Сотрудник Зеркальной лаборатории размещает последний кусочек стекла в форму для пятого зеркала для Гигантского Магелланова телескопа
Цех по производству стекла в Аризонском университете легко пропустить. Хоть она и довольно большая, лаборатория зеркал им. Ричарда Кэриса находится в тени гораздо более крупного университетского стадиона для американского футбола на 56000 мест. Даже её самая выделяющаяся особенность – восьмиугольное возвышение с логотипом школы – выглядит как часть архитектуры стадиона. Однако именно в этой башне находится самое важное оборудование этой фабрики.
В Зеркальной лаборатории [Mirror Lab] слегка светящаяся зелёным лестница возносит нас на пять этажей вверх, ко входу в башню. Я ещё не успел дойти несколько ступенек до верха, а менеджер лаборатории, Стюарт Вайнберг, уже в третий раз спрашивает, опустошил ли я свои карманы полностью.
«Очки, ключи, ручки. Всё, что может упасть и повредить зеркало», — говорит он. Вайнбергер согласился отвести меня на самый верх башни и дальше, на узкий мостик, расположенный примерно в 25 метрах над зеркалом диаметром 8 м. На изготовление этого зеркала уже было потрачено шесть лет и $20 млн. «Большую часть людей из лаборатории сюда вообще не пускают», — говорит он. Это объясняет его нервозность по поводу содержимого моих карманов (а они на самом деле пустые), и то, почему он привязал мой фотоаппарат к запястью кусочком паракорда.
Вид на второй сегмент зеркала с верхней точки тестовой башни Зеркальной лаборатории
Расположившийся подо мной стеклянный диск – одно из семи зеркал, из которых будет составлен гигантский Магелланов телескоп. Когда он заработает на полную мощность в 2025 году в обсерватории Лас-Кампанас в пустыне Атакама в Чили, ГМТ станет крупнейшей оптической обсерваторией мира. Зеркала, каждое весом по 17 тонн, будут расположены в виде ромашки, в которой шесть асимметричных зеркал будут окружать центральный, симметричный сегмент. Вместе они раскроются на 25 метров (что в два раза превышает диаметр существующих оптических телескопов) и займут территорию в 370 кв.м. (как два теннисных корта). ГМТ, разрешающая способность которого превысит таковую у телескопа Хаббла в 10 раз, создан для того, чтобы улавливать и фокусировать фотоны, испускаемые галактиками и чёрными дырами с самых границ Вселенной, изучать формирование звёзд и движущихся вокруг них миров, и искать следы жизни в атмосферах планет, находящихся в обитаемой зоне.
Но до этого момента учёным и инженерам из Зеркальной лаборатории необходимо изготовить эти колоссальные стеклянные плиты. И это, как вы можете догадаться, задача весьма монументальная.
«Это одни из самых сложных зеркал, которые когда-либо производились. Они внеосевые, асферические, крупные и чрезвычайно точные», — говорит мне помощник директора Зеркальной лаборатории Джефф Кингсли после моего спуска с башни. «Наша цель — разработать процесс, в котором изготовление каждого зеркала от начала и до конца занимает четыре года». На изготовление первого зеркала при этом ушло почти десять лет. Второй сегмент, который Вайнбергер подверг риску уничтожения с моей стороны, начали делать в январе 2012-го, и не закончат раньше 2019-го.
Работник Зеркальной лаборатории проверяет размещённое в форме зеркало, подбирая пространство для нескольких последних кусочков
В Зеркальной лаборатории сегодня находится четыре зеркала для ГМТ на разных стадиях завершённости, и сложный процесс изготовления последнего начинают как раз на этой неделе. Первый шаг — отлить зеркало, загрузив 20 тонн боросиликатного стекла марки E6 [марка стекла японской компании Ohara Corporation — прим. перев.] в огромную вращающуюся печь вручную. Внутри расположено 1700 шестиугольных колонн литейной формы в виде сотов, на постройку которой ушло шесть месяцев. В течение нескольких дней печь разогревается до 1150 °C и раскручивается почти до пяти оборотов в минуту. Стекло в жидком виде вливается в пространство вокруг сотов, а вращение заставляет густую жидкость перетекать к краям литейной формы, что придаёт зеркалу его вогнутую форму.
