Введение

Крупнейшее астрономическое сооружение в Чили, обсерватория общего типа.

Экстремально большой телескоп (ELT) – астрономическая обсерватория, находящаяся в стадии строительства. После завершения он станет крупнейшим в мире оптическим/ближним инфракрасным телескопом чрезвычайно большого размера. Являясь частью Европейской южной обсерватории (ESO), он расположен на вершине Серро-Армазонес в пустыне Атакама на севере Чили. Конструкция представляет собой рефлекторный телескоп с сегментированным первичным зеркалом и вторичным зеркалом, имеющим диаметр. Телескоп будет оснащен адаптивной оптикой, шестью лазерными направляющими звёздами и множеством крупных научных инструментов. Изначально проект назывался Европейским чрезвычайно большим телескопом (E-ELT), но в 2017 году название было сокращено. ELT предназначен для расширения астрофизических знаний, позволяя проводить детальные исследования планет вокруг других звёзд, первых галактик во Вселенной, сверхмассивных чёрных дыр и природы тёмной составляющей Вселенной, а также обнаруживать воду и органические молекулы в протопланетных дисках вокруг других звёзд. 11 июня 2012 года Совет ESO одобрил планы программы ELT по началу строительных работ на площадке телескопа, при этом строительство самого телескопа ожидает окончательного согласования с правительствами некоторых государств-членов.

История

26 апреля 2010 года Совет Европейской южной обсерватории (ESO) выбрал Cerro Armazones, Чили, в качестве базовой площадки для планируемого ELT. Первоначальные проекты предусматривали сегментированное первичное зеркало диаметром и площадью около , а также вторичное зеркало диаметром . Однако в 2011 году было предложено уменьшить общие размеры на 13% до 978 м², с диаметром первичного зеркала и диаметром вторичного зеркала. Это позволило снизить прогнозируемые затраты с 1,275 миллиарда до 1,055 миллиарда евро и ускорить завершение строительства телескопа. Уменьшение размеров вторичного зеркала – особенно важное изменение, поскольку оно позволяет привлечь к производству несколько компаний, а более легкий зеркальный блок устраняет необходимость в использовании высокопрочных материалов для поддерживающей структуры вторичного зеркала. Совет ESO одобрил пересмотренный базовый проект в июне 2011 года и ожидал представления предложения по строительству для утверждения в декабре 2011 года. Предварительное одобрение проекта было получено в июне 2012 года. В 2014 году планировалось начать эксплуатацию в 2024 году, а по состоянию на 2023 год первый свет запланирован на 2028 год. ELT является приоритетным проектом в европейском планировании исследовательских инфраструктур, таких как Astronet Science Vision и Infrastructure Roadmap, а также ESFRI Roadmap. В 2014 году телескоп прошел фазу B, включавшую в себя "контракты с промышленностью на проектирование и изготовление прототипов ключевых элементов, таких как сегменты первичного зеркала, адаптивное четвертое зеркало или механическая структура ( ) [и] концептуальные проработки для восьми инструментов".

Дизайн

ЭЛТ будет использовать новую конструкцию, состоящую из пяти зеркал. Первые три зеркала имеют криволинейную (не сферическую) форму и образуют трехзеркальную анастигматическую схему, обеспечивающую превосходное качество изображения в поле зрения 10 угловых минут (одна треть диаметра полной Луны). Четвертое и пятое зеркала практически плоские и служат для адаптивной оптической коррекции атмосферных искажений (зеркало 4) и коррекции смещения для стабилизации изображения (зеркало 5). Четвертое и пятое зеркала также направляют свет вбок к одной из двух фокальных станций Насмита, расположенных по обе стороны от конструкции телескопа, что позволяет одновременно устанавливать несколько крупных инструментов.

Вторичное зеркало

Изготовление вторичного зеркала является сложной задачей, поскольку оно обладает высокой выпуклостью и является асферическим. Оно также очень велико; диаметром 4,2 метра и весом 3,5 тонны, оно станет самым большим вторичным зеркалом, когда-либо использовавшимся в оптическом телескопе, и самым большим выпуклым зеркалом, когда-либо произведенным. В январе 2017 года, как и третичное зеркало, вторичное зеркало будет установлено на 32 точки, 14 по краям и 18 на задней стороне. Вся конструкция будет установлена на шестиножке, что позволит выравнивать его положение с субмикрометрической точностью каждые несколько минут. Деформации вторичного зеркала оказывают гораздо меньшее влияние на конечное изображение по сравнению с ошибками на третичном, четвертичном или пятеричном зеркалах. По состоянию на июль 2023 года третичное зеркало было отлито и находится в процессе полировки. Деформируемое зеркало станет самым большим адаптивным зеркалом, когда-либо созданным, и состоит из шести составных лепестков, систем управления и катушечных приводов. Искажение изображения, вызванное турбулентностью атмосферы Земли, может быть скорректировано в реальном времени, а также деформации, вызванные ветром на главном телескопе. Система адаптивной оптики ELT обеспечит улучшение разрешения примерно в 500 раз по сравнению с лучшими условиями видимости, достигнутыми на данный момент без адаптивной оптики. В партнерстве с INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica) в качестве субподрядчиков, они отвечают за проектирование и изготовление четвертичного зеркала. Шесть лепестков были отлиты компанией Schott в Германии и отполированы компанией Safran Reosc. По состоянию на июль 2023 года все 6 лепестков завершены и находятся в процессе интеграции в их опорную конструкцию. К началу 2024 года шесть составных лепестков были изготовлены и подвергаются пайке в единый блок. Это самый большой купол, когда-либо построенный для телескопа. Общая масса купола составит около 6100 тонн, а общая движущаяся масса монтажа телескопа и трубной конструкции – около 2800 тонн. Для наблюдательного проема изучались два основных варианта: один с двумя наборами вложенных дверей и текущий базовый вариант – одна пара больших раздвижных дверей. Ширина этой пары дверей составляет 45,3 м. ESO подписала контракт на его строительство вместе с основной структурой телескопов с итальянским консорциумом ACe, состоящим из Astaldi и Cimolai и назначенным субподрядчиком – итальянской группой EIE. Церемония подписания состоялась 25 мая 2016 года в штаб-квартире ESO в Гарчинге близ Мюнхена, Германия. Купол должен обеспечить необходимую защиту телескопа от неблагоприятных погодных условий и в дневное время. Было оценено несколько концепций купола. Базовая концепция купола ELT класса 40 м – это почти полусферический купол, вращающийся на бетонном пирсе с изогнутыми боковыми дверями. Это повторная оптимизация предыдущего проекта, направленная на снижение затрат, и она проходит повторную валидацию для готовности к строительству. Спустя год после подписания контракта и после церемонии закладки первого камня в мае 2017 года участок был передан компании ACe, что ознаменовало начало строительства основной структуры купола.

