Первые телескопы диаметром чуть более 20 мм и скромным увеличением менее 10x, появившиеся в начале XVII столетия, совершили настоящую революцию в знаниях об окружающем нас космосе. Сегодня астрономы готовятся ввести в строй гигантские оптические инструменты диаметром в тысячи раз больше.
TMT: как устроен телескоп диаметром 30 метров

26 мая 2015 года стало настоящим праздником для астрономов всего мира. В этот день губернатор штата Гавайи Дэвид Игей разрешил начать нулевой цикл строительства вблизи вершины потухшего вулкана Мауна-Кеа гигантского приборного комплекса, который через несколько лет станет одним из крупнейших оптических телескопов в мире.

Гиганты на арене

Новый телескоп получил название Тридцатиметровый телескоп (Thirty Meter Telescope, TMT), поскольку его апертура (диаметр) составит 30 м. Если все пойдет по плану, TMT увидит первый свет в 2022 году, а спустя еще год начнутся регулярные наблюдения. Сооружение будет действительно исполинским — высотой 56 и шириной 66 м. Главное зеркало будет составлено из 492 шестиугольных сегментов общей площадью 664 м². По этому показателю TMT на 80% превзойдет Гигантский Магелланов телескоп (Giant Magellan Telescope, GMT) с апертурой 24,5 м, который в 2021 году вступит в строй в чилийской обсерватории Лас-Кампанас, принадлежащей Институту Карнеги.

Однако мировым чемпионом TMT пробудет недолго. На 2024 год запланировано открытие Чрезвычайно большого европейского телескопа (European Extremely Large Telescope, E-ELT) с рекордным диаметром 39,3 м, который станет флагманским инструментом Европейской южной обсерватории (ESO). Его сооружение уже началось на трехкилометровой высоте на горе Серро-Армазонес в чилийской пустыне Атакама. Главное зеркало этого исполина, составленное из 798 сегментов, будет собирать свет с площади 978 м².

Эта великолепная триада составит группу оптических супертелескопов нового поколения, у которых долго не будет конкурентов.

Анатомия супертелескопов

Оптическая схема TMT восходит к системе, которую сотню лет назад независимо предложили американский астроном Джордж Виллис Ричи и француз Анри Кретьен. В основе ее лежит комбинация из главного вогнутого зеркала и соосного с ним выпуклого зеркала меньшего диаметра, причем оба они имеют форму гиперболоида вращения. Лучи, отраженные от вторичного зеркала, направляются в отверстие в центре основного рефлектора и фокусируются позади него. Использование второго зеркала в этой позиции делает телескоп более компактным и увеличивает его фокусное расстояние. Эта конструкция реализована во многих действующих телескопах, в частности в крупнейшем на настоящий момент Gran Telescopio Canarias с главным зеркалом диаметром 10,4 м, в десятиметровых телескопах-близнецах гавайской Обсерватории Кека и в четверке 8,2-метровых телескопов обсерватории Серро-Параналь, принадлежащей ESO.

Оптическая система E-ELT также содержит вогнутое главное зеркало и выпуклое вторичное, но при этом имеет ряд уникальных особенностей. Она состоит из пяти зеркал, причем главное из них представляет собой не гиперболоид, как у TMT, а эллипсоид.

GMT сконструирован совершенно иначе. Его главное зеркало состоит из семи одинаковых монолитных зеркал диаметром 8,4 м (шесть составляют кольцо, седьмое находится в центре). Вторичное зеркало — не выпуклый гиперболоид, как в схеме Ричи-Кретьена, а вогнутый эллипсоид, расположенный перед фокусом основного зеркала. В середине XVII века такую конфигурацию предложил шотландский математик Джеймс Грегори, а на практике впервые воплотил Роберт Гук в 1673 году. По грегорианской схеме построены Большой бинокулярный телескоп (Large Binocular Telescope, LBT) в международной обсерватории на горе Грэм в штате Аризона (оба его «глаза» оснащены такими же главными зеркалами, как и зеркала GMT) и два одинаковых Магеллановых телескопа с апертурой 6,5 м, которые с начала 2000-х годов работают в обсерватории Лас-Кампанас.

Сила — в приборах

Любой телескоп сам по себе — просто очень большая зрительная труба. Для превращения в астрономическую обсерваторию его необходимо снабдить высокочувствительными спектрографами и видеокамерами.

TMT, который рассчитан на срок службы более чем в 50 лет, в первую очередь оснастят тремя измерительными инструментами, смонтированными на общей платформе — IRIS, IRMS и WFOS. IRIS (InfraRed Imaging Spectrometer) представляет собой комплекс из видеокамеры очень высокого разрешения, обеспечивающей обзор в поле 34 х 34 угловых секунды, и спектрометра инфракрасного излучения. IRMS — это многощелевой инфракрасный спектрометр, а WFOS — широкоугольный спектрометр, который может одновременно отслеживать до 200 объектов на площади не менее 25 квадратных угловых минут. В конструкции телескопа предусмотрено плоско-поворотное зеркало, направляющее свет на нужные в данный момент приборы, причем для переключения нужно меньше десяти минут. В дальнейшем телескоп оборудуют еще четырьмя спектрометрами и камерой для наблюдения экзопланет. Согласно нынешним планам, по одному дополнительному комплексу будет добавляться каждые два с половиной года. GMT и E-ELT также будут иметь чрезвычайно богатую приборную начинку.

