Чрезвычайно большой телескоп ( ELT ) — это строящаяся астрономическая обсерватория . [1] После завершения строительства это будет крупнейший в мире оптический и ближний инфракрасный чрезвычайно большой телескоп . Являясь частью агентства Европейской южной обсерватории (ESO), он расположен на вершине Серро Армазонес в пустыне Атакама на севере Чили .
Конструкция состоит из рефлекторного телескопа с сегментированным первичным зеркалом диаметром 39,3 метра (130 футов) и вторичным зеркалом диаметром 4,2 метра (14 футов). Телескоп оснащен адаптивной оптикой , шестью лазерными направляющими звездными блоками и различными крупномасштабными научными инструментами. [2] [3] Конструкция обсерватории будет собирать в 100 миллионов раз больше света, чем человеческий глаз, что эквивалентно примерно в 10 раз большему количеству света, чем самые большие оптические телескопы, существующие по состоянию на 2023 год, с возможностью коррекции атмосферных искажений. Он имеет примерно в 250 раз большую площадь сбора света, чем космический телескоп Хаббл , и, согласно спецификациям ELT, будет обеспечивать изображения в 16 раз более четкие, чем изображения с Хаббла. [4]
Первоначально проект назывался European Extremely Large Telescope ( E-ELT ), но в 2017 году название было сокращено. [5] ELT призван расширить астрофизические знания, позволяя проводить детальные исследования планет вокруг других звезд, первых галактик во Вселенной, сверхмассивных черных дыр, природы темного сектора Вселенной, а также обнаруживать воду и органические молекулы в протопланетных дисках вокруг других звезд. [6] Как и планировалось в 2011 году, строительство объекта должно было занять 11 лет, с 2014 по 2025 год. [7]
11 июня 2012 года Совет ESO одобрил планы программы ELT по началу строительных работ на месте телескопа, при этом строительство самого телескопа должно было состояться в ожидании окончательного соглашения с правительствами некоторых государств-членов. [8] Строительные работы на месте ELT начались в июне 2014 года . [9] К декабрю 2014 года ESO обеспечила более 90% от общего финансирования и разрешила начать строительство телескопа, которое, по оценкам, обойдется примерно в один миллиард евро на первом этапе строительства. [10] Первый камень телескопа был торжественно заложен 26 мая 2017 года, что ознаменовало начало строительства основной конструкции купола и телескопа. [11] [12] Телескоп прошел половину пути в своей разработке и строительстве в июле 2023 года, а ожидаемое завершение и первый свет были назначены на 2028 год. [13] [3]
26 апреля 2010 года Совет Европейской южной обсерватории (ESO) выбрал Серро Армазонес , Чили , в качестве базового места для запланированного ELT. [15] Другие места, которые обсуждались, включали Серро Макон, Сальта, в Аргентине; обсерваторию Роке де лос Мучачос , на Канарских островах; и места в Северной Африке, Марокко и Антарктиде. [16] [17]
Ранние проекты включали сегментированное первичное зеркало диаметром 42 метра (140 футов) и площадью около 1300 м 2 (14 000 кв. футов) с вторичным зеркалом диаметром 5,9 м (19 футов). Однако в 2011 году было выдвинуто предложение уменьшить общий размер на 13% до 978 м 2 , с диаметром первичного зеркала 39,3 м (130 футов) и вторичным зеркалом диаметром 4,2 м (14 футов). [2] Это сократило прогнозируемые затраты с 1,275 млрд до 1,055 млрд евро и должно позволить завершить телескоп раньше. Меньшее вторичное зеркало является особенно важным изменением; 4,2 м (14 футов) ставит его в рамки возможностей нескольких производителей, а более легкий блок зеркала позволяет избежать необходимости использования высокопрочных материалов в опоре вторичного зеркала. [18] : 15
.jpg/1280px-Drone_image_of_the_ELT_dome_construction_(dji-0680-gui).jpg)
Генеральный директор ESO прокомментировал в пресс-релизе 2011 года, что «с новым проектом E-ELT мы по-прежнему можем достичь смелых научных целей, а также гарантировать, что строительство может быть завершено всего за 10–11 лет». [19] Совет ESO одобрил пересмотренный базовый проект в июне 2011 года и ожидал одобрения предложения по строительству в декабре 2011 года. [19] Впоследствии финансирование было включено в бюджет 2012 года для начала первоначальных работ в начале 2012 года. [20] Проект получил предварительное одобрение в июне 2012 года. [8] ESO одобрила начало строительства в декабре 2014 года, при этом было обеспечено финансирование более 90% номинального бюджета. [10]
