Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 36 – vyšlo 30. září, ročník 14 (2016) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

36/2016

Jak pokračuje stavba E-ELT?

Jaroslav Trnka

V oblasti pozemní optické astronomie se zanedlouho dočkáme posunutí hranice o notný kus dopředu. Adaptivní optikaAdaptivní optika – slouží ke korekci vysokofrekvenčních změn obrazu způsobených zejména turbulencí atmosféry (až 500 korekcí za sekundu). Korekce se provádí počítačem řízenými posuny a deformacemi pomocných zrcátek. K vyhodnocení aktuálního tvaru vlnoplochy slouží referenční hvězda, která se musí nacházet v blízkosti pozorovaného objektu. Asi v 1% případů lze využít přirozenou hvězdu (NGS – Natural Guide Star). Většinou se používá umělá hvězda (LGS – Laser Guide Star), která se vytváří laserovým paprskem fokusovaným do výšky přibližně 90 km, kde zpětným rozptylem vzniká skvrna zářících sodíkových atomů. Druhou možností je využití Rayleighovy difúze ve výškách 10 až 20 km. Umělou hvězdu můžeme vytvořit jakkoli blízko sledovanému objektu, vyvstávají ale problémy spojené s její konečnou výškou a velikostí. smazala neduhy atmosféry a nyní míří vstříc nové metě -- dalekohledům o průměru v řádu desítek metrů. Vyrůst mají v příštích letech tři klíčové optické dalekohledy:

Logo obřího dalekohledu E-ELT.

ESO – European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, zkráceně European Southern Observatory, Evropská jižní observatoř. Organizace byla založena v roce 1962. Postavila řadu dalekohledů v Chile. Jde o lokality La Silla (2 400 m), kde je dalekohled NTT, dále Cerro Paranal (2 635 m) s čtveřicí dalekohledů VLT a planinu Llano Chajnantor (5 080 m), kde se nachází radioteleskopická síť ALMA. V současnosti je v Chile budován Extra velký dalekohled ELT, který bude zprovozněn v roce 2014 a celooblohová Observatoř Very Rubinové, která bude v rutinním provozu od roku 2023. Adaptivní optika – slouží ke korekci vysokofrekvenčních změn obrazu způsobených zejména turbulencí atmosféry (až 500 korekcí za sekundu). Korekce se provádí počítačem řízenými posuny a deformacemi pomocných zrcátek. K vyhodnocení aktuálního tvaru vlnoplochy slouží referenční hvězda, která se musí nacházet v blízkosti pozorovaného objektu. Asi v 1% případů lze využít přirozenou hvězdu (NGS – Natural Guide Star). Většinou se používá umělá hvězda (LGS – Laser Guide Star), která se vytváří laserovým paprskem fokusovaným do výšky přibližně 90 km, kde zpětným rozptylem vzniká skvrna zářících sodíkových atomů. Druhou možností je využití Rayleighovy difúze ve výškách 10 až 20 km. Umělou hvězdu můžeme vytvořit jakkoli blízko sledovanému objektu, vyvstávají ale problémy spojené s její konečnou výškou a velikostí. Aktivní optika – způsob korekce nízkofrekvenčních (0,03 Hz a nižších) deformací primárního zrcadla. Poprvé byl systém aktivní optiky vyvinut a použit pro dalekohled NTT (New Technology Telescope) o průměru 3,5 metru, který patří ESO a je umístěn na hoře La Silla. Aktivní optika by měla eliminovat především tyto jevy: stálé výrobní vady, tepelné deformace způsobené teplotním gradientem, kompenzace vlastního průhybu zrcadla způsobeného gravitací, kompenzace nízkofrekvenční složky deformace zrcadla způsobené větrem a změny způsobené přechodem mezi Nasmythovým a Cassegrainovým ohniskem.

