• Nie Znaleziono Wyników

Jednym z zastosowań wielkich teleskopów nowej generacji

W dokumencie Postępy Astronomii nr 1/1992 (Stron 39-42)

będą obserwacje w podczer­

wieni. Na specjalne życzenie

Czytelników przybliżamy nie­

które problemy związane z tą

techniką.

Astronomia podczerwieni obejmuje badania promieniowania elektromag­ netycznego źródeł kosmicznych w za­ kresie od około OJ^m do około 1000|am (lunulO^m). Jest to zakres wielokrotnie szerszy od optycznego (0.4|jm - 0.7^m).

Do głównych źródeł promieniowania podczerwonego zalicza sią emisją zimnych obiektów jak np. planety, emisją pyłu, kosmiczne promieniowa­ nie tła, emisją (ciągłą i w liniach) gazu, nletermlczną emisją energetycznych cząstek.

Badania w podczerwieni mają klu­ czowe znaczenie w wielu dziedzinach astronomii gwiazdowej i pozagalakty- cznej. Obejmują one takie problemy jak: natura obiektów Układu Słonecz­ nego, formacja gwiazd i systemów gwiazdowych, warunki fizyczne towa­ rzyszące kotkowym stadiom ewolucji gwiazd, skład materii w ośrodku mią- dzygwiazdowym, chemiczna ewolucja galaktyk oraz ewolucja Wszechświata.

Pierwszej demonstracji istnienia promieniowania podczerwonego do­ konał Sir William Herschel w 1800 ro­ ku. Światło słoneczne po przejściu przez szklany pryzmat skierował on na zestaw czułych termometrów rozsta­ wionych tak, by różne składowe pro­ mieniowania padały na różne termo­ metry. Wskazanie termometru leżące­ go poza długofalową granicą widma optycznego było maksymalne, co oz­ naczało istnienie promieniowania pod­ czerwonego w świetle słonecznym.

Chociaż już na początku XX wieku E. Pettit i S. Nicholson dokonali pomiaru emisji podczerwonej Książyca, głów­ nych planet i najjaśniejszych gwiazd przy pomocy prymitywnych termosto-

sów, to za narodziny astronomii

pod-żyć będzie ok. 4 0 0 kg, a całe lustro głów ne 15 ton - mniej w ięcej tyle co teleskopu 5-m etrow ego na Mt. Palo- mar. W szystkie elem enty będą hiper- boloidami p ozaosiow ym i, a dokładny ich kształt określony jest przez od ­ ległość od centrum zwierciadła i dla­ tego, jak zostało zaznaczone na rysun­ ku, potrzebne są elem enty tylko sz e­ ściu typów. Podstawową zaletą przy­ jętego rozwiązania jest lekkość tak cienkich zw ierciadeł (w klasycznym

D/h = 20, tu ok. 130), łatwych do w y­

miany w ciągu jednego dnia i alumini- zacji nie wyłączającej teleskopu z j e ­ go normalnej nocnej pracy. (Zbuduje się po 6 elem entów każdego typu oraz po jednym dodatkowym .) R ów nocześ­

nie teleskop o takiej budowie będzie dużo tańszy (koszt proporcjonalny do

D 2 ), a jeg o konstrukcja nośna ważyć

będzie tylko 250 ton. M ontaż będzie azym utalny i zbudowany w formie kratownicy. Po jeg o bokach będą się znajdowały dwa tarasy dla ciężkich instrumentów korzystających z ognisk Nasm ytha. L żejsze instrumenty będą m ocow ane bezpośrednio do konstruk­ cji. Rozmiary tego typu teleskopów w przyszłości ograniczać będzie jedynie wytrzym ałość montażu, a nie jak u obecnych, niem ożliw e do skorygow a­ nia deform acje nazbyt cieżk iego lu­ stra. W yelim inow ane zostaną także problemy z transportem wielkich ele­ m entów w często niedostępne,

górzy-34 Postępy Astronomii 1 /1 9 9 2

SEEING

T u rb u h n tn y ruch atmosfery ziemskiej w is­ totny sposób pogarsza w arunki prowadze­ nia obserwacji astronomicznych. Wywołuje on dwojakiego rodzaju zaburzenia: fluktua­ cje kierunku - seeing (z ang. widzialność) oraz fluktuacje jasności obserwowanych obiektów - scyntylację.

