V gostyah u teleskopa imeni Dzheimsa Klarka Maksvella |
Kapriznye teleskopy (vmesto predisloviya) Kogda razgovor zahodit o submillimetrovyh teleskopah, nuzhno vsegda pomnit', chto oni kraine trebovatel'ny k vyboru mesta. Na karte Zemli naidetsya sovsem nemnogo tochek, gde oni mogli by uspeshno rabotat'. Glavnaya (no ne edinstvennaya) prichina - nalichie vodyanogo para v atmosfere, kotoryi dazhe v nichtozhnyh kolichestvah sil'no pogloshaet infrakrasnoe i submillimetrovoe izluchenie. Dazhe v suhoi bezoblachnyi den' kolichestvo vodyanogo para na urovne morya sostavlyaet ne menee 30-50 mm (eto oznachaet, chto esli vsya vlaga vnezapno vypadet na zemlyu v vide dozhdya, ona obrazuet sloi kak raz takoi tolshiny). Eto kolichestvo mnogokratno prevyshaet tot uroven', pri kotorom atmosfera pochti polnost'yu teryaet prozrachnost' dlya infrakrasnyh i submillimetrovyh voln. Osnovnaya chast' etogo vodyanogo stolba sosredotochena vblizi zemnoi poverhnosti. Poetomu, esli my nachnem podnimat'sya nad urovnem morya, ochen' skoro s dlinnovolnovoi storony ot vidimoi oblasti spektra nachnut poyavlyat'sya tak nazyvaemye okna prozrachnosti - uchastki spektra, v kotoryh atmosfera budet chastichno ili dazhe polnost'yu prozrachnoi. Pervymi otkroyutsya okna v blizhnem IK-diapazone. Oni menee trebovatel'ny k kolichestvu vodyanogo para nad teleskopom. Fakticheski, samye korotkovolnovye iz nih - J (1,25 mkm), H (1,65 mkm) i K (2,2 mkm) - mozhno ispol'zovat' uzhe na urovne morya. Po etoi prichine mnogie krupnye teleskopy, dazhe ne ochen' "vysokogornye", imeyut segodnya v svoem arsenale priemniki blizhnego IK-diapazona, rabotayushie v dostupnyh oknah prozrachnosti. So srednim i dal'nim infrakrasnymi diapazonami (~ 10 - 300 mkm), a takzhe submillimetrovymi volnami (~ 300 mkm - 1 mm) situaciya stanovitsya prosto kriticheskoi. Tol'ko luchshie vysokogornye observatorii, nad kotorymi ostaetsya vsego 1-2 mm vodyanogo stolba v forme vodyanogo para, mogut pohvastat'sya priemlemoi prozrachnost'yu atmosfery v nekotoryh oknah etoi chasti spektra.
Ris. 1. Prozrachnost' atmosfery v srednem IK-diapazone nad vershinoi Mauna Kea. Horosho vidno, chto s rostom dliny volny ona katastroficheski padaet. V den' izmereniya moshnost' kolonki vodyanogo para nad vershinoi sostavlyala vsego 1.2 mm.
