ESPRESSO: sposób na 16-metrowy teleskop optyczny, by wykrywać jeszcze mniejsze planety

Astronomowie odkąd to było tylko możliwe, czyli od momentu zrozumienia jak nakłonić optykę do ukazania im odległych zakątków Kosmosu, starali się zwiększać możliwości swoich zabawek. Zwiększali średnice soczewek, zwierciadeł, aż osiągnęli granice przy których nie wiedzieli jak stworzyć większy pojedynczy szklany element przydatny w nauce. 

Na chwilę zatrzymali się w tym rozwoju, pozostając z 5 i 6 metrowymi teleskopami, ale z czasem poznali zalety konstrukcji segmentowych, nauczyli się formować tafle szkła o bardzo niewielkiej grubości, które po ułożeniu na specjalnej podstawie, tworzyły jeszcze większe zwierciadła. I tak powstały 10 metrowe teleskopy Keck, 6,5 metrowe Magellany i 8,2 metrowej średnicy teleskopy VLT.

Na tym jednak nie skończyła się pogoń za jeszcze lepszą rozdzielczością obserwacji. W latach 90. XX wieku na orbicie działał już teleskop Hubble, który po operacji „oczu” ukazał Wszechświat ostrzejszy niż kiedykolwiek widziano go z Ziemi. Techniki komputerowe, precyzyjna mechanika i optyka zaowocowały tak zwaną optyką aktywna i adaptatywną. Te techniki pozwalają formować kształt zwierciadła na bieżąco eliminując zgubny wpływ naprężeń i reagować na zmiany w atmosferze deformujące front fali świetlnej, tak by wyostrzyć uzyskiwane obrazy do poziomu osiągalnego wcześniej tylko przez orbitalne teleskopy.

Lasery generujące tak zwane sztuczne gwiazdy, do pomiaru drgań atmosfery, które zainstalowano w jednym z teleskopów VLT

Do tego należy doliczyć technologie sensorów półprzewodnikowych, które nie tylko zwiększyły możliwości rejestracyjne obrazu (większe zwierciadła są potrzebne też, by móc obserwować słabsze obiekty), ale umożliwiły masowe obserwacje wielu (czyli milionów) obiektów naraz.

Rozdzielczość czy czułość - oto jest pytanie

Od połowy XX wieku znana była też technologia zwana interferometrią, która pozwala łączyć sygnał z kilku oddalonych od siebie detektorów. W efekcie uzyskujemy rozdzielczość odpowiadająca jednemu teleskopowi o rozmiarach porównywalnych z odległością pomiędzy teleskopami tworzącymi interferometr. W ten sposób nie poprawiano zdolności do gromadzenia światła, która zależy od powierzchni zwierciadła teleskopu, ale zwiększano rozdzielczość kątową, a to było już bardzo wiele. Interferometria zresztą jest chętniej wykorzystywana w radioastronomii, która do uzyskania podobnej rozdzielczości co instrumenty optyczne wymaga dużo większych urządzeń.

Grupka teleskopów VLT budowana była również z myślą o wykorzystaniu ich jako interferometr, ale na tym się nie skończyło. Grupa ESPRESSO postanowiła wykorzystać moc czterech teleskopów nie by zwiększyć ich rozdzielczość (ta nadal jest taka jak pojedynczego teleskopu VLT), ale by uzyskać odpowiednik 16 metrowego teleskopu jeśli chodzi o zdolność do zbierania światła.

Stosując analogię fotograficzną można to porównać do możliwości stosowania dużo wyższego użytecznego ISO (lepiej zobaczymy słabsze obiekty), zamiast zwiększać liczbę pikseli w sensorze (zobaczymy więcej szczegółów).

ESPRESSO czyli superdokładny spektograf

Zapytacie się po co? Od wielu lat na Ziemi buduje się gigantyczne teleskopy, o zwierciadłach 20, 30 metrowych i większych, które wspomogą badaczy najdalszych zakątków Kosmosu, ale też pomogą nam odkrywać tajemnice skrywane przez pobliskie w skali astronomicznej, ale odległe dla nas, planetarne układy pozasłoneczne. Już za kilka, kilkanaście lat, te teleskopy będą pracować pełną parą, tymczasem apetyt astronomów należało zaspokoić inaczej.