Астрономические характеристики

С точки зрения астрономической производительности, купол должен обеспечивать отслеживание области избегания зенита в пределах 1 градуса, а также возможность перевода на новую цель в течение 5 минут. Это требует, чтобы купол мог ускоряться и перемещаться с угловой скоростью 2 градуса в секунду (линейная скорость составляет приблизительно 5 км/ч). Конструкция купола должна обеспечивать телескопу полную свободу позиционирования как в открытом, так и в закрытом состоянии. Он также позволит проводить наблюдения от зенита до 20 градусов над горизонтом.

Переднее стекло

При таком большом отверстии купол ЭЛТ требует наличия ветрозащитного экрана для защиты зеркал телескопа (за исключением вторичного) от прямого воздействия ветра. Базовая конструкция ветрозащитного экрана минимизирует необходимый для него объем. Два сферических полотна, расположенные по обе стороны от наблюдательных люков, выдвигаются перед апертурой телескопа для ограничения потока ветра.

Вентиляция и кондиционирование воздуха

Конструкция купола обеспечивает достаточную вентиляцию, чтобы работа телескопа не ограничивалась искажениями, вызванными куполом. Для этого купол также оснащен жалюзи, а конструкция ветрозащитного экрана позволяет им эффективно выполнять свою функцию. Проводятся исследования с использованием вычислительной гидродинамики и испытания в аэродинамической трубе для изучения воздушных потоков внутри и вокруг купола, а также эффективности купола и ветрозащитного экрана в защите телескопа. Помимо обеспечения водонепроницаемости, важным требованием является и герметичность, поскольку она критически важна для минимизации нагрузки на систему кондиционирования. Кондиционирование купола необходимо не только для тепловой подготовки телескопа к ночным наблюдениям, но и для поддержания чистоты его оптики. Кондиционирование телескопа в течение дня имеет решающее значение, и текущие спецификации позволяют куполу охлаждать телескоп и внутреннее пространство на 10 °C за 12 часов.

Научные цели

ELT будет искать экзопланеты – планеты, обращающиеся вокруг других звезд. Это будет включать в себя не только открытие планет размером с Землю с помощью косвенных измерений колебательного движения звезд, возмущаемого обращающимися вокруг них планетами, но и прямое получение изображений более крупных планет и, возможно, даже характеристику их атмосфер. Телескоп попытается получить изображения экзопланет, подобных Земле. Исследуя самые далекие объекты, ELT предоставит ключи к пониманию формирования первых образовавшихся объектов: первичных звезд, первичных галактик и черных дыр, а также их взаимосвязей. Изучение экстремальных объектов, таких как черные дыры, выиграет от возможностей ELT для получения более глубоких знаний о зависящих от времени явлениях, связанных с различными процессами, происходящими вокруг компактных объектов. Телескоп будет оснащен несколькими научными приборами и сможет переключаться между ними в течение нескольких минут. Телескоп и купол также смогут менять положение на небе и начинать новые наблюдения в короткие сроки. Четыре прибора первого поколения будут доступны в момент первого света или вскоре после него, а еще два начнут работу позже. В процессе эксплуатации телескопа могут быть установлены и другие приборы. Первое поколение включает в себя четыре прибора: MICADO, HARMONI и METIS, а также адаптивную оптическую систему MORFEO. HARMONI: Монолитный оптический и ближний инфракрасный интегральный спектрограф высокого углового разрешения (HARMONI) будет основным рабочим инструментом телескопа для спектроскопии. METIS: Среднеинфракрасный изобразитель и спектрограф ELT (METIS) будет среднеинфракрасным изобразителем и спектрографом. MICADO: Multi AO (адаптивная оптика) камера для глубоких наблюдений (MICADO) станет первой специализированной камерой для получения изображений на ELT и будет работать в связке с многоконъюгатной адаптивной оптической системой для наблюдений ELT (MORFEO, ранее MAORY). Второе поколение приборов состоит из MOSAIC и ANDES. MOSAIC: Предлагаемый многообъектный спектрограф, который позволит астрономам проследить эволюцию галактик и распределение материи от ранних этапов после Большого взрыва до наших дней. ANDES (ранее HIRES): Спектрограф высокой дисперсии Эшель ArmazoNes будет использоваться для поиска признаков жизни на экзопланетах, подобных Земле, обнаружения первых звезд Вселенной, проверки возможных изменений фундаментальных физических констант и измерения ускорения расширения Вселенной.