Ris. 2. Prozrachnost' atmosfery v submillimetrovom diapazone (0.188 - 1.5 mm), izmerennaya yaponskimi astronomami nad vysokogornoi chiliiskoi pustynei Atakama u severo-vostochnogo sklona gory Chainator v raione Pampa lya Bola (4800 m) - okolo mesta, gde planiruetsya postroit' krupneishii v mire massiv submillimetrovyh teleskopov, rabotayushih v rezhime interferometra (ALMA). Zimoi vozduh nad pustynei Atakama deistvitel'no mozhno nazvat' ekstremal'no suhim. Kolonka vodyanogo para nad Pampa lya Bola v moment izmereniya v iyune 1998 goda (v yuzhnom polusharii eto kak raz razgar zimy) sostavila vsego 0.5 mm! No dazhe pri takih usloviyah levaya storona grafika besposhadno iz'edena - pogloshayushaya sposobnost' vodyanogo para poistine ogromna. Konechno, radikal'nym resheniem yavlyaetsya vyvod infrakrasnyh i submillimetrovyh teleskopov v kosmos (chto inogda delaetsya). No - dorogo, poka ochen' dorogo... Prihoditsya vykruchivat'sya na Zemle. Mezhdu prochim, yaponskie astronomy, davno uzhe mechtayushie sozdat' svoi massiv submillimetrovyh teleskopov (podobnyi massivu ALMA, kotoryi planiruetsya postroit' u yuzhnogo sklona gory Chainator pri uchastii srazu neskol'kih gosudarstv), eshe v 1990-e gody special'no vybirali dlya nego mesto po vsemu miru, uchityvaya mnozhestvo kriteriev: (1) samyi glavnyi, konechno, eto vysokaya prozrachnost' atmosfery nad mestom v submillimetrovom diapazone, (2) spokoistvie atmosfery v etoi polose dlya dostizheniya subsekundnogo razresheniya v processe sovemestnoi raboty massiva antenn v rezhime interferometra, (3) mesto dolzhno imet' shirokuyu ploskuyu ploshadku, ne menee 3 h 3 km, chtoby bylo gde razmestit' vse teleskopy i vspomogatel'nye stroeniya, (4) otsutstvie sil'nyh vetrov dlya soglasovannogo navedeniya antenn, (5) horoshaya dostupnost', (6) politicheskii status strany, vladeyushei territoriei, razvitost' ee infrastruktury i t.d. Uchityvaya skrupuleznost' i pedantichnost' yaponcev voobshe budet nelishne vzglyanut' na rezul'tat ih vybora. Na pervyh poziciyah u nih okazalis' sleduyushie mesta: 1. Raiony severnogo vysokogor'ya Chili, takie kak Pampa lya Bola (4800 m) i Rio Frio (4100 m). Vysokogornaya ravnina Pampa lya Bola nahoditsya u severo-vostochnogo sklona gory Chainator. Ona chut'-chut' ustupaet v prozrachnosti atmosfery (20%) i ee spokoistvii (10%) mestechku L'lano de Chainator, nahodyashemusya vsego v 10 km - u yuzhnogo sklona toi zhe gory, gde planiruetsya postroit' submillimetrovyi massiv ALMA (5050 m). Zato dostupnost' Pampa lya Boly vo mnogih otnosheniyah luchshe i situaciya s vozdushnymi potokami predpochtitel'nei: L'lano de Chainator fakticheski nahoditsya na kromke hrebta, da eshe s navetrennoi storoi gory Chainator. Voshodyashie vetry neredko vyzyvayut zdes' poyavlenie tumana, dozhdya ili snega, poetomu Pampa lya Bola ser'ezno lidiruet ne tol'ko po sile vetrov, no i po chislu yasnyh dnei v godu. 2. Mauna Kea (4200 m, Gavaii, SShA). Po prozrachnosti atmosfery i ee spokoistviyu dlya submillimetrovyh nablyudenii eto mesto oshutimo ustupaet chiliiskim vysotam. No v severnom polusharii ono okazyvaetsya luchshim dopolneniem k poslednim. 3. Hanle (4500 m, Indiya). Bez kommentariev vvidu otsutstviya dannyh. 4. Delinga (3200 m, Kitai). Bez kommentariev vvidu otsutstviya dannyh.
