Teleskopy patrz dalej

Astronomowie dostrzegli najbardziej odległą, najstarszą galaktykę, jaką kiedykolwiek widzieli, używając sztuczek optycznych, zarówno niebiańskich, jak i stworzonych przez człowieka. Chociaż obserwacja galaktyki w postaci, w jakiej istniała zaledwie dwa miliardy lat po Wielkim Wybuchu, jest naukowo istotna sama w sobie, służy również jako wczesny rzut oka na to, co ma nadejść, gdy astronomowie przyjmą wyrafinowaną technikę zwaną optyką adaptacyjną, aby zajrzeć znacznie głębiej nocne niebo.

Lustereczko lustereczko: Wewnątrz teleskopu Keck II zwierciadło o szerokości 10 metrów (na dole) zbiera światło gwiazd i odbija je do mniejszego zwierciadła wtórnego (na górze), które z kolei kieruje je do innych instrumentów, w tym do systemu optyki adaptacyjnej.

Zespół astronomów z Caltech i Durham University w Anglii ogłosił w zeszłym tygodniu swoje odkrycia w czasopiśmie Nature. Używając teleskopu Kecka na Hawajach, zbadali galaktykę 11 miliardów lat świetlnych od Ziemi. Wcześniej astronomowie byli w stanie zobaczyć nie dalej niż siedem lub osiem miliardów lat świetlnych. Ponieważ patrzenie na odległość astronomiczną jest odpowiednikiem patrzenia wstecz w czasie, obserwacja znacznie przybliża astronomów do narodzin wszechświata, około 13 miliardów lat temu.

Aby dostrzec galaktykę z tak dużej odległości, astronomowie zastosowali dwie sztuczki optyczne. Jednym z nich jest naturalnie występujące zjawisko zwane soczewką kosmiczną, które wykorzystuje zdolność grawitacji do zaginania światła. Galaktyka, która jest dokładnie wyrównana między astronomami a obiektem, na który chcą patrzeć, zagina światło obiektu wokół siebie, ponownie skupiając je w kierunku astronomów. To daje im obraz około osiem razy ostrzejszy niż gdyby próbowali patrzeć na odległy obiekt w pojedynkę.

Ale kiedy obiekt jest galaktyką o średnicy zaledwie kilku tysięcy lat świetlnych (w przeciwieństwie do Drogi Mlecznej o średnicy 100 000 lat świetlnych) i 11 miliardów lat świetlnych od nas, ośmiokrotna ostrość wciąż daje niewiele więcej niż punkt świetlny. Astronomowie używają optyki adaptacyjnej, aby obraz był wystarczająco wyraźny, aby uzyskać przydatne informacje.

Multimedialne

• Obejrzyj film o optyce adaptacyjnej i obejrzyj animację obserwatorium trzydziestometrowego.

Światło można traktować jako falę z serią frontów fal poruszających się w przestrzeni, podobnie jak fronty fal oceanicznych toczących się na brzegu. Zwykle przód fali świetlnej jest płaski. Ale gdy przechodzi przez burzliwą atmosferę Ziemi, ulega zniekształceniu – bardziej przypomina nierówną tekturę falistą. Ta turbulencja sprawia, że ​​gwiazdy migoczą i zmniejszają rozdzielczość teleskopu. Dlatego Keck wykorzystuje system optyki adaptacyjnej, który mierzy turbulencje i je koryguje.

Aby dokonać pomiaru, naziemny laser wystrzeliwuje wiązkę światła w powietrze, gdzie uderza w cienką warstwę sodu nagromadzoną przez płonące w atmosferze meteory, około 90 kilometrów nad ziemią. Sód odbija światło lasera w kierunku głównego zwierciadła teleskopu, które kieruje je do szeregu czujników czoła fali, które mierzą, jak bardzo atmosfera zniekształciła falę świetlną. Na podstawie tych pomiarów komputer powoduje, że seria ramion siłowników pcha i ciągnie zestaw małych, odkształcalnych lusterek. Siłowniki wyginają lustra o około mikrometr (około jednej setnej grubości ludzkiego włosa) wiele razy na sekundę, niwelując turbulencje atmosfery. Skorygowany front fali jest następnie rejestrowany przez kamerę. Astronom z Caltech, Richard Ellis, twierdzi, że rezultatem jest obraz lepszej jakości niż uzyskany przez astronomów za pomocą Teleskopu Kosmicznego Hubble'a, który nie ma żadnych zniekształceń atmosferycznych, z którymi trzeba się zmagać.

