Урок "Сучасні наземні й космічні телескопи"

Сучасні наземні й космічні телескопи

Телескоп — прилад для спостереження віддалених об'єктів. Термін «телескоп» також вживається для позначення астрономічних приладів для спостережень електромагнітних хвиль невидимих для людського ока (інфрачервоні, ультрафіолетові, рентгенівські, гамма- і радіотелескопи), а також для реєстрації відмінного від електромагнітного випромінювання (нейтринні та гравітаційні телескопи).

     Оптичні телескопи поділяються на два типи — рефрактори і рефлектори. Рефрактор — це прилад, у якому в якості об'єктива слугує лінза. У рефлекторі, на відміну від рефрактора, для концентрування електромагнітного випромінювання використовується дзеркало.

1. Телескоп БТА на Північному Кавказі

     БТА (абревіатура від рос. Большой Телескоп Азимутальный) — великий азимутальний телескоп із діаметром дзеркала 6 метрів. Споруджений 1975 року в СРСР, встановлений у Спеціальній астрофізичній обсерваторії на Північному Кавказі, неподалік станиці Зеленчуцька на висоті 2070 м, на плато поблизу гори Пастухова. Географічні координати: широта 43°39'12" і довгота 41°26'30".

     До того найбільшим був телескоп Хойла з діаметром дзеркала 5 м, що розташований у Паломарській обсерваторії (США).

     Головним конструктором телескопа був Баграт Костянтинович Іоаннісіані. У процесі проектування було вирішено застосувати азимутальне монтування телескопа (замість розповсюдженого тоді екваторіального) завдяки чому телескоп і отримав назву азимутальний. Як засвідчила подальша експлуатація, вибір такої схеми монтування виявився цілком виправданим. У подальшому обрана схема стала звичайною для всіх великих телескопів.

     Загалом у конструкції телескопа було застосовано цілу низку новацій. Загальна маса конструкції телескопа становить близько 850 тонн, а маса рухомої частини — близько 650 тонн. Головне дзеркало має діаметр 605 см. Його вага становить близько 42 тонн. Відбиваючу поверхню дзеркала виготовлено з алюмінію, яким дзеркало вкривають у вакуумній камері. Оскільки покриття потрібно поновлювати раз на декілька років, відповідну установку змонтовано безпосередньо в головному куполі обсерваторії.

     Для дзеркала телескопа було відлито три заготовки вагою 70 тонн кожна. Перша з них охолоджувалася протягом дев'яти місяців, але виявилося, що це надто «швидко», внаслідок чого заготовка тріснула.

     Другу заготовку охолоджували протягом двох років. Для обробки заготовки та надання їй відповідної форми було витрачено близько 7000 карат алмазів. Після доставки на телескоп другого дзеркала та його монтажу було виявлено дефекти.

     У серпні 1978 року до обсерваторії було доставлено нове дзеркало. Його алюмінували 1979 року та встановили на телескоп. 1985 року на головному дзеркалі було помічено плями. 1990 року зафіксовано їхній розвиток, проте нанесення нового алюмінєвого покриття дозволило їх приховати. 1995 року зафіксовано порушення полірованої поверхні, що вже не приховувалося нанесенням відбиваючого покриття. Аналіз проблеми виявив, що «винним» був технологічний процес алюмування дзеркала. Він передбачав обробку дзеркала азотною кислотою (для нейтралізації лужного розчину), тоді як особливе скло, з якого виготовлено дзеркало, дуже нестійке до дії кислот. Технологічний процес було скориговано, але відновлення полірованої поверхні на місці експлуатації виявилося невдалим. Дзеркало потребує переполіровки або заміни на ситалове.

2. Чилі. Європейська Південна обсерваторія побудувала телескоп Very Large Teleskope (VLT) –  комплекс із чотирьох окремих дзеркальних телескопів з апертурою 8,2 м кожен: Анту (Сонце), Куєн (Місяць), Меліпал (Південний Хрест) та Єпун (Венера), що працюють в оптичному діапазоні та утворюють величезний інтерферометр. ДВТ побудований та керується Європейською південною обсерваторією (ESO) на обсерваторії Паранал, що розташована на горі Серро Паранал (висота 2635 м над рівнем моря) в пустелі Атакама в північній частині Чилі. До складу інтерферометра входять також 4 допоміжних пересувних телескопи з апертурою 1,8 м. Працюючи разом у режимі інтерферометра телескопи можуть досягти кутової роздільної здатності в 1 кутову мілісекунду, що еквівалентно відстані між фарами авто, поміщеного на Місяць, при його спостереженні із Землі. Телескоп почав працювати у 1998 році.

3. Великий бінокулярний телескоп (англ. The Large Binocular Telescope (LBT)) – це високотехнологічне обладнання для сучасних астрономічних досліджень. Він представляє собою телескоп з двома велетенськими дзеркалами діаметром 8,4 метри. LBT розміщений на висоті 3190 метрів над рівнем моря на горі Грем в Аризоні. Змонтовані дзеркала на одній поверхні і одночасно наводяться на різні космічні об'єкти. За схожість з біноклем і дала назву телескопу.

