Гигантский Магелланов телескоп ( Giant Magellan или GMT ) — это 25,4-метровый наземный чрезвычайно большой телескоп , строящийся в обсерватории Лас-Кампанас в чилийской пустыне Атакама . Ввод в эксплуатацию ожидается в начале 2030-х годов. [1] [2] [3] [4] После завершения строительства Гигантский Магеллан станет крупнейшим григорианским телескопом , когда-либо построенным, для наблюдения в оптическом и среднем инфракрасном (320–25 000 нм [5] ) свете. Телескоп использует семь крупнейших в мире зеркал, образующих площадь сбора света площадью 368 квадратных метров. [6] [7]
Ожидается, что Гигантский Магелланов телескоп будет иметь разрешающую способность в 10 раз больше, чем у космического телескопа Хаббла, и в четыре раза больше, чем у космического телескопа Джеймса Уэбба , хотя он не сможет получать изображения в тех же инфракрасных частотах, которые доступны телескопам в космосе. Ученые будут использовать Гигантский Магеллан для изучения практически всех аспектов астрофизики — от поиска признаков жизни на далеких экзопланетах до исследования космического происхождения химических элементов. [8] [9] [10] [11] Гигантский Магелланов телескоп начал отливать свои главные зеркала в 2005 году и приступил к строительству площадки в 2015 году. По состоянию на 2023 год все семь главных зеркал были отлиты, это первое из семи адаптивных вторичных зеркал. зеркала и изготовление монтировки телескопа. Остальные подсистемы телескопа находятся на завершающей стадии проектирования. [12] [13] [14]
Телескоп стоимостью 2 миллиарда долларов США является работой корпорации GMTO, международного консорциума исследовательских институтов, представляющих семь стран: Австралию, Бразилию, Чили, Израиль, Южную Корею, Тайвань и США. [15]
Местоположение телескопа — обсерватория Лас Кампанас , [16] которая также является местом расположения Магеллановых телескопов , примерно в 115 км (71 милях) к северо-северо-востоку от Ла-Серены, Чили , и в 180 км (112 миль) к югу от Копьяпо, Чили. , на высоте 2516 м (8255 футов). [17] [18] Это место принадлежит Научному институту Карнеги с 1960 года. Это место было выбрано в качестве местоположения телескопа из-за его выдающихся астрономических возможностей и ясной погоды в течение большей части года. [19] Более того, из-за редкости населенных пунктов и других благоприятных географических условий ночное небо в большей части окружающей пустыни Атакама не только свободно от атмосферного загрязнения , но, кроме того, вероятно, является одним из мест, наименее затронутых световое загрязнение , что делает этот район одним из лучших мест на Земле для долгосрочных астрономических наблюдений. Расположение в южном полушарии обеспечивает доступ к галактическому центру Млечного Пути, ближайшей сверхмассивной черной дыре (близость к Стрельцу А*), ближайшей к нашему Солнцу звезде ( Проксима Центавра ), Магеллановым облакам и многим ближайшим галактикам и экзопланеты. [9] [10]
Григорианская конструкция Гигантского Магелланова телескопа обеспечит максимально возможное разрешение изображения Вселенной в самом широком поле зрения, используя всего лишь две светособирающие поверхности, что делает его наиболее оптически совершенным из всех чрезвычайно больших телескопов 30-метрового класса. [20]
Подготовка площадки началась с первого взрыва, сравнявшего вершину горы 23 марта 2012 года. [21] В ноябре 2015 года на площадке началось строительство с церемонией закладки первого камня. В январе 2018 года WSP получила контракт на управление строительством Гигантского Магелланова телескопа. [22]
Отливка первого зеркала во вращающейся печи была завершена 3 ноября 2005 года. [23] [24] Третий сегмент был отлит в августе 2013 года, [13] [25] четвертый — в сентябре 2015 года, [26] пятый в 2017 году, [27] шестой в 2021 году, [11] и последний в 2023 году. [14]
