Экстремально большой телескоп ELT - начало новой астрономической эпохи
Hi-Tech
Приближающиеся годы будут отмечены событиями, которые положат начало процессов строительства новой архитектуры космического будущего. Пожалуй, самые экстремальные события ожидаются в астрономии, которой пророчат вступление в эру “золотого века”.
Возможно, Илон Маск сдержит свои планы насчет первой пилотируемой миссии SpaceX на красную планету, что положит начало пути к долговременной колонизации и последующему терраформированию таких планет, как Марс.
Также планируемое компаниями Intel и Cray создание первого Exascale суперкомпьютера Aurora с производительностью порядка одного эксафлопса - миллиарду миллиардов (1018) операций над числами с плавающей точкой в секунду, откроет дорогу к построению супермашин, способных работать на принципах механики очень больших систем, по которым действует мозг человека. Такие “разумные машины” смогут в реальном режиме времени решать недостижимые ныне парадоксальные и одновременно бесконечно-размерные (например, размера Солнечной системы) задачи.
Только за последнее десятилетие произошли удивительные открытия, которые взволновали людей. Были обнаружены планеты вокруг Проксимы Центавра, ближайшей звезды к Солнцу. Получено первое изображение черной дыры. Значительное накопление знаний неизбежно ведет к разрешению важнейших вопросов, в том числе о жизнепригодности планет вокруг других звезд, существованию первых объектов во Вселенной, свойствах сверхмассивных черных дыр, природе и распределению темной материи и темной энергии, которые доминируют во Вселенной. И откроет этот “золотой астрономический век” шествие нового поколения экстремально больших телескопов.
Very Large Telescope – насколько большой телескоп?
Еще недавно, казалось, что название Very Large Telescope – “очень большой телескоп”, действительно отражает текущую ситуацию с предельными размерами телескопической оптики. В глубине чилийской Атакамской пустыни, с начала XXI века на благо науки служит созданный общими усилиями европейской науки и промышленности астрономический комплекс VLT, блестящее достижение человеческой мысли. На вершине срезанной горы Серро-Параналь расположены четыре футуристические прямоугольные башни, расставленные несимметрично, но в определённом порядке: три в линию, одна сбоку. Внутри каждой башни и находится гигантское «око Вселенной»: альтазимутальный рефлектор с главным зеркалом немногим более 8 м в диаметре. Но главная изюминка заключается в том, что все телескопы комплекса могут работать как поодиночке, так и в различных сочетаниях, вплоть до того, что все вместе могут составлять единый мегателескоп. Для этого в подземных туннелях проложены оптоволоконные каналы. С их помощью все потоки излучения, принимаемого каждым из телескопов, сводятся к одному приёмнику.
Когда все четыре оптических сигнала приходят на приёмник в одной и той же фазе, то возникает явление оптической интерферометрии, требующее уникальной точности настройки. Лишь в 2012 году удалось соединить все четыре основных телескопа в стабильный и согласованный режим интерферометра - так называемый VLTI. Этот режим позволяет астрономам видеть детали в 25 раз мельче, чем в отдельные телескопы. В результате VLT стал эквивалентен по угловому разрешению телескопу со сплошным зеркалом до 130 метров! Таким образом, четыре мощных аппарата работающие согласованно, способствовали тому, что круг доступных объектов значительно расширился, появилась возможность, например, исследовать молодые звезды, окруженные протопланетными облаками, из которых формируются планеты.
В 2018 году VLT помогла выполнить первый успешный тест общей теорией относительности Эйнштейна на движение звезды, проходящей через экстремальное гравитационное поле вблизи сверхмассивной черной дыры, в центре Млечного Пути. Такой эффект, называемый гравитационным красным смещением, когда очень сильное гравитационное поле черной дыры растягивает световые волны, испускаемые звездой, делает их более длинными, не согласуется с теорией Ньютона, но находятся в прекрасном соответствии с предсказаниями общей теории относительности Эйнштейна.
Этот долгожданный результат – высшее достижение продолжавшихся 26 лет наблюдений центра Галактики на телескопах Европейской Южной Обсерватории (ESO) в Чили.
Эра экстремально больших телескопов
Телескопы нынешнего 8-10-метрового класса подготовили почву для дальнейших увлекательных открытий. 20-е годы открывают эру экстремально больших наземных телескопов.