Do powstania seem gu dochodzi, gd y jrla- ski dotąd front fali promieniowania obiektu, po przejściu strefy turbulentnej staje się frontem zaburzonym - sfa lo w a n y m . VJ te­ leskopie o średnicy m niejszej od rozmiarów elementów turbulencyjnych (np. 15 cm ), obserwujemy zm ienne nachylenie frontu fali - obraz gw iazdy przesuwa sit; w sposób nieregularny w polu widzenia. W teleskopie o dużej średnicy odchylenia sum ują sit; i>o- wodując rozmycie obrazu. Także wykonu­ jąc fotografii; otrzymamy obrazy rozmyte.

Stopieii rozmycia waha sit; w zależności od warunków miejsca obserwacji i aktualnego stanu atmosfery - osiągając nawet 10". Tylko w najkorzystniejszych miejscach (góry Chile, płaskowyże Kalifam i, Wyspy Kanaryjskie, Hawaje) są noce, gd y efekt ten spada poniżej 1".

Scyntylacja jest związana ze zmianą am ­ plitudy fali promieniowania przechodzące­ g o przi'z wyższe warstwy atmosfery. Pow­ szechnie objawia się ona jako dobrze znane migotanie gwiazd. Oglądając planety nie obserwujemy scyntylacji, gdyż sum ują się wówczas efekty ^wchodzące od różnych fragmentów tarczy planety. Dla większych teleskopów amplituda scyntylacji jest mniejsza.

sic rejony, w których buduje się dzi­ siaj obserwatoria. Zniknie także ryzy­ ko, żc jakaś przypadkowa katastrofa

R y j . i S C H E M A T M O N T A Ż U I B U D Y N K U

zniszczy bezpowrotnie całe cenne lu­ stro główne. (Podczas szlifowania lu­ stra wtórnego zdarzyło się w rejonie Zatoki Kalifornijskiej trzęsienie zie­ mi, które na szczęście nie wyrządziło żadnych szkód.)

Aby zminimalizować odkształcające działanie grawitacji, projektanci T ele­ skopu Kecka starali się, aby jego kon­ strukcja była maksymalnie zwarta (Rys. 3). Udało im się to znakomicie, dzięki czemu budynek i kopula będą miały średnicę 37 metrów, a więc w przybliżeniu taką, jak teleskop na M t.P alom ar. Przeznaczonemu dla in­ strumentu budynkowi poświęcono specjalne prace badawcze idące głów­ nie w kierunku zminimalizowania wy­ woływanych przez niego turbulencji atmosfery. Oprócz specjalnego opły­ wowego kształtu i składającego się z dwóch członów zamknięcia kopuły, na uwagę zasługują specjalne żaluzje ograniczające do niezbędnego mini­ mum szczelinę wejściową. Posunięto się nawet do tego, że budynki obser­ watorium zostaną pokryte warstwą pyłu wulkanicznego, aby ich własno­ ści termiczne były takie same jak ota­ czającego terenu. Wewnątrz budynku, dzięki systemowi dokonującemu peł­ nej wentylacji pomieszczenia w czasie 5 minut, utrzymywana jest stała tem­ peratura - równa tej na zewnątrz, a podczas dnia odpowiadająca przewi­ dywanej na następną noc. W ybór

Ha-czerwieni przyjmuje się rok 1960, kie­ dy Frank J. Low wynalazł niskoszu- mowy bolometr germanowo-galowy (Ge:Ga).