Печь возвращается к комнатной температуре три месяца. Только затем сотрудники могут вынуть зеркало, поставить его вертикально, и с помощью временной системы подъёмников организовать ему ванну высокого давления. «Мы обрабатываем его при помощи автомойки под давлением, — говорит Кингсли. — К нам приходил студент из горнопромышленного департамента университета, который оптимизировал её для очистки стекла».
После этого сотрудники переворачивают зеркало лицом вниз, кладут на большое передвижное устройство на воздушной подушке и транспортируют в центральный зал фабрики, в котором расположены две станции полировки. На них с зеркала снимается порядка полсантиметра материала с задней части отливки. После того, как зеркало становится гладким, сотрудники фиксируют на его задней части 165 креплений, распределяющих нагрузку — к ним будут присоединены силовые приводы телескопа, когда зеркало наконец размесят для работы в пустыне Атакама.
Большой оптический генератор удаляет несовершенства с задней части зеркала
Потом сотрудники переворачивают зеркало лицом вверх — и начинается самое сложное.
Шесть внешних сегментов зеркала ГМТ — лепестки цветка — имеют несимметричную форму. Их контуры топографически идентичны чипсам Принглз, хотя выгнуты они не так сильно. Эти кривые нельзя заметить невооружённым глазом, но из-за них придание нужной формы зеркалу становится нереальной головной болью.
«Нам нужно, чтобы ограничения телескопа сводились к фундаментальной физике — длине волн света, диаметру зеркала — а не к несовершенствам поверхности зеркал», — говорит специалист по оптике Бадди Мартин, руководящий шлифовкой и полировкой в лаборатории. Под несовершенствами он понимает дефекты, превышающие 20 нм — это примерно соответствует размеру небольшого вируса. Но после отливки несовершенства зеркала могут достигать миллиметра и даже более.
Как, по мнению художника, будет выглядеть готовый ГМТ
Несколько проходов грубой машинной шлифовки могут уменьшить несовершенства до 20 микрометров — примерно четверть толщины человеческого волоса. Но эти ошибки будут в 1000 раз больше того, что требуется.
Именно тут и вступает в действие башня Зеркальной лаборатории. На её вершине к тем же самым лесам, по которым я ходил, присоединён набор лазеров и интерферометров, выступающих в роли измерительной рулетки для микрометровых несовершенств. Процесс измерения настолько чувствительный, что зеркало должно находиться на пневматической системе, компенсирующей колебания здания. «Вибрации идут от футбольного стадиона, от трафика на соседних улицах, вертолётов, летящих в больницу, — говорит Мартин. — Их нельзя почувствовать, но измерения крайне чувствительны».
Датчики в проверочной башне создают контурную карту поверхности зеркала. Карта загружается в полировочные машины, которые удаляют все возвышенности. Но не все сразу. Больше года зеркало перевозят туда-сюда, между проверочной башней и полировочными станциями, пока оно не станет отполированным с точностью до миллионной доли сантиметра.
Только тогда зеркало сможет покинуть лабораторию. Первый сегмент ГМТ вышел оттуда в сентябре, освобождая место для его родственников. Сегодня он находится на временном складе рядом с международным аэропортом Тусона, ожидая отправки в пустыню Атакама, где алюминиевое покрытие толщиной в 100 нм завершит длительное преображение 20-тонной кучи кусочков стекла в отражающую поверхность, прочёсывающую космос.
«Можно даже утверждать, что мы тут не делаем зеркал, — говорит Мартин. — Мы делаем только большие куски стекла».
Комментарии (59)
voyager-1
21.11.2017 12:32Тут стоит наверное уточнить что самым большим он будет пару лет: «первый свет» на Маггелановом телескопе собираются получить в 2022 году, а на E-ELT — уже в 2024-м. А если бы не протесты местного населения Гавайев — Тридцатиметровый телескоп должны были бы закончить раньше Маггеланова, и к моменту постройки он должен был бы стать только вторым.