Trocha historie

Dalekohled E-ELT bude jeden ze členů nejvyšší třídy obřích pozemních dalekohledů, které slibují revoluci v našem pohledu na vesmír a v jeho chápání. Nový evropský dalekohled bude obrovským skokem vpřed ve výzkumu vesmíru. Výjimečný projekt si také žádá výjimečnou technickou připravenost ve všech oblastech realizace. Dosavadní zkušenosti Evropské jižní observatořeESO – European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, zkráceně European Southern Observatory, Evropská jižní observatoř. Organizace byla založena v roce 1962. Postavila řadu dalekohledů v Chile. Jde o lokality La Silla (2 400 m), kde je dalekohled NTT, dále Cerro Paranal (2 635 m) s čtveřicí dalekohledů VLT a planinu Llano Chajnantor (5 080 m), kde se nachází radioteleskopická síť ALMA. V současnosti je v Chile budován Extra velký dalekohled ELT, který bude zprovozněn v roce 2014 a celooblohová Observatoř Very Rubinové, která bude v rutinním provozu od roku 2023. s podobnými projekty jasně dokazují, že budovat společně se svými partnery továrny na vědu skutečně ovládají. Přesto je stavba E-ELT něčím výjimečná. Někdo může namítnout, že je to jen otřepané klišé, které neodmyslitelně patří k prezentaci něčeho nového. Přece každý projekt byl ve své době něčím unikátní a každý měl svá specifika. Nikoliv. E-ELT výjimečný je a bude. Největším kompaktním dalekohledem současnosti je Velký Kanárský dalekohled (Gran Telescopio Canarias) o průměru 10,4 m, který provozuje Španělsko (90 %), Mexiko (5 %) a USA (5 %) na ostrově La Palma. V devadesátých letech a na přelomu tisíciletí bylo postaveno celkem 13 velkých dalekohledů, přičemž průměry hlavních zrcadel se pohybovaly nejčastěji zhruba od 8 do 10 metrů. Zvykli jsme si také na stavby interferometrů, kdy dva a více dalekohledů dokáží pracovat společně. To je hlavní argument výjimečnosti projektu E-ELT. Žádné přidání metru či dvou k velikosti stávajících zrcadel. E-ELT soustředí více světla než všechny existující 8 až 10 metrové dalekohledy na světě dohromady! Ohromná sběrná plocha hlavního objektivu podpořená adaptivní optikouAdaptivní optika – slouží ke korekci vysokofrekvenčních změn obrazu způsobených zejména turbulencí atmosféry (až 500 korekcí za sekundu). Korekce se provádí počítačem řízenými posuny a deformacemi pomocných zrcátek. K vyhodnocení aktuálního tvaru vlnoplochy slouží referenční hvězda, která se musí nacházet v blízkosti pozorovaného objektu. Asi v 1% případů lze využít přirozenou hvězdu (NGS – Natural Guide Star). Většinou se používá umělá hvězda (LGS – Laser Guide Star), která se vytváří laserovým paprskem fokusovaným do výšky přibližně 90 km, kde zpětným rozptylem vzniká skvrna zářících sodíkových atomů. Druhou možností je využití Rayleighovy difúze ve výškách 10 až 20 km. Umělou hvězdu můžeme vytvořit jakkoli blízko sledovanému objektu, vyvstávají ale problémy spojené s její konečnou výškou a velikostí. nabídne astronomům snímky patnáctkrát ostřejší než ty z Hubblova vesmírného dalekohleduHST (Hubble Space Telescope) – Hubblův vesmírný dalekohled. Největší dalekohled na oběžné dráze kolem Země, kde byl v roce 1990 umístěn do výšky 614 km. Průměr primárního zrcadla je 2,4 m. Z hlediska kosmologie je zajímavý HST Key Project (klíčový projekt HST), který v roce 1999 posloužil k prvnímu přesnému určení Hubbleovy konstanty. V lednu 2004 NASA zrušila servisní mise k tomuto unikátnímu přístroji, nicméně v roce 2006 bylo rozhodnuto o poslední servisní misi, která měla proběhnout v roce 2008. Mise byla kvůli závadě na dalekohledu odložena a uskutečnila se v květnu 2009.!