Фаза проектирования 5-зеркального анастигмата была полностью профинансирована из бюджета ESO. С изменениями в базовой конструкции в 2011 году (такими как уменьшение размера главного зеркала с 42 м до 39,3 м), в 2017 году стоимость строительства оценивалась в €1,15 млрд (включая инструменты первого поколения). [21] [22] В 2014 году начало эксплуатации было запланировано на 2024 год. [12] Фактическое строительство официально началось в начале 2017 года, [23] а технический первый свет запланирован на 2028 год. [13]
ESO сосредоточилась на текущем проекте после того, как технико-экономическое обоснование пришло к выводу, что предлагаемый диаметр 100 м (328 футов), Overwhelmingly Large Telescope , обойдется в 1,5 миллиарда евро (1 миллиард фунтов стерлингов) и будет слишком сложным. Как текущая технология изготовления, так и ограничения по дорожной перевозке ограничивают размер отдельных зеркал примерно 8 м (26 футов) за штуку. Следующими по величине телескопами, которые в настоящее время используются, являются телескопы Кека , Gran Telescopio Canarias и Southern African Large Telescope , каждый из которых использует небольшие шестиугольные зеркала, соединенные вместе, чтобы сделать составное зеркало чуть более 10 м (33 фута) в поперечнике. ELT использует похожую конструкцию, а также методы для обхода атмосферного искажения входящего света, известные как адаптивная оптика . [24]
Зеркало класса 40 метров позволит изучать атмосферы экзопланет . [25] ELT является наивысшим приоритетом в европейских плановых мероприятиях по исследовательским инфраструктурам, таким как Astronet Science Vision and Infrastructure Roadmap и ESFRI Roadmap. [26] Телескоп прошел исследование фазы B в 2014 году, которое включало «контракты с промышленностью на проектирование и изготовление прототипов ключевых элементов, таких как сегменты главного зеркала, адаптивное четвертое зеркало или механическая структура (...) [и] концептуальные исследования для восьми инструментов». [27]
ELT будет использовать новую конструкцию с пятью зеркалами. [28] Первые три зеркала изогнутые (несферические) и образуют трехзеркальную анастигматическую конструкцию для превосходного качества изображения в поле зрения размером 10 угловых минут (одна треть ширины полной Луны). Четвертое и пятое зеркала (почти) плоские и соответственно обеспечивают адаптивную оптическую коррекцию атмосферных искажений (зеркало 4) и коррекцию наклона для стабилизации изображения (зеркало 5). Четвертое и пятое зеркала также направляют свет вбок на одну из двух фокусных станций Несмита по обе стороны от конструкции телескопа, что позволяет одновременно устанавливать несколько крупных инструментов.
Главное зеркало диаметром 39 метров (128 футов) будет состоять из 798 шестиугольных сегментов, каждый из которых будет иметь ширину около 1,4 метра (4,6 фута) и толщину 50 мм (2,0 дюйма). [30] Два сегмента будут повторно покрываться и заменяться каждый рабочий день, чтобы зеркало всегда оставалось чистым и обладало высокой отражающей способностью.
Датчики края постоянно измеряют положение сегментов основного зеркала относительно их непосредственных соседей. 2394 привода положения (по 3 на каждый сегмент) используют эту информацию для регулировки системы, сохраняя общую форму поверхности неизменной против деформаций, вызванных внешними факторами, такими как ветер, гравитация, изменения температуры и вибрации. [31]
В январе 2017 года [32] ESO заключила контракт на изготовление 4608 датчиков края с консорциумом FAMES, в состав которого входят французская компания Fogale [33] и немецкая компания Micro-Epsilon. [34] Эти датчики могут измерять относительные положения с точностью до нескольких нанометров, что является самой высокой точностью, когда-либо использовавшейся в телескопе.
В мае 2017 года ESO заключила два дополнительных контракта. Один из них был заключен с немецкой компанией Schott AG , которая производит заготовки 798 сегментов, а также набор для обслуживания из 133 дополнительных сегментов. Этот набор для обслуживания позволяет снимать, заменять и повторно покрывать сегменты поочередно после ввода ELT в эксплуатацию. Зеркало отливается из той же керамики Zerodur с низким коэффициентом расширения , что и существующие зеркала Very Large Telescope в Чили.