Promieniowanie podczerwone jest niewidoczne dła oka, toteż techniki używane do badania źródeł podczer­ wonych są różne od tych, które znala­ zły zastosowanie w astronomii optycz­ nej. W astronomii podczerwieni jako detektorów używa sią najczęściej ele­ mentów półprzewodnikowych zmie­ niających swoje przewodnictwo pod wpływem absorbowanego promienio­ wania (wewnętrzne zjawisko fotoeie-

ktryczne). Do najpopularniejszych

detektorów używanych w astronomii podczerwieni, obok szerokopasmowe* go bolometru germanowo-galowego Ge:Ga należą kryształy: PbS, In Sb, Ge:Hg, Si:As, Si:Sb.

W wyniku absorpcji fotonów pod­ czerwonych temperatura detektora rośnie. Dla temperatur bliskich 1 K opór elektryczny kryształu germano­ wego z domieszką galu jest z grubsza proporcjonalny do temperatury w czwartej potędze, co oznacza dużą czułość tego detektora dla niskich temperatur. Również ze względu na to, że szum termiczny detektora jest pro­ porcjonalny do kwadratowego pier­ wiastka jego temperatury dla uzyska­ nia większych czułości należy stoso­ wać chłodzenie elementów detekcyj­ nych. Procedura usuwania tła wymaga aby bolometr pracował naprzemiennie - (źródło* tło)/tło - toteż czas reakcji detektora na kwanty promieniowania powinien być możliwie krótki. Czas ten jest proporcjonalny do masy detektora i odwrotnie proporcjonalny

do przewodnictwa elektrycznego

układu detekcyjnego, zatem rozmiary kryształów półprzewodnikowych oraz podpiętych bezpośrednio do nich przewodów elektrycznych powinny być tak małe, jak tylko to możliwe. W praktyce detektory są sześciennymi kryształami o bokach od ok. 0.2 do ok. 0.4 mm z podłączonymi przewodami o średnicy od ok. 0.013 do ok. 0.025 mm i długości ok. 2.5 mm.

Obecny poziom światowej technolo­ gii ciała stałego pozwala już na rozpo­ częcie produkcji dwuwymiarowych układów detektorów podczerwonych w systemach 32x32, 64x64 I 128x128 komórek (pikseli) na wzór optycznych CCD.

Obok trudności technicznych towa­ rzyszących produkcji bardzo czułych detektorów podczerwonych istotnym problemem jest chłodzenie tych dete­ ktorów oraz ich osłanianie od poblis­ kich, na ogół bardzo silnych, źródeł promieniowania takich jak elementy konstrukcji teleskopu, przedmioty oto­ czenia czy atmosfera. Chłodzenie de­ tektorów służy obniżaniu poziomu ich własnego promieniowania termiczne­ go. Niską temperaturą rządu 1-5 K za­ pewniają w dzisiejszych teleskopach podczerwonych specjalne systemy chłodzenia, pracujące na wzór zwykłej chłodziarki domowej, ale wykorzystu­ jące ciecze o bardzo niskich tempera­ turach wrzenia - najczęściej ciekły hel, który wrze w temperaturze kilku K.

Zwierciadła teleskopów podczerwo­ nych są tymi elementami, które nie

nastręczają specjalnych kłopotów

gdyż mogą one być identyczne z tymi, które pracują w teleskopach optycz­ nych. Niełatwą natomiast rzeczą jest sytuowanie teleskopów podczerwo­ nych. Tutaj problemów dostarcza at­ mosfera ziemska, a ściślej zawarte w niej para wodna, dwutlenek węgla, ozon i pył. W zakresie podczerwonym promieniowania elektromagnetyczne­ go istnieje zaledwie kilka okien, w któ­ rych można prowadzić obserwacje na­ ziemne. Te wąskie okna rozciągają się wokół 1.25, 1.6, 2.3, 3.6, 5.0, 10.5 i 20 pm. Ze względu na zapylenie atmosfe­ ry naziemne teleskopy podczerwone powinny być sytuowane wysoko w górach w rejonach o suchym klimacie i małym zapyleniu. W najsuchszych warunkach wysokogórskich otwierają się dodatkowo okna wokół 33, 350 i 1000 |jm. Pozostałe obszary widma podczerwonego są dostępne z balo­ nów, samolotów oraz ze statków kos­ micznych.

