Tak ostro nie widział jeszcze żaden 8-metrowy teleskop. W jaki sposób VLT Yepun zyskał taki wzrok?

Jeśli chcecie od razu poznać sekret przemiany VLT Yepun w najlepszy 8 metrowej klasy teleskop na świecie, skaczcie od razu w to miejsce tekstu. A jeśli macie chwilę, zacznijcie czytać od początku, czyli rozważań nad podobieństwami i różnicami pomiędzy aparatem cyfrowym, a obserwatorium astronomicznym.

Aparat cyfrowy i obserwatorium astronomiczne. Analogie

Zastanówmy się pokrótce, na jakie elementy składowe można podzielić obserwatorium astronomiczne, a na jakie aparat cyfrowy. To pierwsze składa się z teleskopu, który ma swój montaż (są różne typy) i jest umieszczony w odpowiednio przygotowanym do celów obserwacji budynku. Teleskop jest odpowiednikiem obiektywu w aparacie cyfrowym, jego korpus to z kolei jakby budynek teleskopu, a montaż można przyrównać statywu na jakim umieszczony jest aparat. Bo w przypadku astronomii mamy najczęściej na myśli obserwacje w warunkach ekstremalnych, nocą przy minimalnej ilości rejestrowanego światła i długich czasach ekspozycji. Statyw czy montaż jest wtedy nieodzowny.

Tak wygląda aparat cyfrowy z obiektywem na statywie. Taki odpowiednik obserwatorium, choć tutaj polowanie odbywa się nie na gwiazdy, a na dziką przyrodę

Brakuje czegoś? Oczywiście. W przypadku aparatu jest to sensor, sterująca nim elektronika, i procesor obrazu. W teleskopie zastępuje go konkretny instrument badawczy, który łączy w sobie detektor obrazu, mechanikę i/lub elektronikę kontrolującą jego pracę.

W aparacie mamy jeszcze ekran lub wizjer na którym widzimy i kadrujemy zdjęcia, a na końcu miejsce gdzie dane są gromadzone, czyli karty pamięci ewentualnie podłączany zewnętrzny rekorder, co sprawdza się szczególnie w przypadku filmowania. W obserwatorium z kolei tę rolę spełnia pokój kontrolny, komputery przetwarzające wstępnie obserwacje i przechowujące je komputery/serwery lub nośniki zewnętrzne. W fotografii komputery również są stosowane, ale to etap, który można porównać do analizy danych poza teleskopem, przez różnych naukowców.

Pokój kontrolny teleskopów VLT na panoramicznym ujęciu. Takie pomieszczenia mają różne rozmiary, czasem są małe, tylko na jedną dwie osoby, czasem przypominają centrum kontroli lotów, jak to ma miejsce w przypadku Webba czy Hubble'a

I jeszcze jedna rzecz/technologia. Niektóre cyfrówki, czy to w korpusie, czy obiektywie mają zintegrowaną stabilizację obrazu. Z kolei w teleskopach mamy systemy optyki adaptatywnej/aktywnej. To nie do końca to samo co stabilizacja, a dużo więcej.

System optyki adaptatywnej, lasery wyświetlające sztuczne gwiazdy w teleskopie VLT Yepun

Aparat cyfrowy i obserwatorium astronomiczne. Różnice

Widzicie, że aparaty cyfrowe i obserwatoria astronomiczne mają ze sobą wiele wspólnego. Ba, zdarza się, że aparaty wraz z obiektywami, które spełniają wymogi danego projektu obserwacyjnego, zastępują duże teleskopy. Są tańsze, można ich rozmieścić wiele w różnych miejscach świata, choć trzeba też pamiętać, że ze względu na rozmiar optyki są mocno ograniczone w zasięgu prowadzonych obserwacji. Ich potrzeby jednak nie sposób negować. Dziś obserwatorium astronomiczne to zwykle miejsce, gdzie umieszczony jest duży teleskop zdolny obserwować bardzo słabe obiekty, za to z pominięciem tych jaśniejszych. A te wciąż są ważne dla astronomów i trzeba je jakoś obserwować.