Другой контракт был присужден французской компании Safran Reosc, [36] дочерней компании Safran Electronics & Defense . Они получают заготовки зеркал от Schott и полируют один сегмент зеркала в день, чтобы уложиться в 7-летний срок. В ходе этого процесса каждый сегмент полируется до тех пор, пока на его поверхности не останется неровностей, превышающих среднеквадратичное значение 7,5 нм . После этого Safran Reosc монтирует, тестирует и завершает все оптические испытания перед поставкой. Это второй по величине контракт на строительство ELT и третий по величине контракт, когда-либо подписанный ESO.
Системы поддержки сегментов для главного зеркала были разработаны и производятся CESA (Испания) [37] и VDL (Нидерланды). Контракты, подписанные с ESO, также включают поставку подробных и полных инструкций и инженерных чертежей для их производства. Кроме того, они включают разработку процедур, необходимых для интеграции опор с сегментами стекла ELT; для обработки и транспортировки узлов сегментов; и для их эксплуатации и обслуживания. [38]
По состоянию на июль 2023 года изготовлено более 70% заготовок сегментов зеркал и их опорных конструкций [3] , а к началу 2024 года отполированы десятки сегментов [39] .
Изготовление вторичного зеркала — это серьезная проблема, поскольку оно очень выпуклое и асферическое. Оно также очень большое: диаметром 4,2 метра (14 футов) и весом 3,5 тонны (7700 фунтов), это будет самое большое вторичное зеркало, когда-либо использовавшееся в оптическом телескопе, и самое большое выпуклое зеркало, когда-либо произведенное.
В январе 2017 года [32] ESO заключила контракт на заготовку зеркала с Schott AG , которая отлила его позднее в том же году из Zerodur . В мае 2017 года [41] Schott AG также заключила контракт на гораздо большую первичную часть зеркала.
Сложные опорные ячейки также необходимы для того, чтобы гарантировать, что гибкие вторичные и третичные зеркала сохранят свою правильную форму и положение; эти опорные ячейки будут предоставлены SENER . [42] Как и третичное зеркало, вторичное зеркало будет установлено на 32 точках, с 14 по краям и 18 на задней стороне. Вся сборка будет установлена на гексаподе, что позволит выравнивать его положение каждые несколько минут с точностью до микрометра. Деформации на вторичном зеркале оказывают гораздо меньшее влияние на конечное изображение по сравнению с ошибками на третичных, четверичных или пятеричных зеркалах. [43]
Предварительно сформированная стеклокерамическая заготовка вторичного зеркала полируется и тестируется компанией Safran Reosc. [44] [45] [3] Зеркало будет сформировано и отполировано с точностью до 15 нанометров (15 миллионных долей миллиметра) по оптической поверхности.
Сообщается, что к началу 2024 года это зеркало будет близко к окончательной точности. [39]
3,8-метровое (12 футов) вогнутое третичное зеркало, также отлитое из Зеродура, станет необычной особенностью телескопа. Большинство современных крупных телескопов, включая VLT и космический телескоп Хаббл NASA/ESA, используют два изогнутых зеркала для формирования изображения. В этих случаях иногда вводится небольшое плоское третичное зеркало, чтобы направить свет в удобный фокус. Однако в ELT третичное зеркало также имеет изогнутую поверхность, поскольку использование трех зеркал обеспечивает лучшее качество конечного изображения в большем поле зрения, чем это было бы возможно при двухзеркальной конструкции. [32]
Подобно вторичному зеркалу (с которым оно разделяет многие конструктивные характеристики), третичное зеркало будет слегка деформируемым, чтобы регулярно позволять корректировать отклонения. Оба зеркала будут установлены на 32 точках, 18 на их задней стороне и 14 по краям. [43]
По состоянию на июль 2023 года третье зеркало отлито и находится в стадии полировки. [3]
2,4-метровое (7,9 футов) четвертичное зеркало представляет собой плоское адаптивное зеркало толщиной 2 мм (0,08 дюйма). С помощью до 8000 приводов поверхность может перенастраиваться тысячу раз в секунду. [46] Деформируемое зеркало будет самым большим адаптивным зеркалом из когда-либо созданных, [47] и состоит из шести компонентных лепестков, систем управления и приводов звуковой катушки. Искажение изображения, вызванное турбулентностью земной атмосферы, может быть исправлено в реальном времени, так же как и деформации, вызванные ветром на главном телескопе. Адаптивная оптическая система ELT обеспечит улучшение разрешения примерно в 500 раз по сравнению с наилучшими условиями видимости, достигнутыми до сих пор без адаптивной оптики. [47]
Консорциум AdOptica [48] совместно с INAF (Национальный институт астрофизики) в качестве субподрядчиков отвечает за проектирование и изготовление четвертичного зеркала. [49] 6 лепестков были отлиты компанией Schott в Германии и отполированы компанией Safran Reosc. [50] [51]
По состоянию на июль 2023 года все шесть лепестков завершены и находятся в процессе интеграции в их опорную конструкцию. [3] Шесть лазерных источников для адаптивной оптической системы, которая будет работать рука об руку с четверичным зеркалом, также завершены и находятся на стадии испытаний.
