Tulevikuteleskoobid ja adaptiivoptika (0)

Kool
Tulevikuteleskoobid ja adaptiivoptika
Referaat
Nimi
Sisukord:
Sisukord............................................................................................................... 2
Sissejuhatus........................................................................................................ . 3
Tulevikuteleskoopide ehitusest............................................................................ 4-5
Adaptiivoptika...................................................................................................... 6-7
Tulevikuteleskoobid............................................................................................. 8
TELESKOOBIPROJEKTID TULEVIKUS.........................................................9-12

Magalheasi ja Kolmekümnemeetrine teleskoop ............................................. .9

Euroopa Eriti Suur Teleskoop..........................................................................10

James Webb ’i kosmoseteleskoop .....................................................................11

Infrapunateleskoop „Herschel“........................................................................12
Kokkuvõte.............................................................................................................. 13
Kasutatud materjalid............................................................................................... 14
Läbi aegade on astronoomid unistanud üha suurematest teleskoopidest, et koguda rohkem kiirgust ning näha üha kaugemaid taevakehi ehk vaadata ajas üha enam tagasi ning jõuda aina lähemale Universumi algusele. Edusammud arvutite ja peeglite valmistamise tehnoloogias 20. Sajandi teisel poolel suunasid mõtte uute suurte teleskoopide ehitamisele.
1990. aastate alguseni olid maailma suurimad teleskoobid 4-6 meetriste peeglitega . Viimasel 15 aastal on ehitatud 13 teleskoopi, peegli läbimõõduga vahemikus 8-10 meetrit.
Üpris ammu sai selgeks, et väga suuri peegleid on klassikalisel kujul väga raske või isegi võimatu valmistada. Mida suurem on läbimõõt, seda raskem on peegel . Kui suurendada läbimõõtu kaks korda, suureneb peegli pindala ehk valgust koguv pind neli, mass aga kaheksa korda. Näiteks kui meetrise läbimõõduga klassikaline peegel kaalub 250 kg siis analoogne 10 meetrine peegel 250 tonni. Tartu observatooriumi 1,5 meetrise teleskoobi peapeegel kaalub 850 kg.
400.aastaga on teleskoobi ehitus tundmatuseni muutunud, kuid olemus ja funktsioonid ikka samad. See kogub tähelt või mõnelt muult taevaobjektilt kiirgust, laiemas mõttes elektromagnet kiirgust ja suunab viimase kas inimsilma või mõnesse muusse vastuvõtjasse. 19. Saj keskpaigani oli ainuke registreeriv vahend inimsilm ning kõik vaatlused tehti läbi teleskoobi vahetult silmaga. Rahvas nimetab teleskoopi ka pikksilmaks. Fotograafia ning mitmesuguste elektroonsete vastuvõtjate tulekuga on vaatleja-astronoomi vahetu kontakt teleskoobiga ühe vähenenud. Nüüdisaegne teleskoop on keerukas instrument , kus kasutatakse palju tipptehnoloogiat.
Et valmistada suuri teleskoobipeegleid mis poleks liiga rasked, selleks on kaks lahendust : Esimesel juhul tehakse peegel küll paks, kuid mitte täisklaasist vaid kärgstruktuuriga. Peamine peegelduv kiht on ühtlane klaasikiht, ülejäänud osa on aga poorne . See vähendab oluliselt kogumassi , kuid peab olema nii tugev, et ei tekiks läbipaindeid ja peegli kuju säiliks igas teleskoobi asendis.
Teisel juhul tehakse peegel üpris õhuke, kuid selle tagakülg varustatakse vastavate mehhanismidega ehk aktuaatoritega, mille abil saab peegli kuju muuta vastavalt vajadusele. Sellist süsteemi nimetatakse aktiivseks optikaks.
Monoliitse peegli maksimaalne läbimõõt on praegu 8,4 meetrit ning paistab et see on ka piir. Samm edasi tähendab valmistada peegel osadest – mosaiik elementidest. Seni on valmistatud vähemalt kümme 8 meetrist monoliitset peeglit, millest üheksat kasutatakse teleskoopides. 8 meetriste monoliitsete peeglitega on varustatud neli Euroopa Lõunaobservatooriumi Väga Suurt Teleskoopi, kaks Gemini teleskoopi, millest üks paikneb Havail ja teine Tsiilis. Sama kehtib Arizonas asuva Suure Binokkelteleskoobi ning Mauna Keal asuva Jaapani teleskoobi kohta. Kõik nüüdisaegsed suured teleskoobid on asimutaalse monteeringuga, mille puhul suudab teleskoopi täpselt tähe peal hoida arvuti. Väga suure läbimõõduga teleskoobipeeglite valmistamise üks võimalus on peegel panna kokku tükkidest. Väiksemad tükid saab teha märksa õhemad ja seega ka kergemad, mis lõpuks muudab kergemaks kogu peegli kui ka teleskoobi. Mitut väiksemat peeglit on palju lihtsam ning odavam valmistada kui ühte suurt. Samuti ei tekita väiksemate peeglite transport raskusi, mida on ette tulnud suurtega.