Dla obserwacji naziemnych zarówno atmosfera jak i teleskop są stosunko­ wo cieple (250-300 K), stąd one domi­ nują w promieniowaniu, dając bardzo intensywne tło. Ideal izacja warunków obserwacji w podczerwieni idzie w kierunku minimalizacji tego promie­ niowania tła czyli obniżania

tempera-wajów na miejsce lokalizacji nowego teleskopu też był oczywiście nieprzypadkowy, a podyktowany ich znakomitymi warunkami dla prowadzenia obserwacji astronomicznych: dużą ilością pogodnych dni - ok. 250 w ciągu roku oraz ma­ łym

seeingiem

(patrz ramka na str. 35) atmosferycznym - mniejszym niż 1 sek. łuku pod­ czas połowy czasu obserwacyj­ nego.

E

lementy zwierciadła głów­nego wykonane s;| ze szkła

zerodurowego

(wsp. rozsze­ rzalności 1 x 10'8/°C) i mają początkowo formę owalnych menisków o średnicy 1.9 m (Rys. 4). Dla nadania im po­ trzebnego kształtu zastosowa­ no nową technikę formowania. W pierwszym etapie poddaje się je dzia­ łaniu starannie wyliczonych sił, przy­ łożonych do krawędzi, a wywołanych przez obciążniki. Sterowane kompute­ rowo szlifowanie ma ponownie nadać, zdeformowanej nimi powierzchni, sfe- ryczność. Dopiero wówczas uwalnia się przyłożone siły, po czym lustro w procesie relaksacji przyjmuje żądaną formę pozaosiowej hiperboloidy. Nas­ tępnie blok obcina się do postaci sze- ściokąta i nawierca w jego tylnej części 55 otworów, do których montu­ je się system podtrzymujący. Dzięki tym zabiegom usunięte zostają, wystę­ pujące zwłaszcza na brzegach, napię­

S C H E H A T S Z L I F O W A N I A I P R Z Y C I Ę C I A

cia wewnątrz materiału. Jednocześnie działania te wprowadzają pewne do­ datkowe zniekształcenia. Ich efekt jest przewidywalny i został częściowo skompensowany już w pierwszej fazie szlifowania. Ostateczny kształt zostaje nadany powierzchni za pomocą miej­ scowych retuszy. Okazało się jednak, iż są one bardzo pracochłonne i dlate­ go postanowiono prowadzić je tylko do momentu, w którym zadanie usu­ nięcia błędów wyprofilowania krzy­ wizny każdego segmentu może prze­ jąć zespół 30 resorów listkowych, sta­ nowiących deformującą uprząż, umo­ cowaną do konstrukcji podtrzymują­ cej i będącą jej stałą częścią.

Pojedynczy, sześciokątny .segment zwierciadła teleskopu Kecka, pomimo przekątnej 1.8 m ma grubość zaledwie 75 inni. MoZliwość składania duZych powierzchni zbierających z luster o tak niewielkiej grubości otwiera praktycznie nieograniczone możliwości dla budowy wielkich

teleskopów nowej generacji (zdjęcie MERCURY 1/1991).

Po wyprodukowaniu każdego sze­ ściokątnego fragmentu dokonuje się sprawdzenia poprawności jego działa­ nia jako elementu całego zwierciadła. W tym celu jest on montowany do przeznaczonej dla siebie komórki kon­ strukcji teleskopu, a następnie, przy zastosowaniu specjalnych przyrządów testu autokolim acyjnego, jest badana jakość obrazów źródła punktowego, tworzonych przez ten segment w og­ nisku teleskopu. Przeprowadzone ana­ lizy kom puterowe pokazują, że błędy wykonania powierzchni każdego ele­ mentu nic powinny przekroczyć 0.1 mikrona.

