Огромный, 25-метровый Гигантский Магелланов телескоп (ГМТ) не только откроет новую эру наземной астрономии, но и получит первые, самые современные изображения Вселенной, на которых звёзды будут выглядеть именно такими, какие они есть, без дифракционных лучей
При разглядывании величайших изображений Вселенной у нас включается память и воображение. Мы можем рассмотреть планеты Солнечной системы с удивительной детализацией, галактики, расположенные в миллионах или даже миллиардах световых лет от нас, туманности, где рождаются новые звёзды, и звёздные останки, имеющие жутковатый, фаталистический вид нашего космического прошлого и будущего нашей Солнечной системы. Но самые распространённые объекты на этих фотографиях – это звёзды, имеющиеся везде и во всех направлениях, куда бы мы ни посмотрели, как в нашем Млечном Пути, так и за его пределами. И на всех изображениях, от наземных телескопов до Хаббла, у звёзд почти всегда видны лучи: это артефакт изображения, присущий конструкции телескопов. Мы готовимся к появлению следующего поколения телескопов, и среди них выделяется 25-метровый Гигантский Магелланов телескоп (ГМТ): у него единственного не будет этих дифракционных лучей.
Компактная Группа Хиксона 31, снятая Хабблом – красивое «созвездие» галактик, но на передний план выходят несколько звёзд из нашей собственной Галактики, выделяющихся дифракционными лучами. Этих лучей не будет только при использовании ГМТ.
Телескоп можно сделать по-разному; в принципе, необходимо лишь собирать и фокусировать свет Вселенной на одной плоскости. Ранние телескопы строились по типу рефракторов, когда входящий свет проходит через большую линзу и фокусируется на одной точке, из которой его можно перенаправить в глаз, на фотопластинку или (что более современно) на цифровую матрицу. Но возможности рефракторов фундаментально ограничены физическим размером линзы нужного качества. Такие телескопы не превышают и метра в диаметре. Поскольку качество изображения определяется диаметром апертуры, как в разрешении, так и в светосиле, рефракторы вышли из моды более 100 лет назад.
Телескопы-рефлекторы давно заменили рефракторы, а размер доступного для создания зеркала серьёзно превышает тот, который доступен для линзы сходного качества
Но другая схема – телескоп-рефлектор – может быть гораздо мощнее. Зеркало с хорошо отражающей поверхностью подходящей формы может фокусировать входящий свет на одной точке, а размер зеркала, которое можно отлить и отполировать, очень сильно превышает размер максимальной линзы. Крупнейшие однозеркальные телескопы рефлекторы могут достигать целых 8 метров в диаметре, а сегментация зеркал может достигать и ещё больших размеров. В настоящее время крупнейшим в мире является Большой Канарский телескоп диаметра 10,4 м, но в ближайшее десятилетие этот рекорд побьют два (а возможно, и три) телескопа: 25-метровый ГМТ и 39-метровый Европейский чрезвычайно большой телескоп, ELT.
Сравнительный размер зеркал различных существующих и проектируемых телескопов. Когда запустят ГМТ, он станет крупнейшим в мире, первым оптическим телескопом диаметра 25 м в истории, но потом его затмит ELT. Но у всех этих телескопов имеются зеркала, и все они являются рефлекторами.
Оба этих телескопа – многосегментные рефлекторы, и должны выдать нам невиданные ранее изображения Вселенной. ELT будет больше по диаметру и количеству сегментов, а также по стоимости, и его должны будут достроить через несколько лет после ГМТ. ГМТ будет поменьше по диаметру и количеству сегментов (хотя сами сегменты будут крупнее), дешевле, и будет закончен быстрее. Этапы его строительства следующие:
- рытьё котлована началось в феврале 2018,
- залив бетона – 2019,
- постройка здания, полностью защищающего от погоды – 2021,
- доставка телескопа – 2022,
- установка основных зеркал – начало 2023,
- первый свет – конец 2023,
- первые научные исследования – 2024,
- запланированное окончание строительства – 2025.
Довольно скоро! Но даже с таким амбициозным графиком, у ГМТ будет огромное оптическое преимущество, и не только над ELT, но и вообще над всеми рефлекторами: у снятых им звёзд не будет дифракционных лучей.
Считается, что звезда, разгоняющая в стороны Туманность Пузырь, может быть в 40 раз массивнее Солнца. Обратите внимание на то, как дифракционные лучи мешают наблюдению менее ярких структур поблизости.
Привычные вам лучи, наблюдаемые на снимках с таких обсерваторий, как телескоп Хаббла, появляются не из-за основного зеркала, а из-за необходимости последовательных отражений, фокусирующих свет на его конечной цели. Для этого необходимо каким-либо способом разместить и закрепить вторичное зеркало, повторно фокусирующее поток света. Нет никакой возможности избежать наличия поддерживающих конструкций, удерживающих вторичное зеркало, а они оказываются на пути света. Количество и расположение поддержек определяют количество лучей – четыре у Хаббла, шесть у Джеймса Уэбба – и их видно на всех фотографиях.
Сравнение дифракционных лучей для различного расположения стоек в рефлекторе. Внутренний круг – вторичное зеркало, внешний – основное; внизу показаны итоговые конфигурации лучей.
У всех наземных рефлекторов есть такие дифракционные лучи; будут они и у ELT. Щели между 798-ю шестиугольными зеркалами, несмотря на то, что их площадь составит не более 1% общей площади зеркала, увеличат силу лучей. Каждый раз, когда мы будем фотографировать какой-либо неяркий объект, неудачно расположенный близко к чему-то яркому – к звезде, например – у нас вылезут эти дифракционные лучи. Даже с использованием сдвижной съёмки, при которой делается две почти одинаковые фотографии с небольшим сдвигом, и одна вычитается из другой, не получится полностью избавиться от этих лучей.