E-ELT soustředí více světla než všechny existující osmi až desetimetrové
dalekohledy na světě dohromady. Zdroj: ESO.

Projekt E-ELT vzešel z původního plánu dokonce stometrového dalekohledu, který se ukázal jako nerealizovatelný současnými technologiemi v rozumné cenové relaci. Dalekohled bude mít nakonec průměr „jen“ 39,3 metrů. V původním návrhu sice stálo 42 metrů, ale v roce 2011 byl plán přepracován kvůli snížení nákladů a urychlení výstavby.

Do konečné fáze výběru místa, kde bude nový E-ELT postaven, postoupily lokality Armazones, Ventarrones, Tolonchar, Vizcachas v Chile a La Palma ve Španělsku. Rozhodnutí řídicího orgánu ESO vzešlo z rozsáhlého srovnávacího meteorologického průzkumu, který trval několik let. Většina výsledků, získaných při této kampani pro výběr vhodné lokality, byla zveřejněna v průběhu roku 2010. Podle této zprávy byla lokalita Cerro Armazones poblíž Paranalu jednoznačným favoritem na vítěze, neboť v rámci zadaných kritérií má nejvyváženější pozorovací podmínky. Nelze přitom opomenout, že při výběru lokality sehrálo podstatnou roli možnost provozovat nový dalekohled v těsné blízkosti ESO Paranal Observatory, která je doslova na dohled od Cerro Armazones. Budou tedy spolu sdílet ideální podmínky pro astronomická pozorování, které nabízejí přes 320 jasných nocí do roka! Rozhodnutí dlouhodobě garantuje budoucnost Paranalu jako jedné z nejvyspělejších observatoří na světě a je vnímáno i jako logický krok v posílení samotné ESOESO – European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, zkráceně European Southern Observatory, Evropská jižní observatoř. Organizace byla založena v roce 1962. Postavila řadu dalekohledů v Chile. Jde o lokality La Silla (2 400 m), kde je dalekohled NTT, dále Cerro Paranal (2 635 m) s čtveřicí dalekohledů VLT a planinu Llano Chajnantor (5 080 m), kde se nachází radioteleskopická síť ALMA. V současnosti je v Chile budován Extra velký dalekohled ELT, který bude zprovozněn v roce 2014 a celooblohová Observatoř Very Rubinové, která bude v rutinním provozu od roku 2023.  -- vůdčí organizace světové pozemní astronomie.

Jeden z pomocných dalekohledů, které rozšiřují základnu interferometru VLTVLT – Very Large Telescope, čtveřice dalekohledů ESO postavená v Chile na Cerro Paranal (2635 m). Dalekohledy mají celistvá zrcadla o průměru 8,2 metru (Antú – 1998; Kueyen – 1999; Melipal – 2000; Yepun – 2001). Názvy zrcadel znamenají v Mapušštině Slunce, Měsíc, Jižní Kříž a Venuši. Sběrná plocha každého z velkých přístrojů je 53 metrů čtverečních. Dalekohledy jsou vybaveny systémem adaptivní a aktivní optiky. Další menší pomocné dalekohledy tvoří s hlavní čtveřicí výkonný interferometr o základně 200 m, jehož srdcem je od roku 2015 přístroj Gravity – interferometr druhé generace. (Very Large Telescope) na Paranalu. V pozadí je vidět Cerro Armazones, na jehož vrcholu bude postaven E-ELT. Zdroj: ESO/Jean Marc Lecleire.