Пятеричное зеркало размером 2,7 на 2,2 метра (8,9 на 7,2 фута) представляет собой наклонно-опорное зеркало, используемое для улучшения изображения с помощью адаптивной оптики . Зеркало будет включать в себя быструю систему наклона-опорного зеркала для стабилизации изображения, которая будет компенсировать возмущения, вызванные ветром, атмосферной турбулентностью и самим телескопом, прежде чем оно достигнет инструментов ELT. [52]
По состоянию на начало 2024 года шесть лепестков-компонентов были изготовлены и спаяны в единое целое. [39]
Купол ELT будет иметь высоту около 74 метров (243 фута) от земли и диаметр 86 метров (282 фута), [53] что сделает его самым большим куполом, когда-либо построенным для телескопа. Купол будет иметь общую массу около 6100 тонн (13 400 000 фунтов), а крепление телескопа и конструкция трубы будут иметь общую движущуюся массу около 2800 тонн (6 200 000 фунтов).
Для наблюдательной щели изучались два основных дизайна: один с двумя наборами вложенных дверей и текущий базовый дизайн, т. е. одна пара больших раздвижных дверей. Общая ширина этой пары дверей составляет 45,3 метра (149 футов).
ESO подписала контракт на его строительство [54] вместе с основной конструкцией телескопов с итальянским консорциумом ACe, состоящим из Astaldi и Cimolai [55] и назначенным субподрядчиком, итальянской EIE Group. [56] Церемония подписания состоялась 25 мая 2016 года [57] в штаб-квартире ESO в Гархинге-бай-Мюнхене, Германия.
Купол должен обеспечить необходимую защиту телескопа в ненастную погоду и в течение дня. Было оценено несколько концепций купола. Базовая концепция купола ELT класса 40 метров представляет собой почти полусферический купол, вращающийся на бетонном пирсе, с изогнутыми боковыми дверями. Это повторная оптимизация предыдущего проекта, направленная на снижение затрат, и она проходит повторную проверку, чтобы быть готовой к строительству. [58]
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 конструкции купола.
С точки зрения астрономических характеристик купол должен иметь возможность отслеживать около 1-градусного зенитного локуса избегания, а также предварительно настраиваться на новую цель в течение 5 минут. Для этого требуется, чтобы купол мог ускоряться и двигаться с угловой скоростью 2 градуса/с (линейная скорость составляет приблизительно 5 км/ч или 4,6 фута/с). [59]
Купол спроектирован так, чтобы предоставить телескопу полную свободу, чтобы он мог позиционироваться независимо от того, открыт он или закрыт. Он также позволит вести наблюдения от зенита до 20 градусов от горизонта.
При таком большом отверстии купол ELT требует наличия ветрозащитного экрана для защиты зеркал телескопа (кроме вторичного) от прямого воздействия ветра. Базовая конструкция ветрозащитного экрана минимизирует объем, необходимый для его размещения. Две сферические лопасти, по обе стороны от щелевых дверок наблюдения, скользят перед апертурой телескопа, чтобы ограничить ветер.
Конструкция купола обеспечивает достаточную вентиляцию, чтобы телескоп не ограничивался обзором через купол . Для этого купол также оснащен жалюзи, а ветрозащитный экран спроектирован так, чтобы они могли выполнять свою функцию.
Проводятся расчетные гидродинамические моделирования и исследования в аэродинамической трубе для изучения воздушного потока внутри и вокруг купола, а также эффективности купола и ветрового экрана для защиты телескопа.
Помимо водонепроницаемости, одним из требований является также герметичность, поскольку она критически важна для минимизации нагрузки на кондиционирование воздуха. Кондиционирование воздуха в куполе необходимо не только для термической подготовки телескопа к предстоящей ночи, но и для поддержания чистоты оптики телескопа.
Кондиционирование воздуха в телескопе в течение дня имеет решающее значение, и текущие технические характеристики позволяют куполу охлаждать телескоп и внутренний объем на 10 °C (18 °F) в течение 12 часов.
