Tak przewozi się zwierciadło największego teleskopu świata - ELT

W astronomii obserwacyjnej sprawdza się zasada „im większe zwierciadło” tym lepszej rozdzielczości obserwacje. Oczywiście technologie mogą się zmieniać, ale przy zachowaniu konkretnego sposoby budowania instrumentów optycznych, to rozmiar ma znaczenie. To dlatego teleskop kosmiczny Webb oferuje znacznie wyższej rozdzielczości obrazy niż Hubble w apogeum możliwości, choć trudno je bezpośrednio porównywać, bo obejmują one różne zakresy promieniowania. Jest też jednak i współpraca Hubble z Webbem. Gdy jednak ograniczymy się do światła widzialnego, bliskiej podczerwieni i bliskiego ultrafioletu rejestrowanych przez naziemne teleskopy, to jaki mamy dziś szczyt możliwości?

Ograniczenia jakie mają naziemne teleskopy i co możemy zrobić

Największe obecnie teleskopy optyczne na Ziemi mają około 9-11 metrów średnicy (GTC, HET, Salt, Keck) zwierciadła głównego. Mamy też trochę teleskopów o rozmiarze 6-8 metrów (VLT, Magellan, Subaru, Gemini) i to są najpotężniejsze urządzenia jakimi dysponujemy. Ich możliwości w porównaniu z podobnych rozmiarów, czyli teleskopami klasy 5-6 metrów sprzed 50 lat są znacznie większe niż wskazuje na to różnica w rozmiarze zwierciadeł, a to dzięki zastosowaniu optyki adaptatywnej, która niweluje wpływ największego wroga astronomów, ziemskiej atmosfery. Jednak niezależnie od tego jak bardzo efektywna byłaby taka optyka, pewnych przeszkód nie pokonamy. Jednej, czyli blokowania przez ziemską atmosferę pewnych długości fal nie da się obejść. I po to umieszczamy teleskopy na orbicie Ziemi (Hubble, Chandra), a nawet w dużo większej odległości (Webb, Kepler, Spitzer).

Zaćmienie Księżyca nad obserwatorium Paranal w Chile. Tu pracują teleskopy z największymi pojedynczymi zwierciadłami na świecie, które mają średnicę 8,2 metra. (fot: ESO)

Za to drugie ograniczenie, rozdzielczość obserwacji we współpracy z optyka adaptatywną jest do obejścia. Trzeba nam tylko dużo większych zwierciadeł w teleskopach. Jak dużo można zyskać da się zobaczyć nawet przy pomocy amatorskich instrumentów. Jowisz obserwowany przez lornetkę z powiększeniem 20x wygląda znacznie ciekawiej niż w przypadku lornetki 7x, czyli takiej która jest najczęściej kupowana. Tę 20x lornetkę trzeba jednak umieścić na statywie, bo inaczej z dobrych obserwacji nici. I podobnie jest w świecie wielkich teleskopów. Im większy, tym trudniej go ustabilizować, tym bardziej skomplikowana jest budowa zwierciadła i jego podpór.

Największe zwierciadło w historii astronomii będzie miało 39 metrów średnicy

W przypadku największego budowanego obecnie teleskopu, czyli ELT (Ekstremalnie Wielki Teleskop), główne zwierciadło ma aż 39 metrów średnicy (wizualizacja na zdjęciu wejściowym do tekstu). To powierzchnia porównywalna, a nawet większa, niż rozmiarem dwóch kortów tenisowych i to z uwzględnieniem tak zwanych wybiegów, czyli przestrzeni wokół każdego z kortów po której mogą poruszać się zawodnicy.

Segmenty zwierciadła ELT, które czekają na swoją obróbkę. (fot: ESO)

I segmenty zwierciadła ELT, które zostały już wycięte i są gotowe do szlifowania. (fot: ESO)

Tak duże zwierciadło nie może być wykonane z monolitycznego kawałka szkła. Największe monolityczne segmenty szklane o średnicy 8,4 metra stosowane będą przy budowie innego dużego teleskopu, Wielkiego Teleskopu Magellana. Są na dodatek okrągłe. Z kolei w ELT stosowane są klasyczne segmenty sześciokątne, takiego kształtu jak w Webbie, które po zainstalowaniu obok siebie stworzą odpowiednik pojedynczego zwierciadła. Tych segmentów główne zwierciadło ELT będzie miało 931, z czego 798 będzie stale tworzyć główne zwierciadło (teleskop będzie miał jeszcze pięć innych, w tym największe zwierciadło wtórne o średnicy 4,2 metra). Pozostałe będą potrzebne jako części zamienne, między innymi w czasie, gdy sukcesywnie segmenty zwierciadła głównego będą poddawane okresowemu ponownemu nałożeniu powłoki odbijającej światło, co robi się w każdym teleskopie.