Ris. 3. Sudya po golubomu nebu, eto ne Mars! My nahodimsya v Atakame - odnoi iz samyh vysokogornyh pustyn' mira, tochnee v mestechke pod nazvaniem L'lano de Chainator. Vperedi vysitsya vershina Serro-Chaskon (okolo 5700 m), a sleva za kadrom - drugoi velikan, vershina Serro-Chainator (okolo 5600 m). Teni v polden' padayut v Atakame strogo na yug... Net, net, ne podumaite, mesto eto ne zakoldovano - prosto my nahodimsya v yuzhnom polusharii. Zdes', na vysote 5050 metrov nad urovnem morya cherez neskol'ko let planiruetsya sozdat' instrument, kotoromu budet pod silu ne tol'ko razglyadyvat' detali moshnyh pylevyh diskov okolo Vega-podobnyh svetil, no i registrirovat' gorazdo bolee slabye zapylennye poyasa reliktovyh planetezimalei, podobnye nashemu poyasu Koipera. Kto znaet, mozhet byt' imenno s etih vysot astronomy vozvestyat miru o tom, chto ne 5% i dazhe ne 15%, a pochti vse 100% zvezd glavnoi posledovatel'nosti imeyut planetnye sistemy. Teleskop imeni Dzheimsa Klarka Maksvella (JCMT) Vot i my i podoshli k osmyslenomu prochteniyu frazy, s kotoroi nachinaetsya rasskaz o teleskope Maksvella na ego oficial'nom saite: "JCMT yavlyaetsya krupneishim v mire teleskopom, kotoryi mozhet rabotat' v submillimetrovom diapazone (0.3-2 mm)". Govorya o ego analogah, ne nuzhno iskat' ih po vsem observatoriyam mira - posle skazannogo vyshe neslozhno dogadat'sya, chto mesta, gde takie teleskopy mogli by effektivno rabotat', mozhno pereschitat' po pal'cam. Glavnoe 15-metrovoe zerkalo teleskopa JCMT izgotovleno iz 276 otdel'nyh alyuminievyh fragmentov, plotno stykovannyh vmeste. Svoi pervyi svet ono uvidelo v 1987 godu. Nesmotrya na ochen' vysokuyu tochnost' izgotovleniya poverhnosti, ego vse zhe chashe nazyvayut ne zerkalom, a antennoi, ili "tarelkoi": prosto potomu, chto submillimetrovyi diapazon formal'no uzhe ne otnositsya k opticheskomu, no tyagoteet k radio.
Ris. 4. Sostavnoe alyuminievoe zerkalo teleskopa Maksvella s poperechnikom 15 metrov.
Ris. 5. 3-metrovoe zerkalo nemeckogo submillimetrovogo teleskopa KOSMA deistvitel'no yavlyaetsya zerkalom v obychnom ponimanii etogo slova. Pravda, tochnost' izgotovleniya ego poverhnosti 20-30 mkm ne idet ni v kakoe sravnenie s tochnost'yu yuvelirno ispolnennyh zerkal opticheskih teleskopov, izmeryaemoi v nanometrah. No dlya voln dlinnee 0.3 mm etogo vpolne hvataet. (Shveicarskie Al'py, 3135 m). Dlya raboty so svetom, imeyushim dlinu volny v doli millimetra, zerkalo dolzhno imet' formu poverhnosti, otlichayushuyusya ot ideal'noi paraboly v srednem ne bolee chem na 20 mkm! No eto eshe pol dela: ogromnaya tarelka takogo teleskopa dolzhna sohranyat' ee pri rabote, nevziraya na vrashenie i naklon, teplovye kolebaniya i veter (esli ona otkrytaya). Mezhdu prochim, imenno po etoi prichine 15-metrovyi submillimetrovyi teleskop SETS Evropeiskoi yuzhnoi observatorii, kotoryi byl "snyat s vooruzheniya" letom 2003 goda, ne mog konkurirovat' s teleskopom Maksvella. Srednyaya tochnost' ego poverhnosti sostavlyala 70 mkm. Etogo hvatalo lish' dlya togo, chtoby SETS mog edva-edva "zaglyanut'" v submillimetrovyi diapazon (u nego byl priemnik na volnu 0.8 mkm). Na bol'shee on byl ne sposoben. Blizhaishimi krupnymi sobrat'yami JCMT v mire segodnya yavlyayutsya 10-metrovyi teleskop imeni Genriha Gerca, ustanovlennyi v SShA na gore Maunt Grehem (3186 m), i gavaiskii sosed - 10-metrovyi