6.2: Телескопи сьогодні

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78183

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

До кінця цього розділу ви зможете:

Визнайте найбільші телескопи видимого світла та інфрачервоного випромінювання, що працюють сьогодні
Обговоріть фактори, що стосуються вибору відповідного місця телескопа
Визначте техніку адаптивної оптики та опишіть вплив атмосфери на астрономічні спостереження

З часів Ньютона, коли розміри дзеркал в телескопах вимірювалися в дюймах, відображають телескопи зростали все більше. У 1948 році американські астрономи побудували телескоп з дзеркалом діаметром 5 метрів (200 дюймів) на горі Паломар в Південній Каліфорнії. Він залишався найбільшим телескопом видимого світла в світі протягом декількох десятиліть. Однак гіганти сьогодні мають первинні дзеркала (найбільші дзеркала в телескопі) діаметром від 8 до 10 метрів, і будуються більші (рис.\(\PageIndex{1}\)).

альт — Малюнок\(\PageIndex{1}\) Великий телескоп Дзеркало. На цьому зображенні показано одне з основних дзеркал Дуже великого телескопа Європейської Південної обсерваторії, названого Єпун, одразу після того, як він був відреставрований алюмінієм. Дзеркало трохи більше 8 метрів в діаметрі.

Сучасні телескопи видимого світла та інфрачервоного випромінювання

Десятиліття, починаючи з 1990 року, побачили, що будівництво телескопів по всьому світу зростало безпрецедентними темпами (Див. Таблицю\(\PageIndex{1}\), яка також містить веб-сайти для кожного телескопа, якщо ви хочете відвідати або дізнатися більше про них.) Технологічні досягнення нарешті дозволили побудувати телескопи значно більші за 5-метровий телескоп в Паломарі за розумною ціною. Нові технології також були розроблені, щоб добре працювати в інфрачервоних, а не тільки видимих, довжині хвиль.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Великі телескопи з видимим світлом та інфрачервоним світлом
Діафрагма (м)	Назва телескопа	Розташування	Статус	Веб-сайт
39	Європейський надзвичайно великий телескоп (E-ELT)	Серро-Армазонас, Чилі	Перше світло 2025 (за оцінками)	www.eso.org/наука/об'єкти/eelt
30	Тридцятиметровий телескоп (TMT)	Мауна-Кеа, HI	Перше світло 2025 (за оцінками)	www.tmt.org
24.5	Гігантський телескоп Магеллана (GMT)	Обсерваторія Лас-Кампанас, Чилі	Перше світло 2025 (за оцінками)	www.gmto.org
11,1 × 9,9	Південно-Африканський Великий Телескоп (SALT)	Sutherland, Південно-Африканська Республіка	2005	www.salt.ac.za
10.4	Гран-Телескоп Канарії (GTC)	Ла-Пальма, Канарські острови	Перше світло 2007	http://www.gtc.iac.es
10.0	Кек I і II (два телескопа)	Мауна-Кеа, HI	Завершено 1993—96	www.keckobservatory.org
9.1	Телескоп Хоббі-Еберлі (HET)	Маунт Локк, Техас	Завершено 1997	www.as.utexas.edu/макдональд/хет
8.4	Великий бінокулярний телескоп (LBT) (два телескопи)	Маунт Грем, AZ	Перше світло 2004	www.lbto.org
8.4	Великий синоптичний оглядовий телескоп (LSST)	Серро-Пахон, Чилі	Перше світло 2021	www.lsst.org
8.3	Телескоп Субару	Мауна-Кеа, HI	Перше світло 1998	www.naoj.org
8.2	Дуже великий телескоп (VLT)	Серро-Паранал, Чилі	Всі чотири телескопи завершено 2000	www.eso.org/громадські/телерадіо/paranal
8.1	Близнюки Північ і Близнюки Південь	Мауна-Кеа, HI (Північ) та Серро-Пахон, Чилі (Південь)	Перше світло 1999 (Північ), Перше світло 2000 (Південь)	www.геміні.edu
6.5	Магелланові телескопи (два телескопи: Бааде і Лендон Клей)	Лас-Кампанас, Чилі	Перше світло 2000 і 2002	Obs.CarnegiScience.edu/Магеллан
6.5	Мульти-дзеркальний телескоп (MMT)	Маунт Хопкінс, Аризона	Завершено 1979	www.mmto.org
6.0	Великий телескоп Альтазімут (БТА-6)	Гора Пастухов, Росія	Завершено 1976	W0.sao.ru/Документ/Телескопи/БТА
5.1	Хейл телескоп	Гора Паломар, Каліфорнія	Завершено 1948	www.astro.caltech.edu/Паломар/про/телескопи/hale.html

