Koniec ery monstrualnych teleskopów?

Zwierciadło Hubble’a ma zaledwie 2,4 m szerokości. To nie jest szczególnie dużo. Nawet nowszy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (James Webb Space Telescope; JWST), który obecnie rejestruje obrazy wywołujące zachwyt tak samo, jak zdjęcia z Hubble’a, ma zwierciadło o średnicy 6,5 m, co dla astronomów stawia go w kategorii średnich instrumentów. Oczywiście, teleskopy te musiały zostać wyniesione w kosmos za pomocą rakiet, co nakładało wyraźne ograniczenia na ich rozmiary. Na Ziemi istnieją teleskopy znacznie większe: Very Large Telescope (Bardzo Duży Teleskop) w Chile ma 8,2-metrowe zwierciadło, a bliźniacze teleskopy Kecka na Hawajach mają po 10 m średnicy. Kilka ogromnych teleskopów jest teraz w budowie, w tym Giant Magellan Telescope (Gigantyczny Teleskop Magellana) w Chile, który ma siedem 8,4-metrowych zwierciadeł (co odpowiada pojedynczemu zwierciadłu o średnicy ponad 22 m) i Thirty Meter Telescope (Trzydziestometrowy Teleskop) na Hawajach.

Obecnie największym budowanym teleskopem jest Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejskiego Obserwatorium Południowego (Extremely Large Telescope; ELT), który zostanie ukończony w 2028 roku i będzie miał oszałamiającą średnicę 39 m. Będzie to zdecydowanie największy teleskop do obserwacji promieniowania optycznego i podczerwonego zarówno na naszej planecie, jak i poza nią.

ELT może być również największym teleskopem, jaki kiedykolwiek zostanie zbudowany. Powodem są koszty (co nie jest zaskoczeniem), technika i nieubłagane prawa geometrii.

Ten ostatni czynnik ma decydujące znaczenie w ograniczaniu rozmiarów gigantycznych teleskopów. Astronomowie czasami nazywają teleskopy „wiadrami światła”, ponieważ zbierają one promieniowanie z przestrzeni kosmicznej tak, jak wiadro podczas deszczu zbiera wodę. Im większe wiadro, tym więcej kropel deszczu do niego wpadnie. Ze słabych obiektów dociera na Ziemię bardzo niewiele światła. Większy teleskop zbiera go więcej, w zasadzie więc można dzięki niemu dostrzec słabsze obiekty, odleglejsze galaktyki i starsze gwiazdy. Po trwających stulecia obserwacjach udało nam się dostrzec większość jasnych obiektów na niebie, więc astronomicznym wyzwaniem jest teraz poszukiwanie tych słabszych.

Większe teleskopy mają jeszcze jedną zaletę: lepszą rozdzielczość, co oznacza możliwość dostrzeżenia drobnych szczegółów. Podwojenie średnicy teleskopu pozwala na uchwycenie szczegółów dwukrotnie mniejszych, dzięki czemu odległe galaktyki stają się czymś więcej niż tylko niewyraźnymi plamkami.

Z tych powodów astronomowie zawsze chcą mieć większe teleskopy. Problem polega na tym, że po przekroczeniu pewnego rozmiaru (około ośmiu metrów średnicy), monolityczne, jednoczęściowe zwierciadło teleskopu jest bardzo trudne do odlania, wypolerowania i użytkowania – konstruowanie gigantycznej podpory potrzebnej, by utrzymać ogromną wagę takiego instrumentu, jest nieopłacalne. Powierzchnia zwierciadła teleskopu jest proporcjonalna do kwadratu jego średnicy, więc 10-metrowy teleskop będzie miał czterokrotnie większą powierzchnię (i około czterokrotnie większą objętość, a tym samym masę) niż teleskop o średnicy pięciu metrów.

Aby przezwyciężyć tę przeszkodę, astronomowie zaczęli stosować zwierciadła segmentowe, łącząc kilka stosunkowo małych luster w jedno większe. Zazwyczaj mają one kształt sześciokąta, ponieważ z sześciokątów można łatwo tworzyć duże układy; w JWST zastosowano właśnie taki schemat. Umieszczone z tyłu małe silniki poruszają i pochylają te segmenty, aby ich połączenie było jak najbardziej precyzyjne. Co więcej, lustra te mogą być dość cienkie i na żądanie deformować swój kształt, aby zniwelować rozmycie obrazu wywołane przez ziemską atmosferę. Powietrze zachowuje się jak wrząca gazowa zupa, która zniekształca i rozprasza światło docierające z kosmosu (z tej właśnie przyczyny gwiazdy migoczą). Jednak dzięki zastosowaniu wysoce wyrafinowanych czujników i siłowników, specjalne ustawione lustro na ścieżce światła może w ciągu milisekund zostać zdeformowane, tak aby skorygować turbulencje powietrza, wyostrzając w ten sposób rozdzielczość teleskopu. Technika ta, zwana optyką adaptacyjną, jest rutynowo stosowana w teleskopach naziemnych, co pozwala uzyskać obrazy tak ostre, jak otrzymywane przez Hubble’a i JWST.

Dzięki temu podejściu ELT może być aż tak duży. Całe urządzenie, oprócz zwierciadła optyki adaptacyjnej, składa się z 798 pojedynczych segmentów zwierciadła głównego, z których każdy ma szerokość 1,4 m i jest wyposażony w wiele automatycznie sterowanych układów, które utrzymują je we właściwym położeniu.