Võrrledes monoliitse peegliga on mosaiikpeeglil mitmeid eeliseid . Esiteks on tootmine lihtsam ja odavam ega eelda suuremate seadmete olemasolu. Tooriku valamine käib suhteliselt kiiresti, samuti on lihvimine ning peeglile õige kuju andmine palju lihtsam. Kuna teleskoobi peapeegel on tavaliselt kas paraboloidse või hüperboloidse kujuga, tuleb muidugi arvestada, et kõik tükid pole identsed. Tüki kuju sõltub sellest millisesse kohta peeglike suures peeglis paigutub. Piltlikult öeldes on tegu justkui suure puslega. Oluline eelis on veel asjaolu, et kui valmistamisel või ka juba töötava teleskooppeegli mõne tükiga midagi juhtub, saab selle hõlpsalt asendada . Mosaiikpeegli kokkupanemiseks on kaks peamist viisi: kas radiaalsete lõigete või võrdsete kuusnurksete tükkide kaupa. Praeguste suurte mosaiikteleskoopide puhul on kasutatud enamasti teist varianti, kuigi näiteks Jaapanis peaks 2011 valmima 3,8meetrine teleskoop. Mille peapeegel on kokku sätitud radiaalsetest lõigetest.
Adaptiivoptika ehk maapealsete teleskoopide ehitamisel kasutatav tehnoloogia , mille abil kompenseeritakse atmosfääri turbulentsuse tekitatud kujutiste moonutused.
Atmosfääri kihtide pidev liikumine põhjustab tähekujutiste pideva värelemise ja kokkuvõttes teleskoobi abil saadavate kujutiste moondumise. Nii nagu aktiivoptika puhul, muudetakse ka adaptiivoptikat rakendades valguse kogumise ajal mingi teleskoobi peegli pinda. Kuna atmosfääri turbulentsuse tekitatud tähekujutiste värelemise ajaskaala hõlmab ainult murdosa sekundist, on adaptiivoptika puhul vaja peegli pinna kuju või asendit sageli muuta. Adaptiivoptika rakendamisega kaasneb palju teoreetilisi ja tehnilisi probleeme, ent võit on sedavõrd suur, et selle uurimisele pühendatakse palju aega. Atmosfääri turbulentsust jälgitakse mingi sobiva heleda tähe või laseri abil tekitatud nn kunstliku tähe kujutist jälgides. Õhukihtide liikumise kohta saadud informatsioon suunatakse arvutisse, mis vastavalt atmosfääri värelemisele korrigeerib teleskoobi peeglit sadu kuni tuhandeid kordi sekundis. Kuna peegli kuju tuleb muuta väga sageli, siis enamasti ei muudeta teleskoobi suure peapeegli kuju, vaid väiksema (tavaliselt 20–50 cm läbimõõduga), täiendava õhukese peegli orientatsiooni ja kuju. Adaptiivoptika rakendamist alustati 1970. a-il. Väga intensiivne areng toimus 1990. a-il, kui seoses nn tähesõdade projektiga kerkis esile vajadus jälgida ballistiliste rakettide liikumist.
Adaptiivoptikat on kergem kasutada infrapunaste lainepikkuste piirkonnas, kus atmosfääri moonutused ja teleskoobi peeglite valmistamise täpsusnõuded on väiksemad kui nähtava valguse puhul. Mitme maailma suurima teleskoobi puhul rakendatakse adaptiivoptikat infrapunases piirkonnas.
Astronoomiline tehnika on viimastel aastatel kiirelt arenemas. Uus revolutsioon on toimumas ka teleskoobiehituses. Juba on valminud/valmimas 8-, 10- ja 16-meetrised maapealsed teleskoobid, mis on õhukese peegliga, koosnevad mitmest segmendist või on liitteleskoobid, ning on üsnagi keerukate kujutise häiritusi kompenseerivate süsteemidega (nn. aktiiv- ja adaptiivoptika). Vaatlemine satelliitidelt seab teleskoobiehitusele aga veelgi karmimad nõudmised. 1990. a. alates on 2,4-meetrine Hubble'i teleskoop olnud juhtiv optiline kosmoseteleskoop.