Відмінності між телескопом Паломар і сучасним телескопом Gemini North (для прикладу) легко побачити на малюнку\(\PageIndex{2}\). Телескоп Palomar являє собою масивну сталеву конструкцію, призначену для утримання 14,5-тонного первинного дзеркала діаметром 5 метрів. Скло має властивість провисати під власною вагою; отже, величезна сталева конструкція потрібна для утримання дзеркала. Дзеркало діаметром 8 метрів, розміром з телескоп Gemini North, якби воно було побудовано за тією ж технологією, що і телескоп Паломар, повинно було б важити щонайменше у вісім разів більше і вимагало б величезної сталевої конструкції для його підтримки.

8-метровий телескоп Gemini North зовні зовні схожий на напівлегку вагу, і дійсно так і є. Дзеркало має товщину лише близько 8 дюймів і важить 24,5 тонни, що менше, ніж дзеркало Palomar вдвічі більше, ніж дзеркало Palomar. Телескоп Gemini North був завершений приблизно через 50 років після телескопа Паломар. Інженери скористалися новими технологіями для побудови телескопа, який набагато легше за вагою щодо розмірів первинного дзеркала. Дзеркало Близнюків провисає, але за допомогою сучасних комп'ютерів можна вимірювати це провисання багато разів кожну секунду і застосовувати сили в 120 різних місцях до задньої частини дзеркала, щоб виправити провисання, процес, який називається активним керуванням. З 1990 року побудовано сімнадцять телескопів з дзеркалами діаметром 6,5 метрів і більше.

Двомісні 10-метрові телескопи Keck на Mauna Kea, які були першими з цих інструментів нової технології, використовують точне управління абсолютно новим способом. Замість одного первинного дзеркала діаметром 10 метрів кожен телескоп Keck досягає своєї більшої діафрагми, поєднуючи світло від 36 окремих шестикутних дзеркал, кожен шириною 1,8 метра (рис.\(\PageIndex{3}\)). Комп'ютерні приводи (двигуни) постійно регулюють ці 36 дзеркал так, щоб загальна відбивна поверхня діяла як єдине дзеркало з правильною формою для збору та фокусування світла на чітке зображення.

Дізнайтеся більше про обсерваторію Кека на Мауна-Кеа через цей кліп History Channel на телескопах та роботу, яку вони виконують.

На додаток до утримання дзеркала, сталева конструкція телескопа розроблена таким чином, що весь телескоп може бути швидко спрямований на будь-який об'єкт на небі. Оскільки Земля обертається, телескоп повинен мати моторизовану систему приводу, яка дуже плавно переміщує її зі сходу на захід з тією ж швидкістю, що Земля обертається із заходу на схід, тому він може продовжувати вказувати на спостережуваний об'єкт. Вся ця техніка повинна бути розміщена в куполі, щоб захистити телескоп від стихій. Купол має в ньому отвір, яке можна розташувати перед телескопом і переміщати разом з ним, щоб світло від спостережуваних об'єктів не блокувався.

Джордж Еллері Хейл: Майстер Телескопа Будівельник

Джордж Еллері Хейл (рис.\(\PageIndex{4}\)) був гігантом серед ранніх будівельників телескопів. Не один раз, а чотири рази він ініціював проекти, які привели до будівництва найбільшого в світі телескопа на той час. І він був майстром у перемозі над багатими благодійниками, щоб гарантувати будівництво цих нових інструментів.

Навчання та ранні дослідження Хейла були в сонячній фізиці. У 1892 році, у віці 24 років, він був названий доцентом кафедри астральної фізики і директором астрономічної обсерваторії при Чиказькому університеті. У той час найбільшим телескопом у світі був 36-дюймовий рефрактор в обсерваторії Ліка поблизу Сан-Хосе, штат Каліфорнія. Скориставшись існуючою скляною заготовкою для 40-дюймового телескопа, Хейл вирішив зібрати гроші на більший телескоп, ніж той, який у Ліка. Одним з потенційних донорів був Чарльз Йеркес, який, серед іншого, керував системою тролейбусів в Чикаго.

