Телескопи нового покоління: якою буде астрономія майбутнього

Переклад матеріалу, опублікованого у журналі “Вселенная, пространство, время”.

Уявіть собі відчуття дуже короткозорої людини, яка вперше одягає відповідні окуляри чи контактні лінзи. Вона буде у захваті від того, що побачить безліч нових дивовижних деталей довкілля. Схожі емоції відчують астрономи, коли отримають результати роботи телескопів нового покоління. 

У найближчі 5-6 років на Землі й у космосі запрацюють кілька таких інструментів. Людство витрачає на це колосальні гроші, розраховуючи отримати не менш масштабний ефект для науки і наших знань про Всесвіт. 

Серед головних завдань астрономії завжди були опис і пояснення структури нашого світу, його походження. Створення інструментів, які за своїми характеристиками перевершують все, що існувало досі у сфері телескопобудування – надзвичайно важливий крок в астрономічних дослідженнях.

Углиб Всесвіту

Що нам дають спостереження космічних об’єктів? Два основних тренди сучасної астрономії полягають у дослідженні екзопланет і віддалених галактик. У другому випадку необхідні справді великі телескопи. Від джерел світла, розташованих дуже далеко, до нас долітає надзвичайно мало фотонів, тому вони мають більш тьмяний вигляд, ніж небесні тіла порівнюваної світності, розташовані ближче. Щоб їх зареєструвати, необхідно довго накопичувати слабке світло, що йде від них. До того ж поверхня, яка його “ловить”, повинна мати якомога більшу площу. 

Враховуючи те, що електромагнітне випромінювання поширюється з обмеженою швидкістю, йому потрібен час, щоб досягнути до наших телескопів. Тож що далі від нас розташований об’єкт, то у більш глибокому минулому ми його спостерігаємо. Тому найвіддаленіші галактики разом з тим є і найдавнішими. Саме це і становить основний інтерес для астрономів – дізнатися, як формувалися перші зоряні системи, як вони змінювалися і, зрештою, як еволюціонував Всесвіт.

Hubble Extreme Deep Field – одне з найглибших зображень у видимому діапазоні. Джерело: esa.org

Hubble вже надав нам деякі цікаві відомості про це: саме йому належать зображення найвіддаленіших відомих галактик. На його світлинах добре помітно, що вони справді значно відрізняються від сучасних. Але можливості космічної обсерваторії, запущеної майже 30 років тому, істотно обмежені, і об’єкти, фото яких вона змогла зробити, відповідають епосі, віддаленої від Великого Вибуху на 400 мільйонів років. Це вже майже повноцінні сформовані галактики, хоч і менших розмірів, ніж сучасні.

Знаходити найбільш ранні галактики складно ще й тому, що вони віддалені від нас на колосальну відстань і до того ж за розмірами набагато менші навіть за карликові системи в наших найближчих околицях. Вони містять мільйони й десятки мільйонів зірок (порівняно з сотнями мільярдів у сучасних галактиках) і за своєю природою тьмяніші, ніж більш пізні. Саме тому для їхнього виявлення необхідні інструменти нового покоління, які вже отримали назву “надзвичайно великих телескопів”: їхньої потужності повинно вистачити, щоб вивчити більш ранню епоху еволюції Всесвіту – коли найперші галактичні структури тільки починали формуватися.

Зрозуміло, що просто детектувати об’єкти для цього недостатньо. Не так важливо отримати зображення найвіддаленіших галактик, як побачити різницю між ними – саме за такими відмінностями можна відстежити, коли в них починаються процеси формування зірок, коли самі галактики починають взаємодіяти між собою тощо. Для цього необхідно порівняти спектри різних галактик і їхніх частин.

Гігантський телескоп Магеллана введуть в експлуатацію 2024 року. Джерело: gmto.org

Оптичні гіганти

Говорячи про надзвичайно великі наземні телескопи, що перебувають у процесі будівництва, слід першим згадати Гігантський телескоп Магеллана (Giant Magellan Telescope, GMT), що споруджується в Чилі. Його поступове введення в експлуатацію почнеться в 2024 році. У фінальній конфігурації він буде складатися з семи 8,4-метрових монолітних дзеркал, шість з яких повинні оточувати центральне (осьове). Разом ці сегменти утворюють єдину оптичну поверхню з еквівалентним діаметром 24,5 метра.

Проти будівницва Тридцятиметрового телескопа протестують місцеві жителі. Джерело: bigislandvideonews.com

Значно більшим за розміром стане Тридцятиметровий телескоп (TMT). Його планують побудувати на острові Гаваї, де на обсерваторії Мауна-Кеа вже працюють два 9-метрові рефлектори Keck зі складними дзеркалами, однак будівництву постійно заважають протести місцевих жителів, які вважають, що священна для них вершина вулкана і так уже “перенасичена” штучними спорудами. Як зрозуміло з назви, загальний діаметр дзеркала цього телескопа, складеного з майже п’яти сотень прецизійно встановлених шестикутних сегментів, досягне 30 метрів. Очікується, що ТМТ буде вперше випробуваний 2027 року. 