teleskop CSO Kaliforniiskogo tehnologicheskogo universiteta (4070 m). Rasstoyanie mezhdu JCMT i poslednim sostavlyaet vsego 158 metrov, i astronomy, bezuslovno, uzhe svyazali ih v edinyi interferometr. Konechno, ego vozmozhnosti ochen' ogranicheny: on odnomeren i imeet nebol'shoe vremya uderzhaniya sinhronizacii iz-za atmosfernyh fluktuacii (vsego okolo 100 sekund). Zato na nem mozhno otrabatyvat' te tehnologicheskie resheniya, kotorye vposledstvii dolzhny lech' v osnovu budushego massiva ALMA. Chto kasaetsya zashity zerkala JCMT ot vetra i pyli, to zdes' ona bolee chem udachna. Vo-pervyh, teleskop sidit v svoeobraznoi karuseli, napominayushei kupol teleskopa Subaru, s toi lish' raznicei, chto tarelka zanimaet pochti vse prostranstvo vnutri kupola. Vo vremya nablyudenii odnovremenno sdvigaetsya krysha karuseli i raskryvayutsya ee steny. Vo-vtoryh, dazhe v rabochem polozhenii, zerkalo teleskopa ostaetsya skrytym pod ogromnym polotnom iz goreteksa - special'noi tkani, ne propuskayushei vodu, no na 97% prozrachnoi dlya submillimetrovyh voln. Govoryat, eto samyi bol'shoi cel'nyi kusok goreteksa v mire. Blagodarya membrane, JCMT mozhno spokoino navodit' dnem na vnutrennie planety i dazhe na samo Solnce. Podobnaya oploshnost' bez zashitnogo ekrana privela by k mgnovennomu vyzhiganiyu prinimayushei apparatury: mozhno sebe predstavit', skol'ko solnechnoi energii sobralos' by v fokuse pochti ideal'nogo 15-metrovogo paraboloida!
Ris. 6. Teleskop Maksvella v rabochem polozhenii (Mauna Kea, Gavaii). Skryvayushaya teleskop zashitnaya membrana iz goreteksa podsvechena iznutri.
Ris. 7. Na etoi redkoi fotografii teleskop Maksvella zapechatlen "razdetym" - pered snyatiem vtorichnogo zerkala dlya zaplanirovannoi perepolirovki membrana iz goreteksa vsegda udalyaetsya. Glavnoe zerkalo, ili antenna, zanimayut pochti vse prostranstvo pod karusel'yu. Na perednem plane: kupol blizhaishego soratnika teleskopa Maksvella - 10-metrovogo submillimetrovogo teleskopa CSO Kaliforniiskogo tehnologicheskogo universiteta. V pare s JCMT, on prevrashaetsya v nepodvizhnyi odnoplechevoi interferometr. Sprava vdali: zamechatel'noe dopolnenie k skromnomu parku submillimetrovyh teleskopov - pervyi v mire submillimetrovyi massiv SMA, sostoyashii iz vos'mi 6-metrovyh antenn (na snimke vidny tol'ko tri), kotorye sposobny rabotat' v rezhime interferometra v diapazone 0.3-1.7 mm. Seichas uzhe vse vosem' antenn SMA ustanovleny na mesto i proishodit otladka i vvod v stroi vsei sistemy. Ee razreshayushaya sposobnost' v polose 0.3 mm dostignet 0.1 uglovoi sekundy! Vot chego ne hvatalo Marku V'yattu dlya detal'nogo rassmotreniya diska Vegi. V nastoyashee vremya massiv antenn SMA, nesmotrya na prodolzhayushietsya otladochnye raboty, uzhe neskol'ko raz ispol'zovalsya astronomami dlya nauchnyh nablyudenii, v tom chisle trizhdy navodilsya na zvezdy glavnoi posledovatel'nosti s pylevymi diskami. Vegi sredi nih eshe ne bylo (dannye na konec 2003 goda). Ozhidaetsya, chto v 2005 godu vse tri teleskopa - JCMT, CSO i SMA budut rabotat' v edinoi svyazke. Priemnaya apparatura Dlya kazhdogo okna prozrachnosti atmosfery JCMT imeet svoyu priemnuyu apparaturu, kotoraya vo vremya raboty ohlazhdaetsya kak minimum do 4° Kel'vina (-269° po Cel'siyu), a chashe eshe sil'nee. Prichina ochevidna: chem ona teplee, tem bol'she ee sobstvennoe izluchenie i shum v