Сейчас Тридцатиметровый и E-ELT планируют ввести в строй в 2024-м году, так что всего спустя два года Магелланов с первого места опустится сразу на третье, где пробудет ещё как минимум десяток лет (так как следующего поколения телескопов ещё и в планах нет).
Ocelot
21.11.2017 14:09Шесть внешних сегментов зеркала ГМТ — лепестки цветка — имеют несимметричную форму. Их контуры топографически идентичны чипсам Принглз, хотя выгнуты они не так сильно.
Не совсем так. Принглз — гиперболический параболоид, а зеркало телескопа — сегмент эллиптического параболоида.
barbanel
21.11.2017 14:32Просветите пожалуйста, а разве такая огромная махина не будет неизбежно получать деформации от своего собственного веса? Я не знаю из чего именно сделано это зеркало, предположим что из стекла. Оно ведь тоже гнется. Не говоря уже про сталь.
Мизерных деформаций в сотые доли миллиметра хватило бы, учитывая как онитрясутсяволнуются за 20нм.
koreec
21.11.2017 15:00Часть зеркал — настраиваемые. В основание зеркал встроены сервоприводы, которые могут менять форму зеркала. Поэтому их и делают такими тонкими. В верхних метровых зеркалах около 200 таких приводов.
pesp
21.11.2017 15:08Видимо толщина линз такова, что деформации несущественны. Или же дефмормации под собственным весом можно в последствии учесть математически (идеально ровное однородное тело легко считается).
p_fox
21.11.2017 15:48Зеркало ведь крепится не в паре точек.
"на его задней части 165 креплений, распределяющих нагрузку"
jar_ohty
21.11.2017 16:17Для того, чтобы избежать этих деформаций, зеркало делается достаточно толстым (и в нем зачастую выполняется сотовая структура полостей для облегчения), а в телескопе (а также при тонких стадиях шлифовки и на полировке) зеркало разгружается на много точек таким образом, чтобы итоговая нагрузка равномерно распределялась по зеркалу. В данном случае это 165 точек. В адаптивной оптике эти же точки крепления используют для целенаправленной деформации зеркала для устранения ошибок его формы и компенсации деформаций волнового фронта при прохождении через атмосферу.
Garbus
21.11.2017 21:09+1Тут еще интересно, как они будут бороться с пылью? Ведь протирать тряпочкой подобное точно не вариант.
Aquahawk
21.11.2017 22:30Ну для начала покрыто оно будет скорее всего оксидом алюминия. Он достоточно твёрдый, если не втирать конечно. Ну и на таком размере пылинки будут иметь малое значение, т.к. роляет отношение площади полезной к «испорчеенной» (с пылинками) пока основательно не засрётся, ничего делать не будут. Ну и кстати некоторые телескопы не работают в период активного цветения растений той местности где они стоят, чтоб не забивался как раз
Garbus
22.11.2017 03:36Ну разве что местность особо чистая. А то живя у черты города, в тихом районе и без оживленных дорог под окном, за год окна (5 этаж) очень не слабо обрастают пылью. Казалось бы откуда? Ни производств каких, ни пустыни(степи) под окном чтоб надувало песок, но ведь прилетает зараза.
Lexi
22.11.2017 11:37У нашего БТА дело обстоит так — «Зеркало ежегодно по ходу эксплуатации моют специальным образом не снимая с телескопа, а раз в 10 лет выполняется замена (не обновление) алюминиевого покрытия.»
Sonichka
24.11.2017 20:17Я смотрела по телеканалу Discavery, что при эксплуатации пыль они сдувают сжатым углекислым газом. Царапин не оставляет и сразу испаряется без последствий. Всё делает специальный человек с шлангом.