Dokonano tego z pomocą ESPRESSO czyli Echelle SPectrograph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations. Nie jest to instrument, który da najbardziej pożądane przez miłośnika astronomii obrazy wizualne podobnych do Ziemi planet pozasłonecznych, a jedynie wspomoże astronomów w rejestracji widm gwiazd (rozkład światła gwiazdy na poszczególne długości fal).

Jednak widmo to bardzo potężna dawka informacji, z której można wiele wywnioskować jeśli nie widzimy bezpośrednio powierzchni badanego obiektu, a nawet nie jesteśmy go zobaczyć bezpośrednio (czego nie da się zrobić obecnie z podobnymi do Ziemi planetami).

Od metrów do centymetrów na sekundę

Precyzja pomiarów widmowych wyrażana jest w jednostkach prędkości czyli w metrach na sekundę. Mierząc przesunięcia linii widmowych gwiazdy, wywołane przez względny ruch obiektów w układzie pozasłonecznym, zapewniamy informacje, z których można wnioskować jakiego rzędu jest minimalna masa planet pozasłonecznych i jaka jest ich konfiguracja względem macierzystej gwiazdy. Ta technika, pomiary prędkości radialnych, to właśnie jeden ze sposobów na wykrywanie planet pozasłonecznych.

Poprzednik ESPRESSO o nazwie HARPS dokonywał pomiarów o precyzji rzędu jednego metra na sekundę. Zlokalizowany w obserwatorium La Silla kilkaset kilometrów na południe od obserwatorium na górze Paranal przyczynił się do odkrycia pierwszej planety wokół gwiazdy podobnej do Słońca, podobnej do Ziemi planety w układzie Proxima Centauri i setek innych planet pozasłonecznych. Dane z HARPS pozwoliły naukowcom postawić odważną tezę, że Galaktyka może zawierać miliardy niewielkich skalnych planet.

Prawie jak w Matrixie - widząc takie kolorowe obrazki...

...astronomowie wyobrażają sobie to

ESPRESSO mogąc posiłkować się znacznie silniejszym sygnałem pozwoli badać dużo słabsze sygnały. Precyzja wyrażana jest w tym przypadku nie w metrach, ale w centymetrach na sekundę.

Oznacza to, że ESPRESSO wykryje zmiany położenia linii widmowych odpowiadające prędkościom około 0,35 km/h (wcześniej było to 3,5 km/h). Taką prędkość można wytłumaczyć istnieniem podobnej do Ziemi planety, w zamieszkiwalnej strefie wokół gwiazdy o masie zbliżonej do masy Słońca. Mogą to być też efekty wywołane przez bardziej masywne obiekty na innych orbitach, niemniej spodziewana jest detekcja ogromnej liczby planet pozasłonecznych lżejszych niż Neptun.

Spektograf ESPRESSO już działa

ESPRESSO pierwsze obserwacje, z wykorzystaniem tylko jednego teleskopu, wykonało już w ubiegłym roku. Teraz zaprzęgnięto do współpracy wszystkie 4 teleskopy VLT, by osiągnąć ekwiwalent 16 metrowego zwierciadła pod względem zdolności gromadzenia światła.

Stanowisko robocze - dowód na to jak wiele pomogła astronomom technologia płaskich wyświetlaczy - kiedyś te dziesiątki monitorów to były "bzyczące bańki"

Na tym pogoń za jeszcze większą precyzją i jeszcze mniejszymi planetami, się nie skończy. Europejskie Obserwatorium Południowe, które zarządza infrastrukturą na górze Paranal i w La Silla, wiąże wielkie nadzieje z tak zwanym teleskopem ELT (Extremely Large Telescope o średnicy niemal 40 metrów). Dla niego projektowany jest już instrument HIRES, który zapewni jeszcze większą rozdzielczość pomiarów widmowych.

Zespół ESPRESSO nie ograniczy się do wykorzystania spektografu jedynie do polowania na planety. Dokładne pomiary widmowe przydadzą się też przy pomiarach składu chemicznego dla gwiazd w odległych galaktykach, badań związanych z kosmologią i ewolucją Wszechświata.

Czego to nie zrobią astronomowie, by utwierdzić nas w przekonaniu, że Wszechświat nie powstał na darmo, że to całe piękno nie jest tylko po to, by jedynie prawa fizyki miały szansę się zamanifestować. No właśnie, czego?

Źródło: ESO, fot wejściowe: H. H. Heyer (CC BY 4.0)