Gdy jednak ograniczymy się do typowego obserwatorium astronomicznego szybko zarysują się różnice pomiędzy nim a zwykłym aparatem cyfrowym. W aparacie cyfrowym możemy zazwyczaj wymieniać obiektywy. Co prawda istnieją kompakty czy stanowiące ich odpowiednik smartfony, ale takie rozwiązania foto można bardziej porównać z amatorskimi teleskopami. Teleskopy profesjonalne wykorzystują najczęściej montaże budowane na zamówienie, niepowtarzalne, dostosowane do tego jednego typu zwierciadła i układu optycznego. Można powiedzieć, że to tak jakby dla aparatu producent oferował obiektyw, który jest dostępny w jednym, co najwyżej kilku egzemplarzach.

Teleskop VLT numer cztery, czyli Yepun i panorama bliźniaczego Antu (teleskop VLT numer 1). Ten pan w boksie to tylko technik, a nie astronom

Zwierciadła i całego układu optycznego, montażu w teleskopie astronomicznym raczej nie wymienimy. Można go modernizować, a zwierciadło co jakiś czas odświeżać poprzez nanoszenie nowych powłok odbijających światło, ale to wciąż ten sam układ optyczny. Przez cały czas funkcjonowania danego teleskopu. W aparacie wymienić możemy nie tylko obiektyw, ale też statyw, choć pragmatyzm sprawia, że zwykle korzystamy z jednego akcesorium tego typu przez lata.

Zwierciadło główne teleskopu VLT Yepun wraz w obudową można zabrać do pobliskiego warsztatu na ponowne pokrycie powłoką odbijającą światło, ale wymiana na inne nie wchodzi w rachubę. Wymagałoby to przeprojektowania całego teleskopu

Komputery i serwery w centrum kontrolnym teleskopu da się aktualizować. Nie tylko oprogramowanie i algorytmy, od których zależy sposób w jaki dane są przetwarzane, ale i sam sprzęt. W aparacie cyfrowym raczej nie można liczyć na takie zmiany, co najwyżej na aktualizacje oprogramowania sprzętowego. Mimo to, zmiana komputerów i oprogramowania w obserwatorium czyni obserwacje przede wszystkim wygodniejszymi, pozwala obejść pewne ograniczenia technologiczne, ale nie uczyni obserwacji lepszymi tak jak w aparacie wymiana obiektywu na taki o lepszej optyce, co potrafi zmienić fotografie nie do poznania.

Jest jednak w teleskopie astronomicznym jeden element, który wymienimy, a którego odpowiednika w cyfrówce nie da się wymienić (są wyjątki, ale można je pominąć). I to jego zastąpienie nowym daje największą poprawę. Czasem wręcz niesamowitą, jak to miało niedawno miejsce w przypadku czwartego z teleskopów VLT, które należą do ESO i znajdują się w obserwatorium Paranal w Chile.

Instrument obserwacyjny, czyli element, którego wymiana potrafi zdziałać cuda

Teleskop Webb, o którym z różnych powodów jest ostatnio bardzo głośno, to przykład obserwatorium, którego astronomowie raczej nigdy nie będą w stanie odwiedzić i zmodernizować. Ale już teleskop Hubble, w czasach wahadłowców, można było odświeżać. Być może znowu to zrobimy, ale na razie jest to jedynie koncepcja.

Za to teleskop naziemny jest dostępny bardzo łatwo i można w nim wymienić w zasadzie wszystko. W praktyce tak nie jest, bo nowy montaż, zwierciadło czy budynek, to tak jakby budować obserwatorium od nowa. Za to podobnie jak w teleskopie Hubble z czasem montowano nowe instrumenty obserwacyjne, tak samo można postąpić w przypadku teleskopu naziemnego.