Европейский гигант

Супертелескопы следующего десятилетия обойдутся недешево. Точная сумма пока неизвестна, но уже ясно, что их общая стоимость превысит $3 млрд. Что же эти исполинские инструменты дадут науке о Вселенной?

«E-ELT будет использован для астрономических наблюдений самых разных масштабов — от Солнечной системы до сверхдальнего космоса. И на каждой масштабной шкале от него ожидают исключительно богатой информации, значительную часть которой не могут выдать другие супертелескопы, — рассказал «Популярной механике» член научной команды европейского гиганта Йохан Лиске, который занимается внегалактической астрономией и обсервационной космологией. — На это есть две причины: во‑первых, E-ELT сможет собирать много больше света по сравнению со своими конкурентами, и во-вторых, его разрешающая способность будет гораздо выше. Возьмем, скажем, внесолнечные планеты. Их список быстро растет, к концу первой половины нынешнего года он содержал около 2000 названий. Сейчас главная задача состоит не в умножении числа открытых экзопланет, а в сборе конкретных данных об их природе. Именно этим и будет заниматься E-ELT. В частности, его спектроскопическая аппаратура позволит изучать атмосферы каменных землеподобных планет с полнотой и точностью, совершенно недоступной для ныне действующих телескопов. Эта исследовательская программа предусматривает поиск паров воды, кислорода и органических молекул, которые могут быть продуктами жизнедеятельности организмов земного типа. Нет сомнения, что E-ELT увеличит количество претендентов на роль обитаемых экзопланет».

Новый телескоп обещает и другие прорывы в астрономии, астрофизике и космологии. Как известно, существуют немалые основания для предположения, что Вселенная уже несколько миллиардов лет расширяется с ускорением, обусловленным темной энергией. Величину этого ускорения можно определить по изменениям в динамике красного смещения света далеких галактик. Согласно нынешним оценкам, этот сдвиг соответствует 10 см/с за десятилетие. Эта величина чрезвычайно мала для измерения с помощью ныне действующих телескопов, но для E-ELT такая задача вполне по силам. Его сверхчувствительные спектрографы позволят также получить более надежные данные для ответа на вопрос, постоянны ли фундаментальные физические константы или они меняются со временем.

E-ELT обещает подлинную революцию во внегалактической астрономии, которая занимается объектами, расположенными за пределами Млечного Пути. Нынешние телескопы позволяют наблюдать отдельные звезды в ближайших галактиках, но на больших дистанциях они пасуют. Европейский супертелескоп предоставит возможность увидеть самые яркие звезды в галактиках, отдаленных от Солнца на миллионы и десятки миллионов световых лет. С другой стороны, он будет способен принять свет и от самых ранних галактик, о которых еще практически ничего не известно. Он также сможет наблюдать за звездами вблизи сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики — не только измерять их скорости с точностью до 1 км/с, но и открывать неизвестные ныне звезды в непосредственной близости от дыры, где их орбитальные скорости приближаются к 10% скорости света. И это, как говорит Йохан Лиске, далеко не полный перечень уникальных возможностей телескопа.

Магелланов телескоп

Сооружает гигантский Магелланов телескоп интернациональный консорциум, объединяющий более десятка различных университетов и исследовательских институтов США, Австралии и Южной Кореи. Как объяснил «ПМ» профессор астрономии Аризонского университета и заместитель директора Стюартовской обсерватории Деннис Заритски, грегорианская оптика была выбрана по той причине, что она повышает качество изображений в широком поле зрения. Такая оптическая схема в последние годы хорошо зарекомендовала себя на нескольких оптических телескопах 6−8-метрового диапазона, а еще раньше ее применяли на крупных радиотелескопах.

Несмотря на то что по диаметру и, соответственно, площади светособирающей поверхности GMT уступает TMT и E-ELT, у него есть немало серьезных преимуществ. Его аппаратура сможет одновременно измерять спектры большого числа объектов, что чрезвычайно важно для обзорных наблюдений. Кроме того, оптика GMT обеспечивает очень высокую контрастность и возможность забраться далеко в инфракрасный диапазон. Диаметр его поля зрения, как и у TMT, составит 20 угловых минут.

По словам профессора Заритски, GMT займет достойное место в триаде будущих супертелескопов. Например, с его помощью можно будет получать информацию о темной материи — главном компоненте многих галактик. О ее распределении в пространстве можно судить по движению звезд. Однако большинство галактик, где она доминирует, содержат сравнительно мало звезд, к тому же довольно тусклых. Аппаратура GMT будет в состоянии отслеживать движения много большего числа таких звезд, чем приборы любого из ныне действующих телескопов. Поэтому GMT позволит точнее составить карту темной материи, и это, в свою очередь, даст возможность выбрать наиболее правдоподобную модель ее частиц. Такая перспектива приобретает особую ценность, если учесть, что до сих пор темную материю не удавалось ни обнаружить путем пассивного детектирования, ни получить на ускорителе. На GMT также будут выполнять и другие исследовательские программы: поиск экзопланет, включая планеты земного типа, наблюдение самых древних галактик и исследование межзвездного вещества.