NASA saatis 2009.aastal orbiidile veelgi suurema segmentidest koosneva 6-meetrise uue põlvkonna kosmoseteleskoobi NGST (Next Generation Space Telescope). Kogu observatoorium on alles kavandamisjärgus ja joonisel on üks mitmest esitatud kavandist. Ka ajakava muutub arvatavasti veel korduvalt. Uued teleskoobid on kavandatud juba uudsema tehnoloogia järgi. Et vältida HST juures tehtud vigu, püütakse uut teleskoopi väga pohjalikult projekteerida ning teha ka prooviteleskoope. Seejuures on tehnoloogilised nõudmised ning astronoomilised vajadused uue teleskoobi jaoks oluliselt kõrgemad.
Teleskoobi peegel tuleb painduv ja väga õhuke ehk kuni 2 mm ning ta toetub aktivaatorite kaudu väga kergele alusele. Kui tavaliste kaasaegsete teleskoopide peegli erikaal koos aktivaatorite ja toetusraamiga on 400-1000 kg/m2, siis NGST jaoks on see vaid 15 kg/m2. Kujutist pole küll vaja parandada õhuhäirituste tõttu nagu maapealsetel teleskoopidel, kuid muutuvate soojuslike tingimuste tõttu toimub peegli kandva aluse paisumine ja kokkutõmbumine ning seetõttu vajab peegli kuju aeg-ajalt parandamist.
Teleskoobi peegli kuju kontrolli testimiseks on tehtud 0,53-meetrine prooviteleskoop ja 2-meetrine prototüüp krüogeenrezhiimi testimiseks Kavas oli ka 3,5-meetrine prooviteleskoop üleslennutamiseks See kava on aga muutunud. Peamiselt rahalistel põhjustel on ka esialgselt kavandatud 8-meetrine peegel kahanenud 6-meetriseks.
NGST hakkab vaatlema eelkõige infrapunases piirkonnas mis on 2-5 mikromeetrit, sest peaeesmärk on vaadelda ülikaugeid, suure punanihkega punasesse ossa nihkunud spektriga galaktikaid. Vaatlemine infrapunases kiirguses nõuab ka teleskoobi jahutust. Seetõttu NGST hakkabki vaatlema krüogeense jahutuse rezhiimis. Suure tundlikkusega infrapunases piirkonnas vaatlevaid teleskoope saab aga kasutada ka näiteks Maa-sarnaste planeetide avastamiseks väljaspool Päikesesüsteemi. Kõrvuti NGST-ga on plaanitud terve põlvkond satelliitteleskoope vaatlemiseks elektromagnetilise kiirguse kogu spektrialas.
Juba mitukümmend aastat tagasi, kui alustati 8-10 meetriste teleskoopide ehitamisega, hakkasid astronoomid unistama eriti suurtest, kuni 100meetrise peegliga optilistest teleskoopidest. Mõni neist jäi ainult idee tasemele , mõne kohta hakati isegi konseptsiooni paberile panema , kuid reaalse tulemuseni siiski ei jõutud. Selleks oli mitmeid põhjuseid.
Ühelt poolt puudusid kogemused nii suurte teleskoopide ehitamiseks, teisalt oli hakatud ehitama kosmoseteleskoope ning tundus, et maa peale polegi mõtet eriti suuremaid teleskoope paigutada. Põhiargumendiks oli maad ümbritseva atmosfääri segav mõju. Kui pilvisuse segavast faktorist saadi veel kuidagimoodi mööda, sest observatooriume hakati rajama sinna kus aastaringselt on enam vähem selge taevas. Atmosfääri fluktuatsioonidest põhjustatud kujutise laialimäärdumist ei osata enam vältida. Ka kõige paremas kohas ei paistnud tähe kujutis oluliselt parem kui umbes 0,5 kaaresekundit. Atmosfääri fluktuatsioonide mõju aitab hästi kõrvaldada nn adaptiivne optika , mis seisneb selles, et kujutise võbelemist püütakse kompenseerida teleskoobi optilise süsteemi kiire korrigeerimisega. Külma sõja ajal töötasid USA õhujõud välja süsteemi millega võis näha ja eristada Maa ümber tiirlevaid satelliite, paraku jäi see kuni 1990.aastani astronoomidele tundmatuks. Täna plaanitakse kõik suuremad teleskoobid varustada adaptiivse optikaga ning see on tulevikuteleskoopide üks esmane komponent .