Zmiana instrumentu obserwacyjnego nie jest oczywiście czymś co robi się często. Mam tu na myśli kompletne zastąpienie urządzenia przeznaczonego do danego celu. Bo to, że w teleskopach astronomowie przełączają się pomiędzy różnymi aparaturami pomiarowymi, jest czymś normalnym. Szczególnie gdy jest to teleskop duży i nie przeznaczony do jednego typu obserwacji tak jak np. Obserwatorium Very C. Rubin, które powstaje z myślą o obsłudze konkretnej kamery, tej o 3,2 Gpix rozdzielczości.

Wymiana akcesorium w aparacie cyfrowym wymaga zwykle jednej osoby. Czego nie można powiedzieć o teleskopie takim jak VLT i instrumencie ERIS (fot: MPE/ESO/ERIS)

Zamiana instrumentu obserwacyjnego na nowy jest rzadka, bo też takie instrumenty to skomplikowana aparatura, budowana latami, testowana czasem równie długo, i z tego tez powodu kosztowna. Już na etapie konstruowania budynku obserwatorium i montażu teleskopu bierze się pod uwagę, jakie instrumenty będą wraz z nim wykorzystywane.

Czas jednak płynie nieubłaganie, dlatego takie modernizacje nabierają w końcu sens.

Teleskop VLT numer cztery zobaczył wszechświat na nowo

Przy okazji pierwszych testowych obrazów z Webba powoływaliśmy się na analogię z przesiadką z wideo HD na 8K, by zilustrować ogromny skok w rozdzielczości obserwacji. To co zdarzyło się w przypadku czwartego z teleskopów VLT (Very Large Telescope), gdy jeden z instrumentów o nazwie NACO zastąpiono nowym o nazwie ERIS, to podobnego typu doświadczenie. Zwłaszcza, że dotyczy obserwacji w podczerwieni, w której obserwuje też Webb.

Zmianę można też opisać jak operację wzroku. Podobną jak w przypadku Hubble’a i instrumentu COSTAR w 1993 roku, a nawet jeszcze lepszą. Zresztą zdjęcia przed i po mówią same za siebie.

Galaktyka NGC 1097, która znajduje się w konstelacji Pieca w odległości 45 milionów lat świetlnych od Ziemi. Jej rozmiar kątowy to jedynie 0,03% rozmiaru jaki ma na niebie Księżyc w pełni. Tyle co niewielki krater na jego powierzchni. Po lewej zdjęcie z NACO, po prawej z ERIS (fot: ESO)

Wspomniany teleskop VLT, o nazwie Yepun, wykorzystuje układ optyki aktywnej i adaptatywnej, z laserowymi projektorami sztucznych gwiazd na niebie, by korygować wibracje atmosfery. Ta aparatura była wykorzystywana już przez NACO i bez niej pewnie obserwacje byłyby jeszcze słabsze.

Nowy instrument ERIS również wykorzystuje optykę aktywną/adaptatywną, ale robi to jeszcze lepiej dzięki wyższej rozdzielczości i efektywniej działającym detektorom. Jak wskazuje nazwa jest to narzędzie zarówno do obrazowania obiektów kosmicznych, takich jak galaktyki i znajdujące się w nich gwiazdy, jak i pomiarów widm oraz obserwacji planet wokół gwiazd (po zastosowaniu koronografu).

ERIS, czyli Enhanced Resolution Imager and Spectrograph, wyposażono w kamerę bliskiej podczerwieni o nazwie NIX oraz spektrograf SPIFFER. Według Instytutu Maxa Plancka ERIS będzie skutecznie pełnił swoją rolę przez co najmniej 10 lat (fot: MPE)

Sukces projektu ERIS, bo tak opisywane jest całe przedsięwzięcie, to dowód na to, że istniejące dziś teleskopy mogą bardzo dużo zyskać dzięki wymianie aparatury obserwacyjnej. To samo można byłoby powiedzieć w przypadku aparatu cyfrowego, gdyby dało się w nim wymienić sensor i procesor obrazu. Bo takie detale jak wymiana migawki czy czyszczenie matrycy to działania podobne do konserwacji zwykłego teleskopu.

Źródło: Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics, inf. własna