Tak opakowane segmenty zwierciadła czeka 10 tysięcy kilometrów podróży do Chile. (fot: ESO)

Jeden sześciokątny segment zwierciadła wycinany jest z okrągłego kawałka szkła SCHOTT Zerodur o średnicy około 1,5 metra. Grubość wyszlifowanego segmentu to tylko 5 cm, a waga wraz z podporą zapewniającą wsparcie optyki aktywnej, to 250 kilogramów. Jest to sporych rozmiarów komponent, ale znacznie łatwiejszy do zapakowania i transportu niż jedno 39-metrowe zwierciadło. Zwierciadła są odlewane w firmie SCHOTT w Moguncji w Niemczech, potem szlifowane we Francji w Safran Reosc. Do tego niemiecka firma Physik zbudowała siłowniki do sterowania pozycją każdego segmentu, a niemiecko-francuskie konsorcjum FAMES sensory kontrolujące tę pozycję.

Teraz wystarczą zwykłe TIRy by przetransportować, kawałek po kawałku, zwierciadło ELT. (fot: ESO)

W przypadku obecnych teleskopów klasy 6-8 metrów (te większe są już segmentowe) i monolitycznych zwierciadeł cały transport był ogromnie wymagająca procedurą, często wymagającą budowy nowych dróg na pustyni w Chile lub tam gdzie budowano taki teleskop. A i tak pojazdy, którymi zwierciadła pokonywały drogę na „górkę” poruszały się bardzo powoli, niewiele szybciej niż transporter rakiety w centrum Kennedy’ego.

Segmenty zwierciadła głównego ELT są produkowane w technice, którą można nazwać procesem 10 nm, gdyż takie są dopuszczalne maksymalne odstępstwa od idealnie gładkiej powierzchni. To mniej niż jedna tysięczna grubości ludzkiego włosa.

Zapakowane w oddzielne pudła, segmenty teleskopu ELT również trzeba przewozić z ostrożnością, ale będzie to znacznie prostsze. Poza tym utrata jednego segmentu w transporcie nie będzie tak kosztowna jak w przypadku uszkodzenia monolitycznego zwierciadła, które należałoby wtedy wymienić w całości lub pogodzić się z degradacją jakości obrazu.

Świąteczny prezent dla astronomów i inżynierów pracujących przy budowie teleskopu ELT w Chile. (fot: ESO)

Pierwsze segmenty zwierciadła ELT już w drodze do Chile

W połowie 2023 roku ESO poinformowało, że teleskop ELT jest gotowy już w 50%. Ta połowa prac nie do końca była widoczna na zdjęciach, ale teraz, gdy pierwsze segmenty ogromnego zwierciadła wyruszyły w podróż z Francji do Chile, daje się odczuć, że jesteśmy bliżej ukończenia budowy niż jej początku. Za transport odpowiada Duńskie przedsiębiorstwo DSV, które znane jest jako dostawca usług logistycznych także w Polsce.

Obecny stan budowy teleskopu ELT. (fot: ESO)

Zwierciadło teleskopu ELT wysyłane jest do Chile w paczkach po troszeczku. Najpierw ruszyła partia 18 paczek. Kolejne już czekają na transport. Niestety paczki są za duże, by zmieścić je w paczkomacie.

W podróży do Chile jest już 18 segmentów, co ciekawe dokładnie tyle ile potrzeba było do zbudowania zwierciadła teleskopu Webb. Gotowych segmentów jest jednak już więcej. Na początku listopada było ich 100, a teraz jest już o kilkanaście więcej. Obecnie tempo produkcji segmentów zwierciadła wynosi około 4 egzemplarzy na tydzień, a niedługo będzie to 5. W tym tempie wyprodukowanie wszystkich brakujących segmentów zajmie jeszcze około 3,5 roku. Dlatego nie należy spodziewać się pierwszego światła ELT wcześniej niż w 2028 roku, a zakładając, że po drodze mogą pojawić się kłopoty konstrukcyjne, a także trzeba będzie czasu, by te kilkaset segmentów ze sobą dobrze zgrać, nawet później.

Ilustracja, która pokazuje jak dużym skokiem w rozdzielczości będa obserwacje w bliskiej podczerwieni prowadzone przez teleskop ELT z pomocą projektowanego instrumentu MICADO, w porównaniu z Hubble (kamera WF3) i Webbem (kamera NIRCam). Przykłady dla trzech różnej gęstości pól gwiazdowych pokazują, że dopiero ELT odkryje ich prawdziwą naturę. (fot: ESO)

Jednak, gdy teleskop ELT już powstanie, to uzyskane przez niego obrazy rozdzielczością przyćmią to nad czym teraz tak się zachwycamy w przypadku teleskopu Webb. Będą to oczywiście obrazy w innych długościach fal, ale być może w końcu doczekamy się pierwszych zdjęć tarcz planet pozasłonecznych, choć i dla ELT będzie to ogromne wyzwanie.

Źródło: ESO, inf. własna