Obraz Wszechświata: budowa największego z teleskopów Understand article
Przez setki lat teleskopy pomagały astronomom odkrywać tajemnice Wszechświata. Jak wygląda budowa oraz konserwacja dzisiejszych skomplikowanych instrumentów?
W 1608 roku Hans Lippershey, niemiecko-holenderski wytwórca okularów, opatentował niewielkie urządzenie, które dzięki soczewkom skupiało światło i wytwarzało powiększony obraz odległych obiektów – był to najwcześniejszy znany projekt teleskopu. Krótko potem Galileusz skonstruował swój teleskop, który przeszedł do historii jako pierwszy wykorzystany do obserwacji astronomicznych. Czterysta lat później teleskopy nadal pozostają niezbędne w astronomii, ale z małych, trzymanych w ręce instrumentów stały się gigantycznymi, komputerowo sterowanymi urządzeniami.
Dzisiaj gros największych teleskopów optycznych i podczerwonych na świecie – z których wiele budowanych jest i obsługiwanych przez Europejskie Obserwatorium Południowew1 (ESO) – do zbierania i skupiania światła wykorzystuje zwierciadła zamiast soczewek. Im większe lustro, tym więcej światła może ono zebrać, co pozwala astronomom na obserwacje ciemniejszych, często bardziej odległych obiektów niebieskich, w większym szczególe. Choć duże zwierciadła są łatwiejsze do wytworzenia niż duże soczewki, to budowa nowoczesnych teleskopów nadal pozostaje prawdziwym wyzwaniem.
ESO/L Calçada/ACe Consortium
Od Newtona do dziś
Pierwszy działający reflektor (teleskop, który do skupiania światła wykorzystuje zwierciadła, a nie soczewki) został zbudowany przez Isaaka Newtona w 1668 roku. Zasadniczo projekt Newtona polegał na wykorzystaniu wklęsłego zwierciadła głównego (czyli tego, które światło gwiazd napotyka w teleskopie jako pierwsze) i płaskiego zwierciadła wtórnego umiejscowionego ukośnie ponad lustrem głównym, od którego światło odbija się i w wpada do okularu. Ta sama zasada stosowana jest dzisiaj w wielu teleskopach amatorskich i profesjonalnych. Nowoczesne teleskopy umożliwiają skierowanie światła do aparatów lub detektorów zamiast do okularu, a ich konstrukcja może być bardziej kompaktowa.
Pierwszy teleskop Newtona posiadał lustro główne o średnicy 3,3 cm. Dziś największe zwierciadła w reflektorach mają około 8 m średnicy. Na przykład Bardzo Duży Teleskop (Very Large Telescope, VLT) należący do ESO i znajdujący się w Chile w Ameryce Południowej, składa się z czterech teleskopów, z których każdy posiada zwierciadło główne o średnicy 8,2 m.
ESO/N Bartmann
Focus: Ognisko; Incoming light: Wpadające światło;
Primary mirror: Zwierciadło główne; Secondary mirror: Zwierciadło wtórne
Wykonanie zwierciadła
Najczęściej wybieranym materiałem do wyprodukowania zwierciadła dla profesjonalnych teleskopów jest szkło (takie jak borowo-krzemowe wykorzystywane do produkcji przyborów kuchennych „Pyrex”) lub specjalne tworzywo szklano-ceramiczne. Tego rodzaju materiały mogą zostać wyszlifowane i wypolerowane w celu uzyskania najlepszego kształtu umożliwiającego wysoką jakość obrazów. Co więcej, ich kształt i rozmiar są odporne na różnice temperatur. Jest to niezwykle ważne, gdyż wiele teleskopów umieszcza się wysoko górach lub na pustyni, gdzie temperatury dzienna i nocna drastycznie się od siebie różnią.