Co zrozumiałe, system ten jest kosztowny – całkowity koszt bazowy ELT szacuje się na około 1,5 mld dolarów (stan na rok 2023). Również instalacja tej ogromnej bestii to osiągnięcie inżynierskie. Teleskop wymaga ogromnej kopuły o wysokości 80 m i średnicy 88 m oraz fundamentu wyposażonego w amortyzatory, które chronią go przed wibracjami.

Te parametry sprawiają, że ELT może być jednym z największych, jeśli nie największym, teleskopem naziemnym, jaki kiedykolwiek zbudowano. Możliwe, że pewnego dnia uda się skonstruować coś nieco większego, ale wszystko, co będzie znacznie większe, będzie kosztować kilka razy więcej i przysporzy proporcjonalnie więcej problemów technicznych. W rzeczywistości ELT wyrósł z pomysłu na OWL – OverWhelmingly Large Telescope (Przytłaczająco Wielki Teleskop) – który miał mieć średnicę 100 m; po długiej analizie panel astronomów zdecydował, że skromniejsze 39 m wystarczy.

Czy potrzebujemy większych teleskopów? Rozmiar ELT został dopasowany do potrzeb naukowych społeczności astronomicznej. Należą do nich bezpośrednie obrazowanie pobliskich egzoplanet – w tym globów o wielkości Ziemi znajdujących się w odpowiedniej odległości od swoich gwiazd, aby na ich powierzchniach mogła występować woda w stanie ciekłym – oraz wgląd w epokę Wszechświata, w której narodziły się pierwsze galaktyki. Większe teleskopy mogą zrobić więcej, ale w tej chwili ELT stanowi awangardę astronomii. Może położyć podwaliny pod jeszcze większe przyszłe teleskopy, ale ich czas jeszcze nie nadszedł.

Opóźnienie może wynikać też z innych powodów. Astronomowie będą mogli korzystać ze znanej od dziesięcioleci metody zwanej interferometrią, która polega na łączeniu obserwacji prowadzonych przez radioteleskopy znajdujące się w dużych odległościach od siebie, co pozwala uzyskać rozdzielczość znacznie większego instrumentu. Event Horizon Telescope (Teleskop Horyzontu Zdarzeń), za którego pomocą zaobserwowano czarne dziury w centrum Drogi Mlecznej i w galaktyce M87, jest interferometrem radiowym. Łączy on radioteleskopy na całej Ziemi, efektywnie tworząc obserwatorium o rozmiarach całej naszej planety.

Brzmi to świetnie, ale interferometria promieniowania optycznego ma dwie poważne wady. Jedną z nich jest ograniczona powierzchnia wszystkich wykorzystywanych teleskopów, tak więc dostrzeżenie słabych źródeł – krytyczny aspekt obserwacji astronomicznych – nadal stanowi wyzwanie. Drugą jest trudność w łączeniu ze sobą obserwacji, ponieważ częstotliwości światła widzialnego są znacznie większe niż częstotliwości fal radiowych. Interferometrię promieniowania optycznego udało się osiągnąć z użyciem teleskopów znajdujących się blisko siebie – w Interferometrze Bardzo Dużego Teleskopu wykorzystano cztery ośmiometrowe teleskopy oddalone od siebie o kilkadziesiąt metrów. Dłuższe linie bazowe stanowią ogromne wyzwanie, gdyż wymagają nanometrowej precyzji. Jeśli jednak uda się w końcu stworzyć interferometrię dla światła widzialnego z dłuższymi liniami bazowymi, zmniejszy to zapotrzebowanie na teleskopy jeszcze większe niż ELT.

Czy astronomowie, biorąc to wszystko pod uwagę, chcieliby mieć większy teleskop, jeśli okazałoby się to możliwe? Oczywiście, że tak. I może on kosztować mniej niż znacznie mniejszy, choć dający wyjątkowe możliwości teleskop kosmiczny.

Być może w przyszłości uda się opracować techniki, które pozwolą pokonać niektóre z przeszkód stojących na drodze do stworzenia gigantycznego teleskopu pracującego w zakresie promieniowania widzialnego. Dla przykładu, możemy zbudować obserwatoria na Księżycu, gdzie mniejsza grawitacja i brak atmosfery oferują ogromną przewagę nad instrumentami umieszczonymi na Ziemi. Jedną z propozycji jest radioteleskop o średnicy kilometra, umieszczony w księżycowym kraterze na niewidocznej stronie Księżyca, która jest wolna od ziemskich zakłóceń. Chociaż budowa radioteleskopów jest znacznie łatwiejsza niż teleskopów promieniowania optycznego, to, jeśli już zdecydujemy się stworzyć takiego giganta na Księżycu, warto rozważyć instrument rejestrujący światło widzialne. To marzenie, ale postęp techniczny potrafi zmieniać marzenia w rzeczywistość.

ELT może być największym teleskopem, jaki kiedykolwiek zbudowano i utrzymać ten rekord przez długi, długi czas – ale niekoniecznie na zawsze.

Dziękujemy, że jesteś z nami. Pulsar dostarcza najciekawsze informacje naukowe i przybliża wyselekcjonowane badania naukowe. Jeśli korzystasz z publikowanych przez Pulsar materiałów, prosimy o powołanie się na nasz portal. Źródło: www.projektpulsar.pl.