Из строящихся астрономических суперинструментов наибольшими размерами выделются североамериканского происхождения: 25-метровый телескоп «Магеллан», который также будет установлен в Чили, на горе Лас Кампанас, и 30-метровый телескоп (на его название, видимо, уже не хватило фантазии) на Гавайских островах, на вершине Мауна-Кеа.
Но наибольший экстрим вызывает проект Европейской Южной Обсерватории. На вершине горы Серро Армазонес, в 20 километрах от Параналя, ESO ведет строительство ELT (Extremely Large Telescope) – 39-метрового супертелескопа для оптического и ближнего ИК диапазонов, который станет «величайшим оком человечества, устремленным в небо». Такой гигант слишком велик, чтобы его можно было сделать из одного куска стекла, поэтому он будет состоять из 798 отдельных шестиугольных сегментов из алюмосиликатного стеклокерамического материала с низким тепловым расширением "Zerodur", каждый размером 1,4 метра в поперечнике и толщиной около 50 мм. Сегменты будут работать вместе как одно огромное зеркало. Первые шесть сегментов для главного зеркала ELT были успешно отлиты немецкой компанией SCHOTT на их объекте в Майнце. Первый свет этого телескопа запланирован на 2025 год.
ELT соберет в 100 000 000 раз больше свет, чем человеческий глаз, в 8 000 000 раз больше, чем телескоп Галилея, и 26 раз больше чем одиночный телескоп блока VLT. Фактически, ELT соберет больше света, чем все существующие телескопы нынешнего поколения 8-10-метрового класса, вместе взятые.
На русский язык обычно переводят это название как «чрезвычайно большой телескоп», хотя возможен вариант «экстремально большой телескоп» и другие переводы. На сайте обсерватории размещена галерея картинок, на которых башня ELT характерно сопоставляется с известными архитектурными колоссами. Купол ELT будет 100 метров в диаметре, размером с Колизей в Риме, но на вершине 3000-метровой горы.
Но самые главные чудеса ожидаются в научной сфере. “Золотой астрономический век” может дать ответы на волнующие вопросы.
Экзопланеты
Мы одни во Вселенной? На протяжении тысячелетий, этот вопрос не был поставлен или был чисто философский. В последнее время астрономия начала давать ответ. С помощью ELT, впервые в истории технология позволит наблюдать и характеризовать экзопланеты в обитаемых зонах.
ELT будет иметь разрешение, позволяющее проанализировать их атмосферы для обнаружения молекул - биомаркеров, которые могут указывать на присутствие жизни.
Напоминают ли атмосферы экзопланет аналоги в Солнечной системе? Как предбиотический материал, распределяется в протопланетных дисках? Есть ли признаки жизни на любой экзопланете?
Фундаментальная физика: законы природы универсальны?
Гравитацию и общую теорию относительности еще предстоит проверить в экстремальных условиях.
Удивительно быстрое расширение (инфляция) Вселенной после Большого Взрыва не понятна.
Темная материя по-видимому доминирует в формировании структур большого масштаба, но ее природа остается неизвестной.
Недавно обнаруженное ускорение расширения Вселенной зависит от загадочной темной энергии, которая еще менее понятна.
Были ли физические константы действительно постоянными за всю историю Вселенной? История расширения Вселенной действительно продолжается? Можем ли мы сделать вывод о природе темной энергии?
Черные дыры: какова их роль в формировании Вселенной?
Черные дыры озадачивают физиков и астрономов с тех пор, как математический гений Карла Шварцшильда, решая уравнения Эйнштейна, впервые предсказал их существование столетие назад. Наблюдения показали, что эти причудливые объекты действительно существуют. Они также, похоже, ”знают" о галактиках, в которых они живут, так как их свойства тесно взаимосвязаны с окружающей галактикой.
Сможет ли сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути лучше раскрыть природу нашего звездного дома? Связаны ли теории гравитации и общей теории относительности, как мы их знаем, вблизи горизонта событий черной дыры? Как растут сверхмассивные черные дыры? И какова их роль в формировании галактики?
Галактики: как формируются "островные вселенные"?
Даже ближайшие к нам гигантские галактики остались диффузными туманностями, их нельзя разложить на отдельные звезды. Уникально угловое разрешение E-ELT революционизирует эту область астрономии, позволив нам наблюдать отдельные звезды в галактиках на расстояниях десятки миллионов световых лет. Мы сможем сделать наблюдения за строением галактик и движением составляющих их звезд, которые ранее были возможны только для ближайших соседей во Вселенной: используя конечную скорость света, мы можем заглянуть назад во времени, чтобы увидеть как и когда были собраны галактики.