Garbus
24.11.2017 20:44Эмм, звучит как ужас какой то. Если углекислый газ конденсируется, значит влага из воздуха наверняка замерзает и как образивом трет зеркало. Да и сдутая пыль неплохо в таком поможет. В чем-то там есть тонкость, как аккуратно сдувать(смывать) пыль не применяя агрессивные методы.
cicatrix
21.11.2017 14:56+1Можно было бы и видео добавить, вот здесь интересно с 2:32 показывается, как стекло плавится:
oppol
21.11.2017 16:21Подозреваю, за эти деньги можно вывести на орбиту пару цифровых фотоаппаратов с хорошим объективом, и получить снимки куда лучшего качества.
Но конечно тёплый ламповый телескоп у кресла-качалки куда приятнее.
amarao
21.11.2017 16:46Обожаю такие комментарии. Люди посвятили свою карьеру астрономии, десять лет своей жизни — созданию телескопа.
И тут, появляется oppol, который, конечно, знает, что на самом деле пара цифровых фотоаппаратов на орбите сделают снимки (чего? Да не важно чего) лучше, чем всё, что эти лузеры за эти десять лет сделали.
Откуда он это знает? Ах, он не знает. Он подозревает.oppol
21.11.2017 16:56Я так подозреваю, что какие-нибудь дельфины могут и сто лет усовершенствовать подводный телескоп. Но если они хоть одним глазиком глянут с поверхности…
amarao
21.11.2017 17:30В статье ясно написано, что у него будет разрешающая способность выше, чем у Хаббла. А Хаббл во-первых в космосе, а во-вторых сильно лучше «пары зеркалок с хорошей оптикой». Это мягко говоря.
oppol
22.11.2017 01:29Во первых, надо читать спецификации, а не журналистов-затейников. У Хабла разрешение раз в двадцать должно быть выше, но при изготовлении напортачили с зеркалом. Получилось раз в пять. Во-вторых, на земле в принципе невозможно увидеть часть спектра. Ну и в третих, особенность того же хабла — длительные непрерывные наблюдения и наблюдение за тусклыми объектами, которое возможно только из космоса.
Aquahawk
21.11.2017 22:33тут работает светосила. Фокусное расстояние + светосила фактически фиксируют его реометрические размеры. Эти параметры от космоса не меняются. Чтобы получть такие снимки которые сможет получать этот телескоп, нужен телескоп такого размера, не зависимо от того где он расположен. Да, космос даст больше разрешения, т.к. атмосфера портит именно угловое разрешение. По яркости космос даст не так много.
oppol
22.11.2017 01:36-1В космосе виден весь спектр излучения(а это куда шире чем на земле). В космосе возможно длительное наблюдение за объектами, и наблюдение за тусклыми объектами. Ну и по разрешению, у Хабла оно в 20 раз выше чем у этого монстрика. Вернее должно было быть, но напортачили с зеркалом, получилось раз в пять.
BaLaMuTt
22.11.2017 07:31напортачили с зеркалом, получилось раз в пять
то что напортачили у Хаббла с зеркалом исправили системой коррекции ещё в 1993 году которую потом выпилили в 2009-м ибо все приборы которые к тому моменту стояли на борту уже содержали собственные системы коррекции дефекта главного зеркала и система стала тупо не нужна. И да, по разрешающей способности Хаббл хоть и находится на орбите всё-таки похуже будет в силу малых размеров главного зеркала + для непрерывных наблюдений он не предназначен ибо находится на НОО, а не в одной из точек Лагранжа куда хотят JWST поместить.oppol
22.11.2017 11:03Хотел бы я знать, как эта система коррекции работает. Если часть зеркала не в фокусе, то она не в фокусе. Исправляется или формой зеркала, или эту часть просто затенить.