Хейл написав Йеркесу, заохочуючи його підтримати будівництво гігантського телескопа, сказавши, що «донор не міг мати більше міцного пам'ятника. Певно, що ім'я містера Ліка не було б майже настільки широко відомим сьогодні, якби не знаменита обсерваторія, створена в результаті його муніципалітету». Йеркес погодився, і новий телескоп був добудований в травні 1897 року; він залишається найбільшим рефрактором в світі (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Ще до завершення роботи рефрактора Yerkes Хейл не тільки мріяв побудувати ще більший телескоп, але й робив конкретні кроки для досягнення цієї мети. У 1890-х роках виникла велика суперечка щодо відносної якості заломлюючих і відбивних телескопів. Хейл зрозумів, що 40 дюймів близькі до максимально можливої діафрагми для заломлення телескопів. Якби були побудовані телескопи зі значно більшими отворами, вони повинні були б відображати телескопи.

Використовуючи кошти, позичені у власної сім'ї, Хейл взяв за мету сконструювати 60-дюймовий відбивач. Для сайту він залишив Середній Захід для набагато кращих умов на горі Вілсон - в той час, пік пустелі над невеликим містом Лос-Анджелеса. У 1904 році, у віці 36 років, Хейл отримав кошти від Фонду Карнегі на створення обсерваторії Маунт-Вілсон. 60-дюймове дзеркало було поміщено в його кріплення в грудні 1908 року.

Двома роками раніше, в 1906 році, Хейл вже звернувся до Джона Д. Хукера, який скоїв свій стан на апаратних і сталевих трубах, з пропозицією побудувати 100-дюймовий телескоп. Технологічні ризики були суттєвими. 60-дюймовий телескоп ще не був завершений, і корисність великих відбивачів для астрономії ще не була продемонстрована. Брат Джорджа Еллері Хейл назвав його «найбільшим азартним гравцем у світі». В черговий раз Хейл успішно отримав кошти, і 100-дюймовий телескоп був добудований в листопаді 1917 року. (Саме за допомогою цього телескопа Едвін Хаббл зміг встановити, що спіральні туманності були окремими островами зірок - або галактик - досить віддаленими від нашого Чумацького Шляху.)

Хейл не був через мрії. У 1926 році він написав статтю в журналі Harper's Magazine про наукову цінність ще більшого телескопа. Ця стаття потрапила до відома Фонду Рокфеллера, який виділив 6 мільйонів доларів на будівництво 200-дюймового телескопа. Хейл помер у 1938 році, але 200-дюймовий (5-метровий) телескоп на горі Паломар був присвячений 10 років потому і тепер названий на честь Хейла.

Вибір найкращих місць спостереження

Телескоп на зразок телескопа Близнюків або Кека коштує близько 100 мільйонів доларів на будівництво. Такі інвестиції вимагають, щоб телескоп був розміщений на найкращому місці. З кінця дев'ятнадцятого століття астрономи зрозуміли, що кращі місця обсерваторії знаходяться на горах, далеко від вогнів і забруднень міст. Хоча ряд міських обсерваторій залишається, особливо у великих містах Європи, вони стали адміністративними центрами або музеями. Справжня дія відбувається далеко, часто на пустельних горах або ізольованих вершин Атлантичного та Тихого океанів, де ми знаходимо житлові приміщення персоналу, комп'ютери, електронні та машинні магазини, і, звичайно, самі телескопи. Велика обсерваторія сьогодні вимагає допоміжного персоналу від 20 до 100 осіб на додаток до астрономів.

Продуктивність телескопа визначається не тільки розміром його дзеркала, але і його розташуванням. Атмосфера Землі, настільки життєво важлива для життя, створює проблеми для спостережного астронома. Принаймні чотирма способами наше повітря накладає обмеження на корисність телескопів:

Найбільш очевидним обмеженням є такі погодні умови, як хмари, вітер та дощ. На кращих ділянках погода ясна цілих 75% часу.
Навіть у ясну ніч атмосфера фільтрує певну кількість зоряного світла, особливо в інфрачервоному, де поглинання обумовлено насамперед водяною парою. Тому астрономи віддають перевагу сухим ділянкам, зазвичай зустрічаються на великих висотах.
Небо над телескопом має бути темним. Поруч з містами повітря розсіює відблиски від вогнів, створюючи освітлення, яке приховує найслабші зірки і обмежує відстані, які можна промацувати телескопами. (Астрономи називають цей ефект світловим забрудненням.) Обсерваторії найкраще розташовувати не менше 100 миль від найближчого великого міста.
Нарешті, повітря часто хиткий; світло, що проходить через це бурхливе повітря, порушується, що призводить до розмитих зоряних зображень. Астрономи називають ці ефекти «поганим баченням». Коли бачити погано, зображення небесних об'єктів спотворюються постійним скручуванням і вигином світлових променів турбулентним повітрям.