Такий вигляд матиме найпотужніший телескоп – Extremely Large Telescope. Джерело: space.com

Але наймасштабніший проект розгорнуто 2014 року на плато Серро Армазонес в чилійських Андах, неподалік від знаменитого Дуже великого телескопа (VLT). Там Європейська південна обсерваторія веде будівництво Екстремально великого телескопа (Extremely Large Telescope, ELT). Саме він вже в 2025 році стане найпотужнішим оптичним інструментом у світі: діаметр його дзеркала становитиме 39 метрів, а збиральна поверхня перевищить сумарну площу всіх уже наявних рефлекторів розміром понад 8 метрів. Звичайно ж, таке величезне дзеркало не може бути цілісним – воно буде складатися з 798 шестикутних сегментів. Ще однією важливою частиною телескопа стане 4-метрове вторинне дзеркало – найбільший у світі опуклий відбивач з поверхнею, що підлаштовується. Спеціальна система п’єзоелементів, керована комп’ютером, реагуватиме на зміни хвильового фронту від об’єкта спостереження, спричинені неоднорідностями в земній атмосфері, і дозволить отримати зображення з високою роздільною здатністю, що за якістю перевершать знімки космічного телескопа Hubble.

Завдяки унікальним атмосферним умовам високогір’я чилійської пустелі ELT зможе проводити дослідження не тільки у видимому, а й у ближньому інфрачервоному діапазоні й трохи “зазирати” в ультрафіолетовий. Очікується, що цей прилад дозволить нам отримати знімки екзопланет (кілька з них вже вдалося сфотографувати за допомогою сучасних телескопів, проте поки це лише поодинокі випадки) і навіть безпосередньо реєструвати їхні спектри, що дають можливість визначити склад їхніх атмосфер, а отже, робити висновки про їхню потенційну придатність до життя. Йому будуть доступні об’єкти, у 100 мільйонів разів слабші, ніж ті, що бачить неозброєне око – зокрема й найбільш віддалені галактики, розташовані “на краю” видимого Всесвіту. 

Вчені сподіваються, що ELT зможе фотографувати землеподібні скелясті екзопланети, які поки що вдається виявити лише непрямими методами. Вважається, що його спектральної чутливості буде досить, щоб за кілька років спостережень безпосередньо виміряти прискорення розширення Всесвіту, а це дозволить уточнити його вік та інші характеристики. Звичайно ж, унікальний інструмент планують використовувати для вивчення не тільки “далекого космосу”, а й об’єктів Сонячної системи – великих і карликових планет, їхніх супутників, комет, астероїдів, крижаних тіл Пояса Койпера.

Телескоп буде працювати як невіддільна частина комплексу ESO. Експлуатаційні витрати в розмірі 50 мільйонів євро на рік повинні містити не тільки підвіз ресурсів та енергозабезпечення обсерваторії, а й підтримання її зв’язку зі штаб-квартирою в Ґархінгу (Німеччина), а також витрати на реінвестування для модернізації обладнання та на розробку нових приладів. 

Так ELT виглядатиме, порівняно з іншими масштабними телескопами. Джерело: eso.org

Вартість будівництва повної базової лінії ELT оцінюється в 1174 мільйони євро за цінами 2018 року. Сюди також додані заходи щодо забезпечення сейсмічної безпеки (Чилі є однією з найбільш сейсмічно активних зон планети). Тут використано багатий досвід спорудження VLT, були замовлені два дослідження для переоцінки критеріїв проектування, розглянуті трьома незалежними групами експертів. Додатково чотири незалежних підрядники розробили варіанти сейсмоізоляції телескопа і купола, що усувають можливість пошкодження їхньої конструкції навіть за досить потужних підземних поштовхів.

Вартість проекту на перший погляд здається високою (і вона, напевно, в процесі будівництва ще збільшиться), проте насправді це вп’ятеро менше, ніж уже витрачено на створення і підтримку експлуатації космічного телескопа Hubble, що має діаметр об’єктива лише 2,4 метра. До того ж частину цих коштів творці ELT сподіваються повернути – наприклад, шляхом продажу деяких використаних під час його будівництва інновацій, технологій і розробок. У майбутньому цей інструмент дозволить створити безліч нових робочих місць, зокрема у високотехнологічних галузях. Він відкриє прекрасні можливості для демонстрації досягнень європейської промисловості та конструкторських організацій. Тому до проекту вже долучилися 15 країн, зокрема одна неєвропейська (Бразилія). Участь Чилі полягає в наданні території під будівництво, інфраструктури, а також у правовому забезпеченні.