А насчёт непрерывного наблюдения, если посмотреть в сторону полюса, то всё замечательно видно круглые сутки. Не весь год, связи с наклоном оси земли и наклоном орбиты, но достаточно долго.Lexi
22.11.2017 11:27Работает она примерно так же, как и у телескопов со сферическим зеркалом, линзовый блок вносит сферическую аберрацию обратного знака.
metric_ghost
22.11.2017 11:13Разрешающая способность оптики телескопа зависит от диаметра его объектива по по формуле (разрешающая способность) = (длина волны) / (диаметр объектива). Что нам грубо даёт при диаметре зеркала Хаббла 2.4 метра и диаметре зеркала GMT 25 метров десятикратное превосходство GMT. Это только разрешение. Площадь же зеркал, а значит, чувствительность телескопов будет отличаться больше, чем в сто раз.
oppol
22.11.2017 12:27Вот только проблема в том, что ультрафиолет с земли наблюдать не получается.
В отличие от Хаббла. FOC could distinguish between two points 0.05 arc-seconds apart.[3]metric_ghost
22.11.2017 12:35То есть вопрос снимков лучшего качества и пары зеркалок на орбите уже отпал? Вот и хорошо.=)
glestwid
24.11.2017 20:17т.к. атмосфера портит именно угловое разрешение. По яркости космос даст не так много.
Странно, я думал что в космос лезут из-за того, что там светового шума меньше, пыли и дрожания атмосферы.
0serg
21.11.2017 17:37ГМТ из статьи стоит около ~1 млрд $ и будет получать снимки значительно лучшего качества чем космический Хаббл запуск которого стоил ~3 млрд $ (с учетом инфляции) и который еще 7 млрд позднее сожрал на модернизацию. После появления современной адаптивной оптики которая оказалась способной компенсировать влияние атмосферы и произвела тем самым революцию в космос имеет смысл выводить телескопы только в тех диапазонах в которых атмосфера непрозрачна или требуется очень низкий уровень шума. При этом современный космический JSW к примеру будет стоить 10 млрд $ и в оптическом диапазоне он не даст снимков лучшего качества чем ГМТ
oppol
22.11.2017 01:53ГМТ ещё не построили, так что деньги рано считать, на Хаббл тоже был бюджет 400 млн, но что-то пошло не так.
Адаптивную оптику никто не запрещает применять в космосе, эффект может быть ещё больше.
А ещё в космосе возможно длительное наблюдение, которое вместе с низким уровнем шума, полным спектром, высокой контрастностью итд. делает наземные телескопы просто забавной игрушкой.
egigd
22.11.2017 12:08Адаптивная оптика в космосе просто не нужна, т.к. там нет атмосферы, с неоднородностью которой борется адаптивная оптика.
oppol
22.11.2017 17:29Ну да, ведь в телескоп в космосе находится «в сферическом вакууме». Ни нагрева конструкций, ни других возмущений. Да и кривые человеческие руки туда не дотянутся. Было бы у Хаббла адаптация, не пришлось бы астронавтам на орбите рихтовать зеркало. Сидели бы в Хьюстоне и дули пиво.
egigd
22.11.2017 17:34Но после того, как «отрихтовали», он вполне себе работает на дифракционном пределе и никакой адаптации не требует.
И рихтовка потребовалась исключительно из-за раздолбайства.
maxzhurkin
21.11.2017 20:45+1Ограничения, которые накладывает квантовая природа света на возможности оптических приборов, делает ваш комментарий полной чушью даже при допущении, что это сарказм или шутка
voyager-1
21.11.2017 21:46Подозреваю, за эти деньги можно вывести на орбиту пару цифровых фотоаппаратов с хорошим объективом, и получить снимки куда лучшего качества.
У Хаббла на его 2,4 метра дифракционный предел составляет 10 угловых миллисекунд, а у E-ELT разрешение будет 5 угловых миллисекунд за счёт адаптивной оптики — аналог такого телескопа (а для него надо будет 5-метровый в диаметре объектив) в данный момент нам даже вывести не на чём, так как он под обтекатели ракет не поместится.
Но конечно тёплый ламповый телескоп у кресла-качалки куда приятнее.
1) У таких телескопов нет окуляра — там не во что смотреть. Принимать данные с него будут учёные также сидя за своим компьютером, как это было бы и используй они Хаббл.