Тому найкращі місця обсерваторії високі, темні та сухі. Найбільші в світі телескопи знаходяться в таких віддалених гірських місцях, як Анди Чилі (рис.\(\PageIndex{6}\)), пустельні вершини Арізони, Канарські острови в Атлантичному океані та Мауна-Кеа на Гаваях, сплячий вулкан з висотою 13700 футів (4200 метрів).

Світлове забруднення є проблемою не тільки професійних астрономів, але і для всіх, хто хоче насолодитися красою нічного неба. Крім того, зараз дослідження показують, що це може порушити життєвий цикл тварин, з якими ми поділяємо міський та приміський ландшафт. А світло, що сяє в небо, призводить до непотрібних муніципальних витрат і використання викопного палива. Небайдужі люди створили організацію, Міжнародну асоціацію Темного Неба, сайт якої сповнений хорошої інформації. Громадянський науковий проект під назвою Globe at Night дозволяє вимірювати рівень освітленості у вашій громаді, підраховуючи зірки та порівнюючи його з іншими по всьому світу. І якщо ви зацікавитесь цією темою і хочете зробити документ для свого курсу астрономії або іншого курсу, поки ви навчаєтесь в коледжі, керівництво Темного нічного неба може вказати вам на різні ресурси на цю тему.

Роздільна здатність телескопа

Окрім того, що вони збирають якомога більше світла, астрономи також хочуть мати найчіткіші зображення. Дозвіл стосується точності деталізації, присутньої на зображенні: тобто найменших особливостей, які можна відрізнити. Астрономи завжди прагнуть з'ясувати більш детально в досліджуваних знімках, чи стежать вони за погодою на Юпітері або намагаються вдивлятися в бурхливе серце «людожерної галактики», яка нещодавно з'їла свого сусіда на обід.

Одним з факторів, що визначає, наскільки хорошим буде дозвіл, є розмір телескопа. Більші діафрагми дають чіткіші зображення. Однак до недавнього часу видиме світло та інфрачервоні телескопи на поверхні Землі не могли створювати зображення настільки різкі, як говорила теорія світла.

Проблема - як ми бачили раніше в цій главі - це турбулентна атмосфера нашої планети. Він містить багато дрібномасштабних крапельок або клітин газу, які варіюються в розмірі від дюймів до декількох футів. Кожна клітина має трохи відмінну температуру від свого сусіда, і кожна клітина діє як лінза, згинаючи (заломлюючи) шлях світла на невелику кількість. Цей вигин трохи змінює положення, де кожен світловий промінь нарешті досягає детектора в телескопі. Клітини повітря знаходяться в русі, постійно продуваючись по світловому шляху телескопа вітрами, часто в різні боки на різних висотах. В результаті шлях, яким слідує світло, постійно змінюється.

Для аналогії подумайте про перегляд параду з вікна високо в хмарочосі. Ви вирішили кинути кілька конфетті вниз до маршовиків. Навіть якщо ви скинете жменю все одночасно і в одному напрямку, повітряні потоки будуть кидати шматочки навколо, і вони будуть досягати землі в різних місцях. Як ми описували раніше, ми можемо думати про світло від зірок як ряд паралельних променів, кожен пробивається через атмосферу. Кожен шлях буде трохи іншим, і кожен досягне детектора телескопа в дещо іншому місці. Результатом є розмитість зображення, і оскільки клітини продуваються вітром, характер розмиття буде змінюватися багато разів щосекунди. Ви, напевно, помічали цей ефект як «мерехтіння» зірок, побачених з Землі. Світлові промені зігнуті досить, щоб частина часу вони досягали вашого ока, і частина часу деякі з них пропускають, тим самим змушуючи зірку немов змінюватися по яскравості. Однак у космосі світло зірок стійкий.

Астрономи шукають у світі місця, де кількість атмосферного розмиття, або турбулентності, якомога менше. Виявляється, кращі місця знаходяться в прибережних гірських хребтах і на ізольованих вулканічних вершиках посеред океану. Повітря, яке протікало на великі відстані над водою, перш ніж зіткнутися з сушею, особливо стабільний.

Роздільна здатність зображення вимірюється в одиницях кута на небі, як правило, в одиницях кутових секунд. Одна дугова секунда становить 1/3600 градусів, а в повному колі є 360 градусів. Тож ми говоримо про крихітні кути на небі. Щоб дати вам відчуття того, наскільки крихітні, ми можемо відзначити, що 1 кутова секунда - це те, наскільки велика чверть виглядатиме, коли видно з відстані 5 кілометрів. Найкращі зображення, отримані з землі за допомогою традиційних методів, розкривають деталі лише кілька десятих дугової секунди поперек. Цей розмір зображення надзвичайно хороший. Однією з головних причин запуску космічного телескопа «Хаббл» було уникнути атмосфери Землі і отримати ще більш чіткі зображення.