Stavba E-ELT započala dne 19. června 2014, kdy byl za přítomnosti médií odstřelen vrcholek hory Cerro Armazones. Odstraněním zhruba 300 000 m³ zeminy mělo za následek vznik přibližně 150 m x 150 m velké platformy pro základ nového dalekohledu. Chilská vláda poskytla 189 km² pozemků kolem Cerro Armazones pro instalaci dalekohledu E-ELT a po dobu 50 let bude garantovat i koncesi vztahující se k oblastem okolo observatoře. Tato větší oblast o rozloze 362 km² bude chránit dalekohled E-ELT před světelným znečištěním a vlivy těžebních aktivit.

Snímek ukazuje aktuální pohled na srovnaný vrcholek Cerro Armazones
s dokončenou přístupovou komunikací. Zdroj: ESO/G. Hüdepoh.

Jak bude dalekohled vypadat?

Hlavní nosná konstrukce nového dalekohledu bude dosahovat hmotnosti 3 350 tun oceli, přičemž do pohybu bude uváděna alt-azimutální část montáže dalekohledu o hmotnosti 755 tun kolem dvou kolmých osy (azimutAzimut – úhel, který svírá svislá rovina procházející tělesem a zenitem s rovinou místního poledníku. V astronomii se azimut měří od jihu směrem k západu. Následkem otáčení nebeské sféry se mění azimut v závislosti na čase. a výška). Na dvojici masivních kolébek se dalekohled otáčí ve výškové ose, zatímco tři azimutální dráhy s axiálním zatížením umožní otáčení dalekohledu kolem zenituZenit (nadhlavník) – bod svisle nad námi. . Konstrukce musí na jednu stranu poskytnout dostatečně tuhé rozhraní pro primární zrcadlo se segmenty a na druhou stranu by její hmotnost a hmotnost podpory neměly být extrémně veliké. Obě osy podpírají hydrostatická ložiska. Montáž bude poháněna elektrickými motory s přímým pohonem a přesností 0,3 obloukové vteřiny, a to i za maximální síly větru. Azimutální patro se bude pohybovat na axiálních ložiscích o průměrech 51,5 m, 34 m a centrálním čtyřmetrovém prstenci. Axiální hydrostatická ložiska jsou umístěna na celkem 36 pozicích, které podpírají hlavní konstrukci dalekohledu.

Nalevo: Konstrukční struktura tubusu a montáže E-ELT. Napravo: Azimutální ložisko
a uspořádání podpěrných bodů. Zdroj: ESO.

Dalekohled bude instalován na centrální symetrické radiální konstrukci s kruhovou základnou s celkovým vnitřním průměrem 79 m a vnějším průměrem 92 m. Minimální výšku nad terénem bude 12,4 m. Po celou dobu pozorování bude zachován provozní rozsah dalekohledu do 30° nad horizontem. Jednou z klíčových úloh základů bude izolace přístroje od zemětřesení. Tomu by měl zabránit speciálně navržený systém složený ze čtyř různých tlumících prvků, které by měly zajistit vysokou tuhost při běžném provozu dalekohledu a redukci zatížení v některých místech až o 30%. Izolační prvky budou mít naopak nízkou tuhost při tlumení seismických změn s tlumícím faktorem 15 %.

Nalevo: Základová část nového dalekohledu a kopule nad ním. Napravo: Samostatná
jednotka azimutální části montáže. Zdroj: ESO.

Speciální částí azimutální jednotky jsou tzv. fokální stanice, jsou dvě a každá z nich váží 28 tun. Platforma v Nasmythově ohnisku dalekohledu unese až 98 tun přístrojů při plném využití výkonu přístroje. Pohyb dalekohledu ve svislém směru umožní obří kolébka, kterou podpírá deset identických hydrostatických ložisek, jedno z nich je radiální a dvě boční. Ložiska jsou instalována do společné sestavy v těsné blízkosti pohonu.