Seega saab tõeliselt suuri ja hiiglaslike teleskoope edukalt ehitada ja paigutada ka Maa peale. Kui kasutada muidki uudseid meetodeid , siis on võrrledes kosmoseteleskoopidega võimalik vähendada oluliselt ka nende maksumust. See muidugi ei tähenda, et loobutakse uute kosmoseteleskoopide ehitamisest, eriti mis puudutab teisi kiirgusvahemike peale nähtava ja raadiokiirguse
1.1 Viimasel ajal on käivitatud kolm tõelist suurt teleskoobiprojekti. Ameeriklased on hakanud valmistama kahe suure vaatlusriista valmistamist. Üks neist kannab nime Kolmekümne meetrine Teleskoop teine on suur Magalhaesi teleskoop. Eurooplased aga kavandavad hoogsalt Euroopa Eriti Suurt Teleskoopi.
Kolmekümnemeetrine teleskoop: Nagu nimigi ütleb on teleskoobi peapeegli läbimõõt 30 meetrit. Peegli moodustavad 492 kuusnurkset segmenti mõõtudega 1,4 meetrit. Teleskoop on USA ja Kanada ühisprojekt, mille maksumuseks hinnatakse üle 300 miljoni dollari. Teleskoop on varustatud adaptiivse optikaga mis võimaldab saada väga täpsed nurklahutused. Teleskoobile on planeeritud mitmesuguste lahutustega ja eri spektripiirkondades töötavaid spektrograafe ning pildikaameraid. Instrumente vahetatakse kiiresti, vähem kui kümne minutiga. Teleskoobi asukohaks saab kas põhjapoolkeral asuv Mauna Kea või lõunapoolkeral asuv Armazonese mägi. Esimesed vaatlused loodetakse teha aastatel 2017 -2018.
Suur Magalhaesi teleskoop: USA ja Austraalia ühisprojektina valmiva vaatlusriista peapeegel koosneb seitsmest 8,4 meetrisest peeglist: üks peegel keskel, kuus ringis ümber selle. Valgust koguva pinna poolest on see samaväärne 21,4meetrise teleskoobiga ja lahutusvõime poolest vastaks 24,5meetrisele teleskoobile. Sekundaarpeegel kooseb samuti seitsmest õhukesest peeglist, iga läbmõõt on 1,06 meetrit ning need paiknevad analoogselt peapeegliga. Sekundaarpeeglid täidavad ka adaptiivse optika ülesannet. Iga peegli külge on paigutatud 672 aktuaatorit., kokku 4700. Suur Magalhaesi teleskoop meenutab ka esimest mitmekordse peegliga teleskoopi. Teleskoobi asukohaks valiti Las Campanas Tsiilis kus juba paiknevad kaks Magellani teleskoopi. Tööd peaks see hakkama tegema 2017 aastal.
1.2 Euroopa eriti suur teleskoop: Suurim ja ambitsioonikaim projekt on Euroopa Eriti Suur Teleskoop. Selle eestvedaja on Euroopa Lõunaobservatoorium ning algus ulatub. 1996. Aastasse. Esimene plaan nägi ette ehitada 100meetrise peapeegliga optiline teleskoop, teisel juhul olnuks peegel 50meetrine. Euro-50 peamised väljatöötajad olid Lundi ülikooli astronoomid. Teleskoobi suuruseks saab olema 42 meetrit ning valmima peaks see 2017-2018. Selline teleskoop on pindala poolest just 30 ja 60meetrise vahepeal . Teisalt ületab see kõikide seni töötavate optiliste teleskoopide peeglite summaarse pindala. Kavandatav 42 meetrise läbimõõduga peapeegel on mosaiikne, segmente 984, iga kuusnurkse segmendi laius on 1,45 meetrit ning paksus 50 mm. Sekundaarpeegel on 6meetrine. Esialgu kaaluti nii kolme kui ka viie peegli süsteemi, kuid nüüdseks on jäetud viie juurde. Kuna teleskoop varustatakse adaptiivse optikaga siis on ülejäänud kolm adaptiivse optika jaoks. Maksumuseks koos esmaste vaatlusinstrumentidega hinnatakse 850-950 miljonit eurot. Teleskoobile on planeeritud kaheksa vaatlusinstrumenti ning kaks adaptiivse optika moodulit. 2008.aasta kevadeks oli 23 asutusega Saksamaalt, Prantsusmaalt, Itaaliast jm sõlmitud eellepingud viie vaatlusinstrumendi ja ühe adaptiivse optika mooduli projekteerimiseks.