     Великий бінокулярний телескоп – спільний проект: штат Аризона, Університет Аризони, Університет штату Аризона, Німеччина, Університет Нотр-Дам, Університет Міннесоти, Університет Вірджинії, Університет штату Огайо. Телескоп був побудований в жовтні 2004 року та побачив перше світло з єдиним на той час дзеркалом 12 жовтня 2005 року, яке дало змогу побачити NGC 891. Друге основне дзеркало було встановлене в січні 2006 року та стало до ладу в січні 2008 року.

Перші одержані зображення поєднали ультрафіолетовий та зелений колір та підкреслили масивні ділянки недавно сформованих гарячих зір. Друге зображення поєднало два темно-червоних кольори, щоб висунути на передній план більш гладкий розподіл старіших, холодніших зір. Третє зображення поєднало ультрафіолетове, зелене, глибоке червоне світло та показало структуру гарячих, прохолодних зірок у галактиці.

4. Великий телескоп Канарських островів (ісп. el Gran Telescopio de Canarias) — телескоп-рефлектор обсерваторії «Дель Рок де лос Мучачос» на Канарських островах (о.Пальма, м. Лас Пальмас) в Іспанії. Телескоп має дзеркало діаметром 10,4 м, котре складається з 36 шестикутних сегментів, і передову технологію спостереження за космічними тілами. Став до ладу 24 липня 2009 р. і на той час був найбільшим у світі. На церемонії були присутні король Іспанії Хуан Карлос I, міністр науки й інновацій Кристина Гармендіа, деякі інші керівники, а також представники наукових кіл.

     Перше представлення телескопа відбулося 14 липня 2007 року. На церемонії відкриття Великого канарського телескопа принц Астурії Філіп навів головне дзеркало пристрою на Полярну зорю. Принц Філіп ще у 2000 році заклав перший камінь у фундамент будівлі, в якій перебуває телескоп.

     Серед завдань телескопа — спостереження за найвіддаленішими тілами Всесвіту з високим ступенем візуальної густоти, вивчення чорних дір. При цьому скорочуються тимчасові витрати на спостереження, що стало можливим завдяки його величезним дзеркалам, які збирають багато світла.

     На створення цього телескопа, розташованого на висоті більше 2 тис. м витратили понад €104 млн, 90% з яких внесла Іспанія, а 10% — Мексика і США[1]. У його створенні взяло участь більше 1000 осіб і 100 компаній.

5.  Космічний телескоп ,,Габбл“

     Космічний телескоп «Габбл» (англ. Hubble Space Telescope, HST) — американський оптичний телескоп, розташований на навколоземній орбіті 1990 року. Спільний проект NASA і Європейського космічного агентства (ЄКА). Телескоп названо на честь Едвіна Габбла.

     Телескоп «Габбл» — унікальна багатоцільова орбітальна обсерваторія, найбільша серед запущених у космос у XX сторіччі. Є першим апаратом із серії «Великі обсерваторії». Попри невдалий початок роботи (телескоп було запущено на орбіту із дефектом головного дзеркала) зусиллями космічної експедиції дефект вдалося майже повністю компенсувати, що надало змогу наблизитися до розрахункових характеристик[1]. Подальші експедиції вдосконалили телескоп і за його допомогою здійснено багато важливих спостережень.

     Телескоп працює і може використовуватися до 2030—2040. Його наступник James Webb Space Telescope (JWST) запланований до запуску в травні 2020.

6. Телескопи серії ,,Великі обсерваторії“

     Гамма-обсерваторія «Комптон» (англ. Compton Gamma Ray Observatory, скор. CGRO) — космічна обсерваторія, що працювала на орбіті Землі з 1991 по 2000 рік і детектувала випромінювання в інтервалі від 20 кеВ до 30 ГеВ. Телескоп «Комптон» належав до програми НАСА «Великі оберваторії», запускався другим після телескопа «Хаббл». Обсерваторія складалася з 4 головних телескопів на одному кораблі, які спостерігають у рентгенівському та гамма-діапазонах, а також з різноманітних спеціалізованих приладів та детекторів. Він був виведений на низьку опорну орбіту висотою 450 км, щоб уникнути радіаційних поясів Ван-Аллена. На той час обсерваторія мала найбільше корисне астрофізичне навантаження (17 т).

     Обсерваторія названа на честь Артура Комптона, лауреата Нобелівської премії з фізики 1927 року, нагородженим за відкриття ефекту, названому його ім'ям. Телескоп «Комптон» виготовлений компанією TRW (зараз Нортроп Грумман Аерокосмічні Системи) та запущений на космічному човнику Атлантіс (місія STS-37) 5 квітня 1991 року, пропрацював до 4 червня 2000 року.  CGRO була міжнародним проектом, додаткові внески робили також Європейське космічне агентство та різноманітні університети.