Základem optické části dalekohledu je eliptické konkávní primární zrcadlo o průměru 39,3 m s poloměrem křivosti 69 m. Zrcadlo bude vyrobeno z jednotlivých optických prvků – primárních zrcadlových segmentů. Segmenty mají kvazi-hexagonální tvar, diagonální průměr 1,45 m a tloušťku 50 mm (měřeno ve středu). Segmenty bude od sebe navzájem dělit vzdálenost 4 mm. Samotné segmenty se vyrábějí z materiálů s nízkou roztažností (skla nebo keramiky), jako jsou například ULE (Ultra Low Expansion glass), Zerodur, Astrositall nebo Clearceram. Hexagonální segmenty jsou rozděleny do šesti sektorů po 133 segmentech. Celou plochu 978 m² primárního zrcadla bude tedy tvořit celkem 798 segmentů. Vyrobeno však bude dohromady 931 segmentů, aby bylo možné zajistit provozní režim dalekohledu vzhledem k životnosti reflexní vrstvy, kterou je každý segment opatřen. Reálně to znamená, že se bude muset každý den vyměnit jeden nebo dva segmenty, neboť reflexní vrstva má v prostředí Atakamské pouště, do níž Cerro Armazones patří, životnost pouhých 18 měsíců.

Nalevo: Detail konstrukce hlavních podpěr primárního segmentového zrcadla. Napravo: Deformační systém (krokový motor s převodovkou a torzní trubkou) je součástí každé z podpěr dalekohledu. Zdroj: ESO.

Každé segmentové zrcadlo je v axiálním směru podepřeno 27 opěrnými body. Tyto body jsou seskupeny do devíti stativů se třemi základními podporami. Celkový počet 27 opěrných bodů je ideální, protože umožňuje snížit gravitací vyvolané deformace zrcadla na minimum. Tři opěrné body umožňují reakční zatížení rovnoběžné s povrchem segmentu. Nutno však podotknout, že se nejedná pouze o pasivní korekci deformace při svislé změně polohy dalekohledu. Celá segmentová jednotka totiž navíc umožňuje korekci celkového tvaru primárního zrcadla (systém aktivní optikyAktivní optika – způsob korekce nízkofrekvenčních (0,03 Hz a nižších) deformací primárního zrcadla. Poprvé byl systém aktivní optiky vyvinut a použit pro dalekohled NTT (New Technology Telescope) o průměru 3,5 metru, který patří ESO a je umístěn na hoře La Silla. Aktivní optika by měla eliminovat především tyto jevy: stálé výrobní vady, tepelné deformace způsobené teplotním gradientem, kompenzace vlastního průhybu zrcadla způsobeného gravitací, kompenzace nízkofrekvenční složky deformace zrcadla způsobené větrem a změny způsobené přechodem mezi Nasmythovým a Cassegrainovým ohniskem.). Pomocí torzní trubky v ose základní podpory může být docíleno změny optických parametrů. Torzní moment generuje dvojice krokových motorů umístněných na každé ze tří hlavních podpěr. Změnou přesně daného momentu je možné měnit normované módy -- tedy zaostření, astigmatismusAstigmatismus – optická vada, při které se dva mimoosé paprsky zobrazí do dvou různých ohnisek kolmo na osu. Astigmatické zrcadlo je konstruováno tak, že tuto vadu nemá., komuKoma (optická vada) – optická vada, při které se bodový objekt zobrazí jako útvar připomínající hlavu komety. Jde o formu nepravidelného astigmatismu, která není korigovatelná běžnými prostředky. nebo trefoilTrefoil – optická vada, při které se bodový objekt zobrazí jako útvar připomínající znak známý z kapot automobilů značky Mercedes. Jde o formu nepravidelného astigmatismu, která není korigovatelná běžnými prostředky.. Podpůrná jednotka zrcadlového segmentu má také za funkci korigovat tepelnou deformaci. Tepelná roztažnost působící mezi segmentem a nosnou konstrukcí způsobí, že 27 tečných ohybových momentů je vedeno do vzpěry segmentového spojení, která způsobuje deformaci ohniska zrcadlového segmentu. Vzhledem k rozdílu v tepelné roztažnosti mezi segmentovým zrcadlem a nosnou kovovou konstrukcí je obtížné kompenzovat tepelnou deformaci vyvolanou v radiálním směru. Proto je lepší, aby k němu byla kovová konstrukce necitlivá. Toho je dosaženo tím, že všechny podpůrné vzpěry segmentu jsou zeštíhlené. Tím se dosáhlo maximálního využití vysoké tahové pevnosti v porovnání s její tuhostí v ohybu. První funkční prototyp podpůrné jednotky byl vyroben už v roce 2010. ESO v lednu 2015 podepsalo kontrakt s firmou CESA (Španělsko) a VDL (Nizozemsko) na dodávku pomocných zařízení pro primární zrcadlo E-ELT. To navazuje na dřívější návrh a vývoj prototypů, které byly v ESO předtím intenzivně testovány. Kontrakt na dodávku 931 segmentů pro primární zrcadlo ještě nebyl uzavřen, podle plánu tak bude učiněno v listopadu 2016.