ELT с основным зеркалом диаметром в 39 м, будет крупнейшим в мире устремлённым в небо глазом, когда начнёт работать в начале следующего десятилетия. Это детальная предварительная схема с анатомией всей обсерватории [кликабельно]
Но ГМТ, обладающий семью огромными восьмиметровыми зеркалами с одним центральным и шестью симметрично расположенными вокруг него зеркалами, гениально спроектирован так, чтобы устранить эти дифракционные лучи. Шесть внешних зеркал расположены таким образом, что с края собирающей свет области и до центрального зеркала тянутся узкие щели. Вторичное зеркало поддерживают тонкие «паучьи лапки» стоек, но каждая из них расположена точно над этими щелями. Поскольку стойки не блокируют свет, используемый внешними зеркалами, никаких лучей на изображении не будет.
25-метровый ГМТ сейчас строится, и станет величайшей наземной обсерваторией Земли. Стойки, удерживающие вторичное зеркало, разработаны так, чтобы попадать точно в промежутки между зеркалами.
Но вместо этого в этой уникальной схеме – в которой между зеркалами будут щели, а стойки будут пересекать центральное зеркало – будет наблюдаться новый набор артефактов: набор кругов, появляющихся вокруг кольцевых объектов (диски Эйри), которые будут окружать каждую звезду. Эти круги будут выглядеть, как пустые места на изображении, и будут появляться везде из-за схемы телескопа. Однако они будут очень малой интенсивности, и появятся на короткое время; эти круги заполнятся изображением, когда небо и телескоп будут вращаться в течение ночи, аккумулируя свет во время долгой экспозиции. После 15 минут, минимального, по сути, времени для получения приличной фотографии, эти кружки полностью исчезнут.
Ядро шарового скопления Омега Центавра – один из наиболее густонаселённых участков, содержащих старые звёзды. ГМТ сможет различить больше звёзд, чем когда бы то ни было, и без всяких дифракционных лучей.
В итоге мы получим первый телескоп мирового класса, способный видеть звёзды такими, какие они есть – без дифракционных лучей! В его схеме будут небольшие компромиссы, самый крупный из которых будет состоять в небольшой потере светосилы. Физический диаметр ГМТ будет составлять 25,4 м, однако собирающая свет область будет иметь диаметр «всего» в 22,5 м. Однако небольшую потерю разрешения и светосилы с лихвой восполняют возможности этого телескопа, отличающие его от всех остальных.
Несколько наиболее удалённых галактик в наблюдаемой Вселенной, увиденные благодаря проекту Hubble Ultra Deep Field. ГМТ сможет сфотографировать все эти галактики с разрешением в десять раз лучше, чем у Хаббла.
Его разрешение составит от 6 до 10 угловых миллисекунд, в зависимости от длин волн – это в 10 раз лучше Хаббла и в 100 раз чувствительнее его. Он сможет рассмотреть удалённые галактики на расстояниях в десять миллиардов световых лет, и мы сможем установить их кривые вращения, поискать признаки слияния, измерить истекающую из них материю, изучить участки формирования звёзд и признаки ионизации. Мы сможем напрямую разглядеть экзопланеты земного типа, включая Проксима Центавра b, расположенные на расстоянии до 30 световых лет от нас. Планеты типа Юпитера будут видны на расстояниях до 300 световых лет. Мы также измерим параметры межгалактической среды и процентное содержание химических элементов везде, куда ни посмотрим. Также мы сможем обнаружить самые ранние сверхмассивные чёрные дыры.
Чем дальше от нас находится квазар или сверхмассивная чёрная дыра, тем мощнее телескоп (и камера) нужны для её обнаружения. Преимущество ГМТ будет состоять в способности проводить спектроскопию таких ультрадалёких объектов после их обнаружения.
А ещё мы сможем проводить прямые спектроскопические измерения отдельных звёзд в густонаселённых скоплениях и окружениях, изучать детали строения ближайших галактик и в деталях наблюдать системы из двух, трёх и нескольких звёзд. Сюда входят даже звёзды в центре Галактики, расположенные в 25 000 световых лет от нас. И всё это, естественно, без дифракционных лучей.
На изображении демонстрируется улучшение разрешения изображения центра Галактики угловым размером в 5 угловых секунд – от телескопов Кека с адаптивной оптикой до будущих телескопов, таких, как ГМТ. И только на ГМТ у звёзд не будет дифракционных лучей.
По сравнению с тем, что мы можем видеть сегодня в лучших обсерваториях мира, следующее поколение наземных телескопов откроет нам целую плеяду новых фронтиров, сорвав покров загадочности, покрывающий невиданную Вселенную. Кроме планет, звёзд, газа, плазмы, чёрных дыр, галактик и туманностей, мы будем смотреть на невиданные ранее объекты и явления. И до тех пор, пока мы на них не посмотрим, мы не будем знать точно, какие чудеса Вселенная приготовила для нас. Благодаря хитроумному и инновационному проекту ГМТ, объекты, которые мы пропустили из-за дифракционных лучей ярких близлежащих звёзд, внезапно откроются нам. Нам предстоит наблюдать целую новую Вселенную, и этот уникальный телескоп откроет нам то, что пока никто не может увидеть.
Автор: SLY_G