     Космічна рентгенівська обсерваторія «Чандра» (англ. Chandra X-ray Observatory, космічний телескоп «Чандра») — космічна обсерваторія, запущена НАСА 23 липня 1999 (за допомогою шатла «Колумбія») для дослідження космосу у рентгенівському діапазоні. Названа на честь американського фізика та астрофізика індійського походження Чандрасекара, який викладав у університеті міста Чикаго з 1937 до своєї смерті 1995 року і був відомий, переважно, своїми роботами про білих карликів.

     Чандра — третя обсерваторія з чотирьох запущених НАСА наприкінці 20 початку 21 століття. Першою був телескоп Габбл, другою — Комптон, а четвертою — Спітцер.

     Обсерваторія була задумана та запропонована 1976 року Ріккардо Джакконі та Гарві Тананбаумом як розвиток обсерваторії HEAO-2 (Ейнштейн), яка запускалася тоді. 1992 року, зважаючи на зменшення фінансування, дизайн обсерваторії був значно змінений — було прибрано 4 з 12 запланованих рентгенівських дзеркал і 2 з 6 запланованих фокальних приладів.

     Злітна маса AXAF/Чандра становила 22 753 кг, що є абсолютним рекордом маси, коли-небудь виведеної в космос шатлами. Основну масу комплексу «Чандра» становила ракета, що дозволила вивести супутник на орбіту, апогей якої становить приблизно третину відстані до Місяця.

     Станція проектувалася на період роботи у 5 років, проте 4 вересня 2001 року в НАСА було прийнято рішення продовжити термін служби на 10 років, завдяки видатним результатами роботи.

     Космічний телескоп «Спітцер» (перша назва Space Infrared Telescope Facility, SIRTF), (англ. Spitzer; код обсерваторії «245») — космічний апарат наукового призначення, запущений НАСА 25 серпня 2003 року (за допомогою ракети «Дельта») і призначений для спостереження космосу в інфрачервоному діапазоні. Став четвертим і останнім апаратом із серії «Великі обсерваторії» (англ. Great Observatories).

     Саме в інфрачервоній (тепловій) області знаходиться максимум випромінювання слабосвітної речовини Всесвіту — тьмяних остиглих зірок, позасонячних планет і гігантських молекулярних хмар. Інфрачервоні промені поглинаються земною атмосферою і практично не потрапляють з космосу на поверхню, що робить неможливою їхню реєстрацію наземними телескопами. І навпаки, для інфрачервоних променів прозорі космічні пилові хмари, які приховують від нас багато цікавого, наприклад, галактичний центр.

    За існуючою в НАСА традицією, телескоп було перейменовано після вдалого випробування 18 грудня 2003 року. На відміну від попередніх випадків, ім'я для SIRTF було обране не науковцями, а внаслідок обговорення широкою громадськістю. В результаті телескоп було названо на честь Лаймана Спітцера (Lyman Spitzer), одного з найславетніших астрофізиків 20-го сторіччя.

     Космічний телескоп «Спітцер» вперше зафіксував достатньо світла від планет поза нашою сонячною системою, відомих як екзопланети, аби ідентифікувати молекули в їхніх атмосферах «Спітцер» зміг виділити спектри із слабкого світіння двох планет за допомогою прийому, відомого під назвою «вторинне затемнення». За цим методом — вперше використаному «Спітцером» в 2005 році, щоб безпосередньо виявити світло від екзопланети — за так званою прохідною планетою ведеться спостереження під час її проходження за своєю зіркою, коли вона тимчасово зникає з нашого земного поля зору. Вимірюючи перепад в інфрачервоному світлі, яке виникає, коли планета зникає, «Спітцер» може зафіксувати випромінювання, що йде саме від планети. Цей прийом працюватиме лише в інфрачервоному діапазони, в якому планета яскравіша, ніж у видимих хвилях, і чітко помітна поряд зі сліпучим сяйвом своєї зірки.

     Оскільки телескоп працює в інфрачервоному діапазоні, його температура має бути близька до абсолютного нуля, бо, якщо телескоп нагріється, його детектори вже не будуть працювати. Тому телескоп було обладнано контейнерами з рідким гелієм, який охолоджував телескоп майже до абсолютного нуля — 5,5°К. Запланований номінальний термін роботи дорівнював 2,5 рокам з можливим подовженням до п'яти чи трохи більше років, аж поки не вичерпається весь бортовий запас гелію. 8 травня 2009 року з'явилася інформація, що запаси рідкого гелію буде вичерпано 12 травня. Попри те, що 15 травня гелій таки скінчився і більшість приладів перестала працювати, два мікрохвильові модулі продовжують працювати з тією ж чутливістю, що й у кріогенному режимі.