E-ELT bude s českou účastí

ESOESO – European Organisation for Astronomical Research in the Southern Hemisphere, zkráceně European Southern Observatory, Evropská jižní observatoř. Organizace byla založena v roce 1962. Postavila řadu dalekohledů v Chile. Jde o lokality La Silla (2 400 m), kde je dalekohled NTT, dále Cerro Paranal (2 635 m) s čtveřicí dalekohledů VLT a planinu Llano Chajnantor (5 080 m), kde se nachází radioteleskopická síť ALMA. V současnosti je v Chile budován Extra velký dalekohled ELT, který bude zprovozněn v roce 2014 a celooblohová Observatoř Very Rubinové, která bude v rutinním provozu od roku 2023. je nejvýznamnější mezivládní astronomická organizace Evropy, která v současnosti provozuje jedny z nejproduktivnějších pozemních astronomických observatoří světa. ESO podporuje celkem 16 zemí včetně České republiky, která se stala členem ESO v roce 2007. Roční příspěvek České republiky činí přibližně 1,4 milionů eur, což představuje 1,05 % příspěvku všech členských států. Na stavbu E-ELT přispěla jednorázově Česká republika v roce 2011 částkou 3 miliony eur. Pozorovací čas na zařízeních ESO je rozdělován na základě kvality soutěžících projektů. Míra úspěšnosti projektů podaných českými astronomy představuje přibližně 3,5 % pozorovacího času. České vědecké týmy a průmysl využívají celé řady zakázek na špičkové vědecké technologie. ESO doposud udělovalo zakázky bez ohledu na zpětnou distribuci ročních příspěvků od členských států. V souvislosti se stavbou E-ELT však bude preferován princip částečné návratnosti formou zakázek do příslušných států. Nicméně příležitosti pro české firmy zůstávají doposud jen v získávání menších zakázek. Stále zde totiž platí podmínka ze strany ESO, že velké zakázky získají výhradně firmy s minimálním ročním obratem 30 milionů eur. To většinou české firmy nemají šanci splnit. Proto v seznamu hlavních dodavatelů pro E-ELT nenalezneme jediného českého zástupce. Firmy z České republiky se tedy budou na stavbě E-ELT podílet na subdodavatelské úrovni – podobně, jako tomu bylo v minulých letech například na projektu radioteleskopu ALMA.

V některém z dalších čísel Aldebaran bulletinu se podíváme podrobně na detailní studii technicky náročného adaptivního zrcadla M4 dalekohledu E-ELT nebo na konstrukci obří kopule.

Návrh dalekohledu E-ELT. Šestiminutové video z dílny Evropské jižní observatoře.
Zdroj: ESO (mp4/h264, 69 MB)

Odkazy