2) Магелланов телескоп будет расположен на высоте 2,5 км в пустыне, E-ELT на высоте 3 км в такой же пустыне, Тридцатиметровый — вообще на высоте 4 км, для такого уже нужна акклиматизация. Но и в первых двух случаях там круглый год ночью будет такая холодрыга, что никакое кресло вам не поможет чувствовать себя комфортно.0serg
21.11.2017 23:471. У космического JWST зеркало диаметром 6.5 метра будет, складывающееся из нескольких сегментов
2. Но у Хаббла предел разрешения 100 угловых миллисекунд а не 10voyager-1
21.11.2017 23:59У космического JWST зеркало диаметром 6.5 метра будет, складывающееся из нескольких сегментов
JWST будет работать в инфракрасном диапазоне, поэтому разрешения большего у него даже в сравнении с Хабблом не будет.
Но у Хаббла предел разрешения 100 угловых миллисекунд а не 10
Да, ошибся — разница в 20 раз тогда получается. То есть получается что адаптивная оптика позволяет практически к дифракционному лимиту подойти. Смысл остался выводить только рентгеновские телескопы (типа Чандры) и инфракрасные (типа JWST) — для спектральных диапазонов которые сквозь атмосферу не могут пробиться, для обычной же оптики смысла нет (по крайней мере пока мы по-серьёзному в космос не выйдем и не сможем строить там очень лёгкие и масштабные конструкции).0serg
22.11.2017 00:27JWST и в оптический диапазон залезает немного. Собственно там технологической проблемы не было сделать его оптическим, просто смысла в этом никакого. Я больше про то что «под обтекатель» и 5 и даже 6.5 метров как видите впихнуть можно
Спектральный диапазон у ГМТ к слову даже шире чем у JWST будет. Основное преимущество у JWST как я понимаю в том что у последнего будет меньше шума в некоторых измерениях, это позволит, к примеру, детектировать быстрые и очень маленькие изменения в спектрах при прохождении экзопланет перед звездой.
Lexi
22.11.2017 00:100,1 угловой секунды это всё-таки 100 угловых миллисекунд.
Вообще, исходя из диаметра зеркала разрешение Хаббла должно быть порядка 60, но для него действительно приводится около сотни. Несовершенство зеркала/камер?
Ну и для сравнения, диск Бетельгейзе около 50.
HEKOT
22.11.2017 02:16Большой оптический генератор удаляет несовершенства с задней части зеркала
Вопрос: что такое «Большой Оптический Генератор» (сокращённо БОГ)? На картинке полировальная машина.
vdvvdv
22.11.2017 11:27Можно перевести как Большой Оптический Станок. Большой Станок для изготовления Оптики.
alexhott
22.11.2017 17:36Еще где-то писали что отражающее покрытие наносят непосредственно в обсерватории, и там же периодически обновляют, то есть сразу проектируют систему полуавтоматического съема и транспортировки зеркал в вакуумную камеру и обратно.
programania
24.11.2017 20:17Раз уж все равно придется компенсировать искажения атмосферы и деформацию зеркал,
то можно заодно скомпенсировать и несовершенство формы зеркал. Тогда зеркала
могут быть даже из пластмассы и вообще плоские типа линзы Френеля.
Главное чтобы они отражали весь свет на фотоматрицу.
А дальше в дело вступает НС, обученная давать четкое изображение тестовых объектов.
Так что, возможно, пока телескоп достроют он устареет, т.к. НС позволят создавать
телескопы в десятки раз дешевле и мощнее. Или изобретут телескоп на новом принципе
как, например, РЛС от параболических антенн перешли к ФАР.
DoctorRoza
24.11.2017 20:18А как будут решать проблему деформации зеркал? Ведь, со временем, зеркала будут «стекать», например, вниз.
SLY_G Автор
24.11.2017 20:18Там во-первых стекло особое, а во-вторых, стекла никуда не стекают — это миф. В прошлом технологии были несовершенные, вот некоторое время и бытовало мнение, что стёкла со временем деформируются.
REPISOT
А можно картинку, как он будет выглядеть по проекту инженера?