Гавайский проект

«TMT — единственный из трех будущих супертелескопов, место для которого выбрано в Северном полушарии, — говорит член совета директоров гавайского проекта, профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Крус Майкл Болте. — Однако его смонтируют не очень далеко от экватора, на 19-м градусе северной широты. Поэтому он, как и прочие телескопы обсерватории Мауна-Кеа, сможет обозревать небосвод обоих полушарий, тем более что по части условий наблюдения эта обсерватория — одно из лучших мест на планете. Кроме того, TMT будет работать в связке с группой расположенных по соседству телескопов: двух 10-метровых близнецов Keck I и Keck II (которые можно считать прототипами TMT), а также 8-метровых Subaru и Gemini-North. Система Ричи-Кретьена вовсе не случайно задействована в конструкции многих крупных телескопов. Она обеспечивает хорошее поле зрения и весьма эффективно защищает и от сферической, и от коматической аберрации, искажающей изображения объектов, не лежащих на оптической оси телескопа. К тому же для TMT запланирована поистине великолепная адаптивная оптика. Понятно, что астрономы с полным основанием ожидают, что наблюдения на TMT принесут немало замечательных открытий».

По мнению профессора Болте, и TMT, и другие супертелескопы будут способствовать прогрессу астрономии и астрофизики прежде всего тем, что в очередной раз отодвинут границы известной науке Вселенной и в пространстве, и во времени. Еще 35−40 лет назад наблюдаемый космос в основном был ограничен объектами не старше 6 млрд лет. Сейчас удается надежно наблюдать галактики возрастом около 13 млрд лет, чей свет был испущен через 700 млн лет после Большого взрыва. Имеются кандидаты в галактики с возрастом 13,4 млрд лет, однако это пока не подтверждено. Можно ожидать, что приборы TMT смогут регистрировать источники света возрастом лишь чуть меньше (на 100 млн лет) самой Вселенной.

TMT предоставит астрономии и множество других возможностей. Результаты, которые будут на нем получены, позволят уточнить динамику химической эволюции Вселенной, лучше понять процессы формирования звезд и планет, углубить знания о структуре нашей Галактики и ее ближайших соседей и, в частности, о галактическом гало. Но главное в том, что TMT, так же как GMT и E-ELT, скорее всего, позволит исследователям ответить на вопросы фундаментальной важности, которые сейчас нельзя не только корректно сформулировать, но и даже вообразить. В этом, по мнению Майкла Болте, и состоит основная ценность проектов супертелескопов.

Оптика для супертелескопов

Фото
Три самых крупных телескопа первой половины XXI века будут использовать разные оптические схемы. TMT построен по схеме Ричи-Кретьена с вогнутым главным зеркалом и выпуклым вторичным (оба гиперболические). E-ELT имеет вогнутое главное зеркало (эллиптическое) и выпуклое вторичное (гиперболическое). GMT использует оптическую схему Грегори с вогнутыми зеркалами: главным (параболическим) и вторичным (эллиптическим).

Апертура (диаметр) нового телескопа составит 30 метров. Если все пойдет по плану, TMT впервые увидит свет звезд в 2022 году, а спустя еще год начнутся регулярные наблюдения.

Супертелескоп E-ELT обещает подлинную революцию во внегалактической астрономии, которая занимается объектами, расположенными за пределами Млечного Пути.

Любой телескоп сам по себе — просто очень большая зрительная труба. Для превращения в астрономическую обсерваторию его необходимо снабдить высокочувствительными спектрографами и видеокамерами.

На земле и в небесах

В октябре 2018 года планируется вывести в космос телескоп James Webb (JWST). Он будет работать только в оранжевой и красной зонах видимого спектра, но зато сможет вести наблюдения почти во всем среднем инфракрасном диапазоне вплоть до волн длиной 28 мкм (инфракрасные лучи с длинами волн свыше 20 мкм практически полностью поглощаются в нижнем слое атмосферы молекулами углекислого газа и воды, так что наземные телескопы их не замечают). Поскольку он будет защищен от тепловых помех земной атмосферы, его спектрометрические приборы будут гораздо чувствительнее наземных спектрографов. Однако диаметр его главного зеркала — 6,5 м, и поэтому благодаря адаптивной оптике угловое разрешение наземных телескопов будет в несколько раз выше. Так что, по словам Майкла Болте, наблюдения на JWST и на наземных супертелескопах будут идеально дополнять друг друга. Что касается перспектив 100-метрового телескопа, то профессор Болте весьма осторожен в оценках: «По моему мнению, в ближайшие 20−25 лет просто не удастся создать системы адаптивной оптики, способные эффективно работать в паре со стометровым зеркалом. Возможно, это произойдет где-то лет через сорок, во второй половине столетия».

Статья «Исполины смотрят в небо» опубликована в журнале «Популярная механика» (№10, Октябрь 2015).