rabochem diapazone teleskopa. V celom priemniki JCMT mozhno razdelit' na dva klassa: geterodinnye, rasschitannye na registraciyu uzkih molekulyarnyh linii i pozvolyayushie izuchat' raspredelenie i dinamiku molekul v kosmose, i neizbiratel'nye, ili detektory nepreryvnogo spektra. Poslednie ispol'zuyutsya dlya registracii izlucheniya mezhzvezdnoi pyli i pozvolyayut izuchat' ee raspredelenie, temperaturu, massu i nekotorye drugie svoistva. V dopolnenii k dvum osnovnym klassam priemnikov na JCMT imeyutsya polyarimetry, kotorye pri sovmestnoi rabote s priemnikami vyshenazvannyh tipov pozvolyayut sudit' o sile i napravlenii magnitnyh polei v izuchaemyh ugolkah Vselennoi. Esli sravnit' priemnuyu apparaturu teleskopa Maksvella s hudozhestvennymi proizvedeniyami, to vsyu "galereyu" JCMT v dvuh slovah mozhno opisat' tak: "Odin shedevr mirovogo klassa i vsya ostal'naya shushera". Eto konechno shutka, no slovo shedevr v primenenii k instrumentu SCUBA, pozvolivshemu Marku V'yattu izuchat' pylevoi disk Vegi, astronomy proiznosili v poslednie gody ne skupyas'. "SCUBA - eto samaya sovershennaya submillimetrovaya kamera v mire, kotoraya poyavilas' na gavaiskom teleskope JCMT v 1996 godu. Ona proizvela svoego roda revolyuciyu <...> v astronomii, shiroko otkryv pered uchenymi submillimetrovyi diapazon i proliv novyi svet na celyi ryad kosmicheskih fenomenov". Eti slova byli skazany direktorom JCMT Yanom Robsonom vskore posle installyacii SCUBA. Nesmotrya na to, chto segodnya uzhe gotovitsya k vvodu v stroi novaya, eshe bolee sovershennaya submillimetrovaya kamera SCUBA-2, slova eti vse eshe ne poteryali svoei aktual'nosti. Razberemsya, chto za nimi stoit. SCUBA i ee naslednica Prezhde vsego sleduet horosho ponimat', chto poluprovodnikovyh analogov PZS, sposobnyh rabotat' v submillimetrovom diapazone, vse eshe ne sushestvuet. Kogda proektirovali kameru SCUBA, ona dolzhna byla zamenit' staryi fotometr UKT14 (po sushestvu, bolometr, ili 1-piksel'nuyu matricu, esli hotite), serdcem kotoroi yavlyalsya chuvstvitel'nyi termistor - rezistor, menyayushii svoe soprotivlenie pri nagrevanii. Teplovye fotony ot istochnika na nebe napravlyalis' na etot termistor, po izmeneniyu soprotivleniya kotorogo mozhno bylo sudit' o intensivnosti teplovogo potoka. Ochevidno, chto dlya polucheniya malo-mal'ski detal'noi karty intensivnosti protyazhennogo istochnika, astronomy dolzhny byli skanirovat' nuzhnuyu oblast' neba, obhodya ee tochka za tochkoi i posledovatel'no izmeryaya teplovoi potok ot kazhdoi iz nih. SCUBA stala pervoi popytkoi sozdaniya submillimetrovoi matricy, pozvolyayushei poluchat' srazu dvumernyi snimok nebol'shoi oblasti neba diametrom okolo 2.3 uglovoi minuty. Konechno razreshenie takogo snimka, dazhe na 15-metrovoi antenne JCMT, budet neveliko - volny vse-taki o-o-ochen' dlinnye. Poetomu i kolichestvo pikselov v takoi matrice nesravnimo s ee opticheskimi analogami. SCUBA imeet dva massiva priemnyh bolometricheskih detektorov (chitai, piskelov): dlinnovolnovyi (0.6-0.85 mkm) i korotkovolnovyi (0.35-0.45 mkm). DV-massiv skomponovan iz 37 piskelov i na 15-metrovoi antenne teleskopa Maksvella daet difrakcionnoe razreshenie 14". Imenno on ispol'zovalsya dlya s'emki Vegi. Piskely KV-massiva mel'che, poetomu dlya pokrytiya toi zhe oblasti neba ih potrebovalos' uzhe 91 shtuka. Razreshenie v etoi polose poluchaetsya 7.5".