Из каких звезд состоят галактики? Сколько поколений звезд сменяется в галактике и когда они сформировались? Какова история звездообразования Вселенной? Когда и как появились галактики в тех формах, которые мы видим сегодня? Как галактики эволюционировали во времени?
“Темные века”: можем ли мы наблюдать самые ранние эпохи Вселенной?
ELT позволит ученым пройти через время назад к этим самым ранним временам (названным "Темные века Вселенной"), чтобы увидеть, как во время этой первой фазы развития Вселенной началась астрофизическая эволюция.
Первые галактики, возникшие из Темных веков, будут предварительно определены и с помощью ELT должны быть охарактеризованы и изучены.
Следует сказать, что исследования объектов «ранней Вселенной», галактик, видимых нами в эпоху, отстоящую от момента Большого взрыва на миллиард лет, уже активно ведутся еще на одном чудесном коллективном достижении науки и промышленности Европы, Северной Америки и Юго-Восточной Азии – интерферометрическом радиотелескопе ALMA (Atacama Large Millimeter/sub-millimeter Array). Этот ошеломительный по размеру массив телескопов на “марсианском” по суровости климата высокогорном плато в Атакаме состоит из пятидесяти четырёх 12-метровых и двенадцати 7-метровых параболических антенн, способных перемещаться и образовывать интерферометрические базы на участке поперечником в 16 км.
Недавние консультации научных сообществ ALMA и ELT выявили богатство синергии между этими объектами: ALMA увидит холодный молекулярный газ в далеких галактиках, а ELT покажет ионизированный газ. Синергия взаимодействия ALMA и ELT произведет революцию в нашем понимании звездообразования.
Также два мощнейших инструмента будут зондировать разные области в близлежащих протопланетных дисках, в идеале дополняя друг друга в изучении ранних фаз развития экзопланетных систем.
Еще более мощная синергия проявится при взаимодействии наземных и космических астрономических инструментов. Существующие или скоро запускаемые космические телескопы, такие как Хаббл – Джеймс Уэбб, Спитцер, Чандра, XMM-Newton, Гершель, Планк, CoRoT, Кеплер и Гайя уже будут работать несколько лет к тому времени, как ELT начнет деятельность. Эти миссии будут иметь большое значение для использования ELT. Например, CoRoT и Кеплер покажут близлежащие экзопланеты, что сделает их идеальными кандидатами для изучения атмосферы с помощью ELT. Гайя изучит миллиард звезд Млечного Пути в деталях, раскрывая редкие драгоценности, такие как первые звезды, которые могут быть дополнены высокоточной спектроскопией в ЭЛТ. Гершель, вместе с ALMA, выберет образец галактики в ранней Вселенной, в ожидании изучения и анализа на ELT. С помощью удивительной мощи ELT, станет возможным понять подробную физику объектов, обнаруженных этими космическими миссиями.
Кроме того, в предстоящем десятилетии ожидается огромный прогресс со стороны многих наземных обсерваторий. Несмотря на то, что ELT будет иметь более острое пространственное разрешение и высокую чувствительность, чем любая из них, общенаучная база знаний только выиграет из возможностей разных обсерваторий наблюдать на разных длинах волн или в более широкой области неба. Синергия между всеми этими инструментами позволит совершить самые удивительные открытия.
Этот скачок вперед в телескопостроении, связанный с такими возможностями, как беспрецедентное спектральное разрешение, новые способы изучения поляризованного света и новые уровни контрастности, позволяющие увидеть очень слабое рядом с очень ярким, означает, что мы откроем целую новую вселенную возможностей.
И так же, как Галилей был поражен, обнаружив горы на Луне и спутники, вращающиеся вокруг Юпитера, самые захватывающие открытия, которые принесет нам эра экстремально больших телескопов, вероятно, мы еще даже не можем себе представить.
Три события, которые с разной степенью вероятности могут совершиться в ближайшее десятитилетие – пилотируемый полет к Марсу, начало построения сверхточных численных моделей сложных систем на эксафлопных суперкомпьютерах и первый свет супертелескопов, укладываются в общую парадигму обретения космического будущего. Наша цивилизация движется в направлении “солнечного человечества”, способного решить неотвратимые задачи максимального освоения энергетических источников Земли и энергии, получаемой планетой от центральной звезды. Per Aspera Ad Astra.
Читайте также
Подпишись на рассылку
Комментарии (0)