Z szeroko otwartymi oczami: Rendering artysty pokazuje proponowane lustro Teleskopu Trzydziestometrowego wewnątrz kopuły obserwatorium.

Naukowcy odkryli, że odległa galaktyka wiruje, tak jak galaktyki wirują dzisiaj, ale nie uformowała jeszcze ramion spiralnych, które posiada nasza własna galaktyka Drogi Mlecznej. Dla Ellisa, który próbuje zrozumieć, jak ewoluował wszechświat i jest jednym z autorów artykułu, obserwacja jest znacząca. Mówi nam, że wszechświat był naprawdę dobrze zorganizowany, gdy miał tylko 10 do 15 procent swojego obecnego wieku, mówi.

Chociaż koncepcja optyki adaptacyjnej istnieje od dziesięcioleci, dopiero w ciągu ostatnich kilku lat stała się wystarczająco wyrafinowana i wystarczająco łatwa w użyciu, aby stać się rutynową częścią astronomii. System został zainstalowany na teleskopie Keck II w 2004 roku i był pierwszym tak dużym teleskopem. Od tego czasu jest używany do zapewniania wyraźniejszych widoków obiektów astronomicznych, ale nic tak odległego jak galaktyka widziana w zeszłym tygodniu. System optyki adaptacyjnej Keck II blednie jednak w porównaniu z tym, co zaplanowano dla nowego Teleskopu Trzydziestometrowego (TMT), który jest amerykańsko-kanadyjskim zespołem obejmującym Caltech, Uniwersytet Kalifornijski i Stowarzyszenie Kanadyjskich Uniwersytetów Badawczych. w astronomii zbuduje się w ciągu najbliższej dekady. W przyszłym roku spodziewana jest decyzja, czy umieścić go na Mauna Kea, na Hawajach, gdzie znajduje się Keck, czy w Chile.

TMT będzie miał dziewięciokrotnie większą powierzchnię zbierania światła niż Keck II, którego zwierciadło główne ma średnicę 10 metrów. A według Brenta Ellerbroeka, lidera grupy optyki adaptacyjnej w TMT, system optyczny nowego teleskopu będzie znacznie bardziej wyrafinowany. Do pomiaru turbulencji atmosferycznych użyje około sześciu laserów. Podczas gdy pojedynczy laser mierzy turbulencje tylko w jednym małym punkcie na linii widzenia teleskopu, szereg laserów może zapewnić trójwymiarowy obraz zniekształceń na większym obszarze i na różnych wysokościach w atmosferze. Czujniki przednie falowe będą również miały mniejsze apertury, aby dokonywać dokładniejszych pomiarów, a tysiące siłowników, z setek w Kecku, będzie sterować większą liczbą luster. Wszystkie te pomiary i przenoszenie stanowią wyzwanie obliczeniowe. Musimy stosować bardziej złożone algorytmy, mówi Ellerbroek.

To wielkie wyzwanie inżynieryjne, mówi Scott Uebelhart, doktor habilitowany studiujący politykę kosmiczną w Programie Nauki, Technologii i Społeczeństwa MIT. Ale uważa, że ​​wysiłek się opłaca. TMT zawstydza wszystko inne, mówi Uebelhart.

Dzięki zaawansowanemu systemowi w TMT, mówi Ellis, astronomowie nie będą musieli mieć szczęścia i znaleźć kosmicznej soczewki, aby widzieć daleko. Mówi, że dokładnie to, jak blisko narodzin wszechświata dostaną, jest pytaniem, na które nie ma jeszcze odpowiedzi. Jesteśmy prawie na samym początku.

ukryć