Полировка первого зеркала завершилась в ноябре 2012 года. [28]
В декабре 2021 года компания Ingersoll Machine Tools завершила строительство завода по производству монтировки гигантского Магелланова телескопа в Рокфорде, штат Иллинойс. По состоянию на 2022 год строительство монтировки телескопа продолжается. Ожидается, что конструкция будет доставлена в Чили в конце 2025 года. [29] [30]
Корпус гигантского Магелланова телескопа представляет собой конструкцию высотой 65 метров, которая защищает зеркала и компоненты телескопа от экстремальных погодных условий и землетрясений в пустыне Атакама, Чили. Корпус массой 4800 тонн может совершить полный оборот чуть более чем за три минуты и оснащен системой принудительной конвекции замкнутого цикла для поддержания теплового равновесия внутри корпуса телескопа и уменьшения температурных градиентов окружающей среды на поверхности главного зеркала. [31]
Конструкция корпуса обеспечивает опору телескопа системой сейсмической изоляции, которая может выдержать самые сильные землетрясения, ожидаемые за 50-летний период существования обсерватории, и позволит телескопу быстро вернуться к работе после более частых, но менее интенсивных сейсмических событий, испытывал несколько раз в месяц. [31]
В марте 2022 года инженерно-архитектурная фирма IDOM получила контракт на завершение проектирования корпуса телескопа к 2024 году. [32]
Конструкция крепления телескопа представляет собой альт-азимутальную конструкцию высотой 39 метров и будет стоять на пирсе диаметром 22 метра. Без зеркал и приборов конструкция будет весить 1800 тонн. С зеркалами и приборами он будет весить 2100 тонн. Эта конструкция будет плавать на масляной пленке (толщиной 50 микрон), поддерживаемая рядом гидростатических подшипников, позволяющих монтировке телескопа скользить без трения в трех степенях свободы. [33]
В октябре 2019 года корпорация GMTO объявила о подписании контракта с немецкой компанией MT Mechatronics (дочерней компанией OHB SE) и Ingersoll Machine Tools из Иллинойса на проектирование, строительство и установку конструкции Гигантского Магелланова телескопа. Ingersoll Machine Tools завершила строительство завода площадью 40 000 квадратных футов для производства монтировки гигантского Магелланова телескопа в Рокфорде, штат Иллинойс, в декабре 2021 года. По состоянию на 2022 год строительство монтировки телескопа продолжается и, как ожидается, будет завершено в 2025 году. [33]
Крепление телескопа состоит из семи «ячеек», которые удерживают и защищают 18-тонные главные зеркала телескопа. Система поддержки зеркал не имеет традиционной внутренней несущей рамы. Вместо этого сила исходит из его уникальной формы и внешней оболочки. Это позволяет монтировке телескопа иметь компактную и легкую конструкцию для своего размера. Это также делает телескоп чрезвычайно жестким и устойчивым, поэтому он может противостоять перебоям в качестве изображения из-за ветра и механических вибраций. [33]
Система поддержки главного зеркала «ячейка» содержит «активную оптику» с пневматическими приводами, которые толкают заднюю часть главных зеркал, чтобы корректировать влияние гравитации и изменений температуры на семь главных зеркал диаметром 8,4 метра. [34] Кроме того, четырнадцать вентиляционных установок, использующих охлаждение на основе CO2 – первая система такого типа, используемая для телескопов – установлены внутри системы поддержки зеркала для циркуляции воздуха. [35]
Система принудительной конвекции замкнутого цикла используется для поддержания теплового равновесия внутри корпуса телескопа и уменьшения температурных градиентов на поверхности главного зеркала. [35]
В качестве предшественника изготовления семи систем поддержки зеркал также был построен полномасштабный прототип для проверки проектных решений и демонстрации производительности. [33]