У світі радіохвиль

Радіоастрономія виникла на три століття пізніше, ніж оптична, і тому її прогрес видається навіть дивовижнішою. Зараз найпотужнішим антенним масивом планети є ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), що містить 12 семи- і 54 дванадцятиметрових рефлекторів із сумарною збиральною поверхнею 6570 квадратних метрів, які можуть рухатися по плато Чахнантор у чилійських Андах, утворюючи віртуальний телескоп з еквівалентним діаметром до 16 кілометрів. 

ALMA – найпотужніший антенний масив планети. Джерело: agenciasinc.es

Наступним кроком у створенні антенних комплексів стане SKA (Square Kilometer Array) – найбільший у світі радіоінтерферометр зі збиральною поверхнею в мільйон квадратних метрів. Еквівалентний діаметр цього радіотелескопа можна порівняти з радіусом Землі. Він буде використовувати тисячі рефлекторів і до мільйона низькочастотних антен, розміщених на території Південної Африки й Австралії. Зараз вони активно тестуються; старт спостережень запланований на 2020 рік, а вихід на повну потужність – до 2024 року. Така система дозволить спостерігати небо в радіодіапазоні з безпрецедентною деталізацією. І одне з найцікавіших завдань для цього інструменту – спробувати побачити темний, “дозоряний” Всесвіт. Йдеться про те, що за допомогою такого радіоінтерферометра можна порівняти молекули в міжзоряному та міжгалактичному середовищах, а згодом – детектувати атоми й молекули, наприклад, водню або вуглецю в галактиці ще до того, як вони увійдуть до складу зірок. Таким чином стане можливим спостереження фізики формування світил задовго до того, як почнуться, власне, процеси утворення зірок. 

До 2024 року Square Kilometer Array повністю запрацює. Джерело: skatelescope.org

Однак найбільш захопливі можливості пов’язані з тим, що ми зможемо простежити за народженням зірок не тільки в найближчих галактиках, але і в ранньому Всесвіті. Приблизно через 300 тисяч років після Великого Вибуху з елементарних частинок утворилися нейтральні атоми, і світло вперше змогло безперешкодно поширюватися у просторі. У цей період еволюції, названий “Темною епохою” (Dark Ages), Всесвіт був заповнений нейтральним воднем – “сировиною” для формування перших зореподібних об’єктів. Безпосередньо побачити цей процес не можна, однак якщо проаналізувати атомарний газ навколо зірки, можна помітити, що він іонізується: потужне ультрафіолетове випромінювання змушує електрони відриватися від атомів, і ті набувають заряду. За допомогою SKA вдасться детектувати такі зміни в навколозоряному газі та завдяки цьому “зловити” момент появи найперших зірок.

У перспективі SKA стане частиною ще більш масштабного віртуального телескопа, за еквівалентною апертурою майже рівного діаметру земної кулі. За роздільною здатністю в міліметровому діапазоні він перевершить усі інші астрономічні інструменти. Йдеться про EHT (Event Horizon Telescope), який зараз складається з восьми наземних радіотелескопів. Він створений в межах міжнародного співробітництва для отримання зображень околиць чорних дір. “Авторству” саме цього комплексу телескопів належить недавнє революційне фото структури в центрі галактики М87, віддаленої від нас на 55 мільйонів світлових років. Радіообсерваторії, синхронізовані в єдину мережу, розміщені в різних куточках земної кулі: на Гавайських островах, в Мексиці, в Аризоні і на іспанській Сьєрра-Неваді, в Антарктиді й чилійській пустелі Атакама – зокрема у спостереженнях брала участь уже згадана обсерваторія ALMA. Завдяки цьому вдалося досягти кутової роздільної здатності, яку можна порівняти з діаметром горизонту подій чорної діри (звідси і назва), що відкриває неймовірні перспективи для дослідження цих об’єктів.

Звісно, серед астрономічних проектів найближчого майбутнього є не лише наземні обсерваторії – нові високотехнологічні телескопи вирушать у космос, де їм не буде заважати земна атмосфера. Найбільшим з них стане телескоп Джеймса Вебба (JWST). 

Проте “сигнали”, що надходять до нас від небесних тіл, не обмежуються електромагнітним випромінюванням: порівняно нещодавно вчені отримали можливість досліджувати Всесвіт такими методами, про які наші предки, котрі жили сотні років тому, навіть не здогадувалися.

351 total views, 2 views today

Коментарі

Відповісти

Цей сайт використовує Akismet для зменшення спаму. Дізнайтеся, як обробляються ваші дані коментарів.