающая их среда, совершенно новым и эффективным способом.
MUSE will be a powerful instrument for studying the dynamical properties of galaxies from the nearby Universe out to at least a redshift of 1.4, after which the [O II] forbidden emission line at 372.7 nm disappears off the red end of the spectrograph. At low redshift MUSE will provide two dimensional maps of the kinematics and the stellar populations in all types of galaxies. It will build on and expand the science done with the SAURON instrument on the William Herschel Telescope, extending it to both larger radii and to more distant galaxies. With the narrow field mode, MUSE will be able to zoom in on the region around the super massive black hole at the centre of massive galaxies. It is hoped that this will help astronomers understand the process by which these giants formed likely through a merging process whereby two black holes coalesce to form a more massive end product and at the same time perturbing the stellar orbits in the centre of the galaxy. At higher redshift MUSE will provide the power to construct maps of the distribution of metals in galaxies and at the same time provide constraints on the dynamical structure of these objects. Combining this with environmental information due to the wide field of view (1 arcminute corresponds to 430 kilo parsec at a redshift of 0.7) it will be possible to study how the properties of galaxies are affected by the environment they find themselves in a very powerful, and mostly new, way.
Наука с узким полевым режимом
MUSE также будет обладать режимом высокого пространственного разрешения с полем зрения 7,5x7,5 угловых секунд и пространственным разрешением 0,042 угловой секунды при длине волны 750 нм. Основное научное применение этого режима – детальное изучение более близких систем, таких как окрестности сверхмассивных черных дыр в ближайших галактиках. В частности, станет возможным разрешение сферы влияния черных дыр в большинстве массивных галактик вплоть до скопления Девы, а для самых массивных галактик – и в скоплении Комы. Кроме того, MUSE сможет изучать выбросы в близлежащих областях звездообразования и поверхности различных объектов Солнечной системы. Это, например, позволит проводить спектроскопический мониторинг вулканической активности на Ио и спектроскопические исследования атмосферы Титана.
MUSE will also have a high spatial resolution mode with a field of view of 7.5x7.5 arcsec and a spatial resolution of 0.042 arcsec at 750 nm. The main scientific use of this mode is for studying in detail more nearby systems such as the environment around supermassive black holes in nearby galaxies. In particular it will be possible to resolve the sphere of influence of the black holes in most massive galaxies out to the Virgo cluster and for the most massive galaxies also in the Coma cluster of galaxies. Closer to home, MUSE will be able to study jets in nearby star forming regions and the surfaces of a range of solar system objects. This could for instance be used to carry out spectroscopic monitoring studies of volcanic activity on Io and spectroscopic studies of the atmosphere of Titan.
Интерфейс адаптивной оптики
Для достижения требуемого повышения пространственного разрешения по всей небесной сфере, MUSE использует интерфейс GALACSI, являющийся частью системы адаптивной оптики на UT4 при VLT. Все компоненты адаптивной оптики (АО) смонтированы в деротаторе Nasmyth, а метрологическая система используется для обеспечения выравнивания системы АО с MUSE. Это необходимо, поскольку MUSE расположен на платформе Nasmyth. Ожидается, что благодаря системе АО, MUSE достигнет медианного пространственного разрешения 0,46 угловой секунды, или ~3 кпк при красном смещении >3, в поле зрения 1'x1' в режиме широкого поля. В режиме узкого поля пространственное разрешение должно достигать 0,042 угловой секунды при 750 нм, что соответствует разрешению в ~3 пк на расстоянии до скопления галактик Девы.
In order to achieve the required boost in spatial resolution across the celestial sphere, MUSE makes use of the GALACSI interface which is part of the Adaptive Optics Facility on UT4 at VLT. All the adaptive optics (AO) components are all mounted in the Nasmyth derotator and a metrology system is used to ensure alignment of the AO system with MUSE. This is needed since MUSE is located on the Nasmyth platform. Armed with the AO system, it is expected that MUSE will achieve a median spatial resolution of 0.46 arcseconds, or ~3 kpc at a redshift >3, across the 1'x1' field of view of the wide field mode. In the narrow field mode, the spatial resolution should reach 0.042 arcseconds at 750 nm, corresponding to ~3 pc resolution at the distance of Virgo Cluster of galaxies.
Скорость передачи данных и управление
Каждая экспозиция с MUSE возвращает файл данных, содержащий данные с 24 IFU объемом 35 МБ каждый, таким образом, общий размер исходного файла данных составляет 0,84 ГБ. После обработки данных их объем увеличится до 3,2 ГБ на экспозицию, поскольку данные преобразуются в значения с плавающей точкой и создается куб оценок погрешностей. Это означает, что наблюдения, основанные на большом количестве коротких экспозиций, могут приводить к формированию очень больших наборов данных, легко превышающих 100 ГБ за ночь для относительно сложных данных.
Each exposure with MUSE will return a datafile with data from the 24 IFUs at 35 MB each thus the total size of the raw datafile is 0.84 GB. After data reduction this will expand to a total of 3.2 GB per exposure as the data are translated into floating point values and an error estimate cube is produced. This means that observations that rely on many short exposures can produce very large datasets easily producing 100 GB per night of fairly complex data.