Але оскільки ми не можемо поставити кожен телескоп у космос, астрономи розробили техніку, яка називається адаптивною оптикою, яка може перемогти атмосферу Землі у власній грі розмиття. Ця техніка (яка найбільш ефективна в інфрачервоній області спектра з нашою сучасною технологією) використовує невелике гнучке дзеркало, розміщене в промені телескопа. Датчик вимірює, наскільки атмосфера спотворювала зображення, і так часто, як 500 разів на секунду, він надсилає інструкції гнучкому дзеркалу про те, як змінити форму, щоб компенсувати спотворення, вироблені атмосферою. Таким чином, світло повертається до майже ідеально різкого фокусу на детекторі. Малюнок\(\PageIndex{7}\) показує, наскільки ефективна ця методика. За допомогою адаптивної оптики наземні телескопи можуть досягти роздільної здатності 0,1 кутової секунди або трохи краще в інфрачервоній області спектра. Ця вражаюча цифра є еквівалентом роздільної здатності, яку досягає космічний телескоп Хаббла в області видимого світла спектра.

як астрономи дійсно використовують телескопи

У популярному поданні (і деяких поганих фільмах) астроном проводить більшість ночей в холодній обсерваторії, вдивляючись через телескоп, але це не дуже точно сьогодні. Більшість астрономів живуть не в обсерваторіях, а поблизу університетів або лабораторій, де вони працюють. Астроном може витрачати лише тиждень або близько того щороку, спостерігаючи за телескопом, а решту часу вимірюючи або аналізуючи дані, отримані в результаті великих проектів співпраці та спеціальних опитувань. Багато астрономів використовують радіотелескопи для космічних експериментів, які працюють так само добре в денний час доби. Треті працюють над чисто теоретичними завданнями за допомогою суперкомп'ютерів і ніколи не спостерігають у телескопа будь-якого виду.

Навіть коли астрономи спостерігають за допомогою великих телескопів, вони рідко заглядають через них. Електронні детектори постійно записують дані для детального аналізу пізніше. У деяких обсерваторіях спостереження можуть проводитися віддалено, при цьому астроном сидить за комп'ютером за тисячі миль від телескопа.

Час на великих телескопах є преміальним, і директор обсерваторії, як правило, отримує набагато більше запитів на час телескопа, ніж може бути розміщений протягом року. Тому астрономи повинні написати переконливу пропозицію, пояснюючи, як вони хотіли б використовувати телескоп і чому їх спостереження будуть важливими для прогресу астрономії. Потім комітет астрономів просять судити і ранжувати пропозиції, а час призначається лише тим, хто має найбільші заслуги. Навіть якщо ваша пропозиція входить до числа високорейтингових, можливо, вам доведеться чекати багато місяців своєї черги. Якщо небо хмарне в ті ночі, які вам призначили, може пройти більше року, перш ніж ви отримаєте ще один шанс.

Деякі старші астрономи все ще пам'ятають довгі холодні ночі, проведені поодинці в куполі обсерваторії, з лише музикою з магнітофона або радіостанції на всю ніч для компанії. Вигляд зірок блискуче годину за годиною через відкриту щілину в куполі обсерваторії був незабутнім. Так, теж було полегшення, оскільки перший блідий світ світанку оголосив про закінчення 12-годинної сесії спостереження. Астрономія сьогодні набагато простіше, коли команди спостерігачів працюють разом, часто за комп'ютерами, в теплому приміщенні. Тим не менш, ті, хто більш ностальгічний, можуть стверджувати, що деякі романтики пішли з поля, теж.

Резюме

Нові технології створення і підтримки полегшених дзеркал привели до будівництва ряду великих телескопів з 1990 року. Місце для астрономічної обсерваторії необхідно ретельно вибирати для ясної погоди, темного неба, низької водяної пари та чудового атмосферного бачення (низька атмосферна турбулентність). Роздільна здатність видимого світла або інфрачервоного телескопа погіршується турбулентністю в атмосфері Землі. Техніка адаптивної оптики, однак, може вносити поправки на цю турбулентність в режимі реального часу і виробляти вишукано деталізовані зображення.

Глосарій

адаптивна оптика: системи, що використовуються з телескопами, які можуть компенсувати спотворення в зображенні, введеному атмосферою, що призводить до більш чітких зображень

резолюція: деталізація зображення; зокрема, найменші кутові (або лінійні) риси, які можна розрізнити

бачачи: нестійкість атмосфери Землі, яка розмиває телескопічні зображення; гарне бачення означає, що атмосфера стійка