Powierzchnia zwierciadeł głównych musi być wysoce refleksyjna, żeby skupić jak najwięcej światła słabych gwiazd. Refleksyjność uzyskuje się za pomocą niezwykle cienkiego pokrycia materiałem o wysokiej refleksyjności, a jego rodzaj zależy od tego, jaką długość fali ma odbierać teleskop. Na przykład srebro i aluminium często są używane do pokrywania zwierciadeł teleskopów optycznych i działających w podczerwieni.
Większe i lepsze
Średnica teleskopowych zwierciadeł znacznie wzrosła w ostatnich 50 latach, ale dla astronomów to nadal za mało. Istnieje jednak limit: niezwykle trudno byłoby wyszlifować i wypolerować zwierciadło o średnicy znacznie większej niż 8 metrów. Dlatego jednym z rozwiązań są zwierciadła segmentowe. Składają się one z odrębnych, często heksagonalnych segmentów, które razem tworzą jedną ogromną, zbierającą światło powierzchnię.
Aktualnie największe zwierciadło segmentowe posiada Wielki Teleskop Kanaryjski znajdujący się na hiszpańskich Wyspach Kanaryjskich. Ma średnicę 10,4 metra i składa się z 36 segmentów. Jednak w 2024 roku zdetronizuje go Ekstremalnie Wielki Teleskop (Extremely Large Telescope, ELT), który konstruowany jest na pustyni Atakama w Chile. Zwierciadło główne o średnicy 39 metrów składać się będzie z 798 segmentów, z którego każdy będzie miał powierzchnię około 1,4m2. Ten ogromny teleskop obsługiwany przez ESO ma obserwować Wszechświat w zakresie optycznym i bliskiej podczerwieni.
W planach jest budowa kolejnych narzędzi, takich jak Teleskop Trzydziestometrowy na Hawajach, które opierają się na pomyśle dużej ilości małych segmentów. Inne, takie jak Gigantyczny Teleskop Magellana w Chile, będą składały się z mniejszej ilości większych segmentów.
ESO
Gładka powierzchnia
Aby uzyskać wyraźne obrazy i dokładne pomiary, powierzchnia zwierciadeł musi być idealnie gładka. Każdy z segmentów ELT zostanie wypolerowany z dokładnością do 15 nanometrów. Oznacza to, że jeśli jeden z segmentów miałby powierzchnię Europy, jakiekolwiek wybrzuszenia pozostałe na powierzchni miałyby grubość biedronki.
Gdy zwierciadła (pojedyncze lub segmentowe) stają się większe, zaczynają uginać się pod własnym ciężarem ze względu na grawitację, co powoduje utratę ich gładkości. Zrekompensowanie tego efektu możliwe jest dzięki technice zwanej optyką adaptacyjną, która wykorzystuje 150 napędów aby co około 30 sekund korygować lustro. W przypadku ELT ważne jest nie tylko to, aby osobne segmenty były niezwykle gładkie, ale również żeby były idealnie wyrównane w stosunku do segmentów z nimi sąsiadujących, aby móc uzyskać takie same efekty jak w przypadku jednolitego zwierciadła. ELT będzie posiadał 4524 czujniki na krawędziach segmentów. Będą one nieustannie podawać swoją pozycję, co umożliwi każdemu z segmentów idealne wyrównanie w wykonaniu 2394 napędów. Ten aktywny układ optyczny sprawi, że cała powierzchnia zwierciadła głównego będzie gładka z dokładnością do około 50 nanometrów, czyli do jednej tysięcznej grubości ludzkiego włosa.
ESO
Utrzymanie refleksyjności
Powierzchnia zwierciadeł musi być chroniona przed pyłem pojawiającym się przy silnych wiatrach, aby zachować swoją wysoką refleksyjność. Pył zbierający się na lustrach może zredukować refleksyjność jedynie o kilka procent, jednak w przypadku obrazów wysokiej jakości liczy się każdy foton. Pył rozprasza też światło i zmniejsza kontrast obrazów. W ciągu dnia zwierciadła są zakryte, a wieczorem teleskop zostaje przechylony, aby przy otwarciu kopuły nic (jak na przykład pył lub odchody ptaków) nie spadło z dachu na powierzchnię zwierciadeł.