В апреле 2023 года OHB Italia SpA завершила производство и испытания первой из семи крышек зеркал для Giant Magellan. Всего за две минуты крышки синхронно уберутся, чтобы защитить самые большие в мире зеркала, когда они не используются. [36]
Телескоп будет использовать семь крупнейших в мире зеркал в качестве сегментов главного зеркала, каждое диаметром 8,417 м (27,61 фута). Затем эти сегменты будут расположены так, чтобы одно зеркало было в центре, а остальные шесть располагались симметрично вокруг него. Проблема заключается в том, что шесть внешних сегментов зеркала будут вне оси и, хотя и идентичны друг другу, не будут индивидуально радиально симметричны, что потребует изменения обычных процедур полировки и испытаний. [37]
Зеркала создаются Зеркальной лабораторией Стюардской обсерватории Ричарда Ф. Кэриса при Университете Аризоны . [38]
Для литья каждого зеркала используется 20 тонн боросиликатного стекла Е6 японской корпорации Ohara и занимает около 12–13 недель. [39] После отливки им необходимо остывать около шести месяцев. [13] На отливку и полировку каждого из них уходит примерно 4 года, в результате чего получается настолько гладкая поверхность, что самые высокие выступы и впадины составляют менее 1/1000 ширины человеческого волоса. [13]
Поскольку это был внеосевой сегмент, для полировки зеркала пришлось разработать широкий спектр новых оптических тестов и лабораторной инфраструктуры.
Цель состоит в том, чтобы изготовить семь одинаковых внеосевых зеркал, чтобы иметься запасное для замены сегмента, на который наносится повторное покрытие, - процесс продолжительностью 1–2 недели (на каждый сегмент) требуется каждые 1–2 года. [40] Хотя весь телескоп будет использовать семь зеркал, планируется начать работу с четырьмя зеркалами. [13]
Сегменты 1-3 завершены. Сегменты 4-6 проходят доводку и тестирование. Кастинг 7-го сегмента планируется провести в 2023 году. [13]
Массив главных зеркал будет иметь фокусное соотношение (фокусное расстояние, разделенное на диаметр) f/0,71. Для отдельного сегмента — одной трети этого диаметра — это дает фокусное расстояние f/2,14. [25] Общее фокусное соотношение всего телескопа будет f/8, а оптическая рецептура — апланатический григорианский телескоп . Как и все современные большие телескопы, он будет использовать адаптивную оптику . [41] [42]
Ученые ожидают получения изображений очень высокого качества благодаря очень большой апертуре и усовершенствованной адаптивной оптике. Качество изображения проецируется при поле зрения 20 угловых минут, корректируемое в диапазоне 0–20 угловых минут. Изображения будут достаточно четкими, чтобы различить факел, выгравированный на десятицентовой монете, на расстоянии почти 160 километров (100 миль) и, как ожидается, превысит изображение космического телескопа Хаббла . [43]
На стоянке офиса Обсерватории Карнеги в Пасадене нарисован контур главного зеркала Гигантского Магеллана. Это легко видно на спутниковых снимках на координатах 34 ° 09'21 "N 118 ° 08'00" W / 34,15591 ° N 118,13345 ° W / 34,15591; -118,13345 (Контурный рисунок Гигантского Магелланова телескопа) . [44]
Адаптивное вторичное зеркало Гигантского Магелланова телескопа состоит из семи сегментов диаметром около 1,1 метра. Это деформируемые зеркала с «адаптивной оптикой», задача которых корректировать атмосферные искажения света, собираемого телескопом. Адаптивные вторичные зеркала состоят из тонкого листа стекла, прикрепленного к более чем 7000 независимо управляемых приводов звуковой катушки. Каждый сегмент может деформировать/изменять свою поверхность толщиной 2 миллиметра 2000 раз в секунду, чтобы исправить эффект оптического размытия атмосферы Земли. [8]
Первый сегмент находится в стадии строительства по состоянию на август 2022 года и будет завершен в 2024 году. [8]
Гигантский Магелланов телескоп будет иметь три режима адаптивной оптики.