ELT будет искать экзопланеты — планеты, вращающиеся вокруг других звезд. Это будет включать не только открытие планет вплоть до масс, подобных Земле, посредством косвенных измерений колебательного движения звезд, возмущенных планетами, вращающимися вокруг них, но и прямое получение изображений более крупных планет и, возможно, даже характеристику их атмосфер. [60] Телескоп попытается получить изображения экзопланет, подобных Земле . [2]
Кроме того, набор инструментов ELT позволит астрономам исследовать самые ранние стадии формирования планетных систем и обнаруживать воду и органические молекулы в протопланетных дисках вокруг звезд в процессе становления. Таким образом, ELT ответит на фундаментальные вопросы, касающиеся формирования и эволюции планет. [6]
Исследуя самые отдаленные объекты, ELT предоставит ключи к пониманию формирования первых объектов, которые сформировались: первичных звезд, первичных галактик и черных дыр и их взаимосвязей. Исследования экстремальных объектов, таких как черные дыры, выиграют от мощности ELT, чтобы получить больше информации о зависящих от времени явлениях, связанных с различными процессами, происходящими вокруг компактных объектов. [60]
ELT предназначен для детального изучения первых галактик. Наблюдения за этими ранними галактиками с помощью ELT дадут подсказки, которые помогут понять, как эти объекты формируются и развиваются. Кроме того, ELT станет уникальным инструментом для составления перечня изменяющегося содержания различных элементов во Вселенной с течением времени и для понимания истории звездообразования в галактиках. [61]
Одной из целей ELT является возможность прямого измерения ускорения расширения Вселенной. Такое измерение оказало бы большое влияние на наше понимание Вселенной. ELT также будет искать возможные изменения фундаментальных физических констант со временем. Однозначное обнаружение таких изменений имело бы далеко идущие последствия для нашего понимания общих законов физики. [61]
Телескоп будет иметь несколько научных инструментов и сможет переключаться с одного инструмента на другой в течение нескольких минут. Телескоп и купол также смогут менять положение на небе и начинать новое наблюдение в течение короткого времени.
Четыре из его инструментов, первого поколения, будут доступны с первыми лучами солнца или вскоре после них, а два других начнут работу позже. В течение его работы могут быть установлены другие инструменты. [63]
Первое поколение включает четыре прибора: MICADO, HARMONI и METIS, а также систему адаптивной оптики MORFEO.
Второе поколение инструментов состоит из MOSAIC и ANDES.
Одним из крупнейших оптических телескопов , работающих сегодня, является Gran Telescopio Canarias с апертурой 10,4 метра (34 фута) и площадью сбора света 74 м 2 (800 кв. футов). Другие запланированные чрезвычайно большие телескопы включают Гигантский Магелланов телескоп с диаметром зеркала 25 м (82 фута) и площадью 368 м 2 (3960 кв. футов) и Тридцатиметровый телескоп с диаметром 30 м (98 футов) и площадью 655 м 2 (7050 кв. футов). Оба они также нацелены на вторую половину десятилетия 2020 года для завершения. Эти два других телескопа примерно относятся к одному и тому же следующему поколению оптических наземных телескопов. [70] [71] Каждая конструкция намного больше предыдущих телескопов. [2]
Размер ELT был уменьшен по сравнению с его первоначальным проектом. Даже с этим уменьшением ELT значительно больше, чем оба других запланированных чрезвычайно больших телескопа. [2] Его цель — наблюдение за Вселенной с большей детализацией, чем у космического телескопа Хаббл, путем получения изображений в 15 раз более четких, хотя он разработан как дополнение к космическим телескопам, которые обычно имеют очень ограниченное время наблюдения. [25] Вторичное зеркало ELT диаметром 4,2 метра имеет тот же размер, что и главное зеркало телескопа Уильяма Гершеля , второго по величине оптического телескопа в Европе.
ELT в идеальных условиях имеет угловое разрешение 0,005 угловой секунды , что соответствует разделению двух источников света на 1 а.е. на расстоянии 200 пк (650 световых лет) или двух источников света на расстоянии 30 см (12 дюймов) на расстоянии примерно 12 000 км (7 500 миль). При 0,03 угловых секунд контраст, как ожидается, составит 10 8 , что достаточно для поиска экзопланет. [74] Невооруженный человеческий глаз имеет угловое разрешение 1 угловую минуту, что соответствует разделению двух источников света на 30 см на расстоянии 1 км. [ необходима цитата ]