Z czasem jakość powłoki odbijającej światło ulega pogorszeniu, więc musi być ona regularnie odświeżana. Na przykład zwierciadła teleskopu VLT muszą być przytransportowane z platformy obserwacyjnej do bazy co 18 miesięcy, aby ich powierzchnia została ponownie pokryta odpowiednią powłoką. Szczególnie trudna jest praca z najdroższą i najdelikatniejszą częścią teleskopu, więc zwierciadło przewożone jest z prędkością 5 km/h. Cały proces (od jego wyjęcia do powrotu na miejsce) trwa około tygodnia
W przypadku zwierciadła głównego teleskopu ELT, każdy z 798 segmentów również będzie potrzebował odświeżenia powłoki co 18 miesięcy. Najlepszym sposobem będzie wyciągnięcie, nałożenie powłoki i odłożenie na miejsce dwóch lub trzech segmentów na dzień. Teleskop nadal będzie wydajnie pracował pomimo braku paru segmentów, co pozwoli na zmaksymalizowanie czasu jego pracy. Jednak w przypadku VLT, gdy którekolwiek z jego zwierciadeł jest odświeżane, teleskop nie jest w użyciu.
Odkrywanie Wszechświata
Zaprojektowanie, zbudowanie i obsługa tak wielkich teleskopów to niełatwe zadania. Jednak ekscytująca perspektywa – odkrycia planet podobnych do Ziemi, pomiaru właściwości pierwszych gwiazd i galaktyk i zbadanie natury ciemniej materii i energii – warta jest ciężkiej pracy. W nadchodzących dekadach najbardziej zaawansowane teleskopy mają potencjał do zrewolucjonizowania naszego rozumienia Wszechświata, tak jak było to w przypadku teleskopu Galileusza 400 lat temu.
Web References
- w1 – ESO to czołowa, międzyrządowa organizacja astronomiczna w Europie i najbardziej wydajne ziemskie obserwatorium astronomiczne; główna siedziba ESO znajduje się w Garching koło Monachium, natomiast obserwatorium zlokalizowane jest w Chile.
Resources
- Dowiedz się więcej o VLT I ELT na stronie ESO.
- Na stronie ESO znajdziesz infografikę z porównaniem wielkości głównego zwierciadła ELT z innymi największymi ziemskimi teleskopami.
- Dowiedz się więcej na temat produkcji zwierciadeł dla ELT na stronie SCHOTT.
- Dowiedz się jak to jest pracować przy VLT na pustyni Atakama w Chile. Zobacz:
- Pierce D (2006) Running one of the world’s largest telescopes. Science in School 1: 56–60.
- Dowiedz się więcej o głównym zwierciadle ELT z kwartalnego czasopisma ESO The Messenger.
Institutions
Review
Odbicie do główny koncept tematów fal i optyki w szkolnej podstawie programowej. Nauczyciele mogą wykorzystać niniejszy artykuł, prezentujący najświeższe informacje dotyczące zwierciadeł w wielkich, nowoczesnych teleskopach, żeby wprowadzić uczniów w te tematy. Co więcej, lektura artykułu uświadomi uczniom, jakie zastosowanie może mieć nauka oraz jakie trudności pokonuje technologia.
Przykładowe pytania do tekstu:
- Kto dokonał pierwszych obserwacji astronomicznych z użyciem teleskopu?
- Kto skonstruował i użył pierwszy teleskop refleksyjny?
- Dlaczego do konstruowania wielkich teleskopowych zwierciadeł wykorzystuje się szkło?
- W jaki sposób można zbudować teleskop ze zwierciadłem o średnicy większej niż 8m?
Stuart Farmer, nauczyciel fizyki, Robert Gordon’s College, Szkocja, Zjednoczone Królestwo