Гигантский Магеллан — единственный телескоп 30-метрового класса с адаптивной оптикой наземного слоя по всему полю зрения. [45]
Григорианская конструкция Гигантского Магелланова телескопа может вместить до 10 научных инструментов в видимом и среднем инфракрасном диапазоне: от широкоугольных изображений и спектрографов, которые одновременно достигают сотен объектов, до изображений и спектрографов высокого разрешения, которые могут изучать экзопланеты и даже находить биосигнатуры . Каждый научный инструмент предназначен для использования четырех режимов наблюдения телескопа.
Телескоп будет оснащен усовершенствованной волоконно-оптической системой, в которой используются крошечные роботизированные позиционеры, которые расширят возможности спектрографов, позволяя им получать доступ к самому высокому разрешению среди всех телескопов 30-метрового класса при полном поле зрения в 20 угловых минут. Используя эту систему, можно наблюдать несколько целей по всему полю с помощью одного или нескольких спектрографов. Это позволяет телескопу видеть более слабые объекты с непревзойденным разрешением и чувствительностью. Это преимущество чрезвычайно важно для спектроскопии и точных измерений расстояний, динамики, химического состава и масс небесных объектов в глубоком космосе.
Кроме того, камера ввода в эксплуатацию (ComCam) будет использоваться для проверки работоспособности адаптивной оптики наземного уровня системы адаптивной оптики объекта GMT. [51]
Научные стимулы для Гигантского Магелланова телескопа включают изучение планет в обитаемых зонах их родительской звезды в поисках жизни; природа темной материи, темной энергии, гравитации и многих других аспектов фундаментальной физики; образование и эволюция первых звезд и галактик; и как черные дыры и галактики эволюционируют совместно. [52]
Гигантский Магелланов телескоп — один из нового класса телескопов, называемых чрезвычайно большими телескопами, каждая из которых намного больше существующих наземных телескопов. [53] Другие планируемые чрезвычайно большие телескопы включают Чрезвычайно Большой Телескоп и Тридцатиметровый Телескоп . [54]
Гигантский Магелланов телескоп — это работа корпорации GMTO, международного консорциума исследовательских институтов, представляющих семь стран: Австралии, Бразилии, Чили, Израиля, Южной Кореи, Тайваня и США. [9] [57] Корпорация GMTO является некоммерческой организацией 501(c)(3) с офисами в Пасадене, Калифорния, и Сантьяго, Чили. Организация имеет налаженные отношения с правительством Чили и была признана президентским указом «международной организацией» в Чили. Телескоп работает в соответствии с соглашением о сотрудничестве с Чилийским университетом, предоставляя 10% времени наблюдений астрономам, работающим в чилийских учреждениях. [58] [8] Следующие организации являются членами консорциума по разработке телескопа. [59]
Гигантский Магелланов телескоп является частью Программы чрезвычайно больших телескопов США (US-ELTP) с 2018 года. US-ELTP предоставит американским астрономам финансируемый NSF доступ к наблюдениям за всем небом как к Гигантскому Магелланову телескопу, так и к Тридцатиметровому телескопу. Программа была оценена как высший наземный приоритет в Десятилетнем обзоре Национальной академии наук Astro2020 , в котором отмечалось, что US-ELTP предоставит «возможности наблюдения, не имеющие аналогов в космосе или на земле, и откроет огромное пространство открытий для новых наблюдений и открытий, еще ожидаемо». [60]
Пока гости осматривали помещения, лаборатория сотрудники использовали обе наши полировальные машины в текущих проектах, включая этот вид окончательной полировки на первом сегменте GMT.
У центрального сегмента и ячейки не будет запасного, поэтому наблюдения будут прерываться каждые один или два года на 1–2 недели, необходимые для повторного покрытия этого зеркала.
GMT с самого начала разрабатывался вокруг адаптивной оптики (AO) с целью создания изображений с ограниченной дифракцией на 1 мкм и более длинные волны.