Ris. 8. Dlinnovolnovyi massiv kamery SCUBA, sostoyashii iz 37 bolometricheskih priemnikov, na kotorye proeciruetsya oblast' neba diametrom 2.3 uglovyh minuty. Tri dopolnitel'nyh konicheskih rastruba po krayam - odnopiskel'nye fotometry dlya bolee dlinnovolnovyh okon prozrachnosti neba (1.1, 1.35 i 2 mkm). Poyavlenie kamery SCUBA nesoizmerimo uskorilo s'emku protyazhennyh oblastei neba v submillimetrovom diapazone i fakticheski razvyazalo astronomam ruki dlya podobnoi raboty. No eto ne edinstvennoe preimushestvo novoi kamery nad starymi odnopiksel'nymi bolometrami. Glavnoe kachestvennoe preimushestvo - konechno, chuvstvitel'nost'. Voobshe infrakrasnuyu i submillimetrovuyu nazemnuyu astronomiyu chasto sravnivayut s "nablyudeniyami v dnevnoe vremya sutok na ohvachennyh plamenem teleskopah". Nadeyus', eto sravnenie ponyatno (temperatura i vozduha i teleskopov fakticheski ne menyaet oto dnya k nochi, lish' na neskol'ko procentov po shkale Kel'vina - kruglye sutki vse vokrug siyaet teplovymi luchami!) Astronomam prihoditsya bukval'no iskat' igolku v stoge sena, vytaskivaya slabye signaly ot dalekih submillimetrovyh istochnikov, kotorye na neskol'ko poryadkov slabee teplovogo fona neba. SCUBA iznachal'no proektirovalas' tak, chtoby ee chuvstvitel'nost' ogranichival lish' fotonnyi shum neba i svedennyi k minimumu sobstvennyi shum teleskopa. Dlya etogo inzhenery Korolevskoi observatorii v Edinburge vlozhili v kameru stol'ko novatorskih reshenii, skol'ko ne naiti vo vseh ostal'nyh priemnikah teleskopa JCMT vmeste vzyatyh. V rabochem polozhenii SCUBA ohlazhdaetsya do temperatury vsego 0.1œK. Dlya etogo trebuetsya special'nyi kriostat, obsluzhivanie kotorogo obhoditsya astronomam v krugluyu summu - $2000 ezhenedel'no. Krome togo, dlya minimizacii parazitnogo izlucheniya ot samogo teleskopa kazhdyi ee priemnyi piksel posazhen v svoeobraznyi konicheskii rupornyi obluchatel' i spryatan pod uzkopolosnym fil'trom. Obluchatel' napravlyaet poleznye teplovye fotony ot istochnika na bolometr i odnovremenno otsekaet "chuzhakov". Dlya maksimal'no plotnoi upakovki kruglyh ruporov v fokal'noi ploskosti teleskopa, inzhenery raspolozhili ih v uzlah geksagonal'noi, a ne pryamougol'noi reshetki. Pri etom oni vse ravno ne zapolyayut kartinnuyu ploskost' polnost'yu, kak v sluchae pryamougol'nyh pikselov PZS matricy. Eti razlichiya mezhdu poslednimi i kameroi SCUBA vlekut za soboi sushestvennoe otlichie v tehnike nablyudenii. Dlya polucheniya obychnogo polnogo pryamougol'nogo snimka, vtorichnoe zerkalo JCMT kazhduyu sekundu chut'-chut' povorachivaetsya, smeshaya izobrazhenie v fokal'noi ploskosti na 3" ili 6" po opredelennomu geksagonal'nomu marshrutu. Tak pos |
Oficial'nyi
sait teleskopa: 