K

onstruktorzy założyli, że zdol­ ność rozdzielcza nowego tele­ skopu ograniczona będzie jedynie wa­ runkami atmosferycznymi oraz dyfra­ kcją. Ma to zapewnić system pasyw ­ nego i aktywnego podtrzymywania elementów zwierciadła, eliminujący różnorodne deform acje. Część pasyw ­ na tego systemu ograniczy przesunię­ cia oraz rotacje. Jego głównym ele­ mentem jest pierścień o średnicy 25 cm i grubości 2.5 cm. Będzie on ró­

wnoległy do płaszczyzny segmentu, a umocowany w jego środku ciężkości (Rys. 2). Dokładność wykonania i ja ­ kość użytych materiałów zapewnią, że sam system pasywny będzie utrzym y­ wał teleskop w położeniu zenitalnym nie pozwalając na wywołane grawita­ cją odchylenia większe niż 10 nm. Stopień zdeformowania kształtu lustra zmienia się wraz ze zmianą położenia teleskopu, dlatego doskonała jakość obrazów nic byłaby możliwa bez sys­ temu aktywnego, który dzięki giętko­ ści centralnego pierścienia, może ko­ rygować wzajemne nachylenia seg­ mentów, dokonując przesunięć w kie­ runku pionowym.

System aktywnego podtrzymywania zwierciadła wymaga dokładnych in­ formacji o położeniu każdego sześcio­ kątnego fragmentu. Dostarczy ich 168 mierników - po dwa na każdym brze­ gu łączącym sąsiadujące segmenty (Rys. 2). Liczba użytych czujników znacznie przewyższy niezbędną, co umożliwi eliminację przypadkowych błędów w pomiarach oraz rozpoznanie i wyłączenie niesprawnych

clcmcn-tury teleskopu i jego otoczenia oraz w kierunku wzrostu przeżroczystości nieba nad teleskopem. Wiązka folome- tryczna musi być tak mała jak tylko to możliwe w swoje] rozciągłości kątowej dla zmniejszenia liczby fotonów tła. Atmosfera ponad stanowiskiem te­ leskopu musi wiąc mieć wspaniały

seeing co oznacza, że nie powinna

ona zaburzać czytelności obrazu w te­ leskopie. Teleskopy podczerwone przystosowane do obserwacji w sze­ rokim zakresie widma są obecnie umieszczane na orbicie okołoziem- sklej. Dla eliminacji tła instrumental­ nego ich optyka może być tam studzo­ na do kilku łC Dostępne obserwacjom jest całe widmo podczerwone, a ze wzglądu na brak problemów z atmo­ sferycznym zaburzeniem jakości obra­ zu , obserwacji można dokonywać z maksymalną możliwą rozdzielczością, ograniczoną jedynie dyfrakcją na aperturze.

Po udanej misji obserwacyjnej sate­ litarnego teleskopu podczerwonego IRAS planuje się na najbliższe lata uruchomienie dalszych orbitalnych te­ leskopów podczerwonych: 60-centy- metrowego ISO (ang. Infrared Astro­

nomy Satellite), 80-centymetrowego

S IR T F (ang. Space InfraRed Telescope

Facility) i innych.

Podczerwone teleskopy orbitalne, w związku z wymaganiami im stawiany­ mi, należą do najdroższych inwestycji astronomicznych. C zy wobec tego ob­ serwacji w podczerwieni nie można zastąpić innymi, mniej kosztownymi? W wielu przypadkach byłoby to możli­ we, ale istnieją dwie zasadnicze przy­ czyny rozwoju kosztownych i bardzo skomplikowanych obserwacji w tym zakresie widma. Pierwszą z nich jest fakt, że ziarna pyłu kosmicznego emi­ tują intensywnie właściwie tylko w podczerwieni. Drugą przyczyną jest duża przezroczystość obłoków pyło­ wych dla promieniowania z tego ob­ szaru widma.

W dokumencie Postępy Astronomii nr 1/1992 (Stron 39-42)

Powiązane dokumenty