1.3 Hubble teleskoobi järeltulijaks on James Webb’i kosmoseteleskoop. Vaatlusriist valmib Kanada ja Euroopa kosmoseagentuuride koostööl. Orbiidile lennutab selle eurooplaste Ariane 5 kõige varem 2013.a suvel. Webb erineb oma eelkäijatest oluliselt. Esiteks on ta märksa suurem ning peapeegli läbimõõt on 6,5 meetrit. Nii kogukat eset ei saa tervikuna kosmosesse viia, seepärast on peegel valmistatud 18 kuusnurksest berülliumsegmendist, mis stardi ajal kokkupakituna orbiidile jõudes lahti volditakse. Webbi teleskoop kaalub vaid veidi üle kuue tonni. Webb on ettenähtud taevakehade vaatlemiseks ainult infrapunalainealas lainepikkustel 0,6-27 mikromeetrit. Infrapunakiirgus pääseb atmosfäärist läbi vaid mõnes üksikus lainepikkuste vahemikus ja sedagi kehvasti, sest suurem osa neeldub veeaurus ja süsihappegaasis. See-eest võimaldavad infrapunavaatlused saada palju uut informatsiooni näiteks pärast Suurt Pauku tekkinud esimeste galaktikate kohta. Nendelt tulev valgus on suure punanihke tõttu infrapunapiirkonda nihkunud. Peale selle peetakse Webb’i oluliste tegevusaladena silmas galaktikate, tähtede ja planeetide tekke ning evolutsiooni uurimises. Webbi pardale paigutatakse kolm vaatlusriista, millega hakatakse analüüsima kogutud kiirgust. Üks neist pildistab taevakehi lähi-infrapunakiirguses lainepikkusel alla 5 mikromeetri, teine registreerib samas lainealas spektreid. Kolmas instrument oskab teha nii pilte kui spektreid lainepikkustel mis asuvad vahemikus 5-27 mikromeetrit. Jääb vaid loota , et vähem kui kümendi pärast on Webb’i abiga lahendatud nii mõnigi kosmolooge ja astrofüüsikuid vaevanud probleem. Ilusad värvilised fotod omapärastest taevakehadest, mida oleme seni saanud Hubble kosmoseteleskoobiga tulevad siis maapealsetest hiidteleskoopidelt.
1.4 Kavandamisel on mitmeid uusi kosmose- ning raadioteleskoope, mis hakkavad töötama käsikäes maapealsete hiidteleskoopidega. Tulevikus saadab Euroopa Kosmoseagentuur orbiidile 3,5meetrise peegliga infrapunateleskoobi Herschel. Sellest saab suurim kosmoseteleskoop mis eales ilmaruumis töötanud. Praeguse suurima teleskoobi peapeegel on 2,4 meetrine. Teleskoop loodetakse orbiidile saata 2013.aastal. See on esimene mosaiikpeegliga kosmoseteleskoop. Paiknema hakkab see Lagrange teises punktis L2, kus teleskoop on alati kaitstud otesese päikesevalguse eest. Nimetatud punktis jääb Maa täpselt päikese ja teleskoobi vahele, mis on oluline seetõttu et hoida aparatuur hästi madalal temperatuuril.
Kokkuvõte: Millised teleskoobid saavad olema astronoomide käsutuses 25-50 aasta pärast on praegu väga raske ennustada. Kui uued projektid end õigustavad, ühitakse ehitada tõenäoliselt veelgi suuremaid teleskoope. Palju sõltub tehnoloogia arengust ning muidugi rahalistest võimalustest. Mõnda aega on räägitud teleskoopide paigutamisest kuule ning küllaltki tõenäoliselt võib see juhtuda juba mõnekümne aasta pärast. Kindel on see, et hiiglaslikud projektid sünnivad tulevikus tihedas rahvusvahelises koostöös.
Kasutatud allikad: Horisondi lisa, Teleskoobid, eile, täna ja homme . (2009)
Ajakiri „ Horisont “, Jaanurar 2010, Hubble ja Webb – Teleskoobid taevas, lk 45-47
Internet : Adaptiivoptika (www.ents.ee)
14