Когда телескоп не работает, астрономы грустят
Многие знают, что в телескоп можно смотреть на солнце как минимум дважды. Но это если телескоп небольшой. В случае нашего БТА, лучик бы, вероятно, аккуратно пропалил волосы на затылке. К сожалению, мы никогда этого не узнаем точно, потому что такие эксперименты мы не проводим (хотя предварительные расчеты про скорость закипания мозга я все равно приведу под катом). Зато проводим другие, не менее интересные.
Так получилось, что я не очень умный человек пять лет назад я заболела космосом и променяла работу в IT на аспирантуру в Специальной астрофизической обсерватории. И теперь хочу показать, как работают и выживают ученые высоко в горах Северного Кавказа. Под катом будет наше астрономическое железо (немного) и внутренности самого большого телескопа в Европе, из тех что не показывают туристам на экскурсиях.
Большой такой телескоп
Почти наверняка вы это знаете, но напомню, что территориально САО — это Карачаево-Черкессия. Наш самый большой российский телескоп называется БТА – Большой Телескоп Азимутальный (хотя вообще-то в обсерватории есть еще телескопы). И находится он на высоте 2100 метров над уровнем моря, у подножья горы Пастухова. Диаметр его главного зеркала – 6 метров, и оно до сих пор является самым большим в Евразии.
Как только мы узнали диаметр зеркала БТА, можно провести расчеты о том, сколько времени нужно на закипание мозга под действием сфокусированного луча от Солнца. Итак, мощность солнечной энергии с 1 кв. м — 1350 Вт. Площадь зеркала считаем по известной со школы формуле – 
(тут главное помнить, что 6 метров — это диаметр). Итого имеем 38,2 киловатт (или 38,2 кДж в секунду) – мощность зеркала. Теплоемкость мозга, согласно таблицам, которые где-то откопал Meklon: 3352 Дж/(кг·град). Масса среднестатистического мозга 1,5 кг. Прикинемся шлангом, то есть физиком, а не биологом, и скажем, что чтобы вскипятить мозг, нам нужно нагреть его с 
до 
. Считаем: 
кДж. Ну а теперь достаточно разделить последний результат на первый и получить время, достаточное для кипячения: 8,4 секунды. Хотя на самом деле при 
белки в мозгу свернутся, и убежать подопытный не сможет уже через одну секунду. Но лучше хорошо термически обработать. Прионные болезни — это не очень приятно.
Телескоп находится на вершине горы, а поселок с астрономами на целый километр ниже (но это если вы способны идти строго вертикально вверх-вниз, а для людей без супер-способностей есть трасса длиной 17 км). В советское время во время сета наблюдения проводились прямо на телескопе, сейчас же почти все наблюдения проводятся "снизу" из поселка.
Апгрейд для телескопа
Недавно мы пережили почти полтора года без наблюдений, пока у нас менялось зеркало, а потом ремонтировался весьма талантливо сломанный прибор для наблюдений и снова менялось зеркало (про ремонт прибора я тоже как-нибудь расскажу, но потом). Подробно эту длинную историю про зеркало можно почитать, например, здесь.
Но вот наконец-то с 1 октября возобновились наблюдения в штатном режиме. Хотя вообще-то не совсем штатном, потому что прибор, о котором пойдет речь ниже, находится сейчас в тестовой эксплуатации. Режим «мы, конечно, постараемся отнаблюдать всю программу, но не факт, что все время не уйдет на отладку багов». Возобновились наблюдения, а это значит, что перед сетом (так называется несколько ночей подряд с одним ответственным наблюдателем) нужно ехать на гору, чтобы установить прибор.
Итак, поехали. Вместе с прибором на дежурной машине, гордо именуемой и поныне буханкой или таблеткой (в зависимости от региона вашего проживания).
Та самая буханка, которая везет оптический прибор для наблюдений
Все части прибора аккуратно упакованы в несколько ящиков, которые мы сгружаем в машину. Как минимум одному из ответственных за установку прибора придется ехать вместе с ним, чтобы придерживать прибор на поворотах. Серпантины, горы, тещины языки (так называют поворот на 180 градусов на горной дороге), знаете ли.
Ребята работают, а я бегаю за кадром с фотоаппаратом и всем мешаю
Если вы до сих пор не нашли применения своим навыкам игры в тетрис, то вот мы нашли, посмотрите, какая красота.
Да, даже внутри машины мы можем наблюдать звезды
Загрузились и поехали. А пока едем можно и про прибор рассказать. Вам знакомо это чувство, когда вскрываешь упаковку с новой видеокартой? У астрономов все то же самое, когда тебя допускают первый раз до наблюдений, только железо весит побольше и стоит ощутимо дороже. Я вот с первого курса наблюдаю, а месяц назад стала еще и ответственным наблюдателем (то есть я могу самостоятельно проводить наблюдения на БТА, знаю методику наблюдений и не впадаю в панику, когда что-то идет не так, а еще мою фамилию можно найти на сайте с расписанием).
Устанавливать мы будем SCORPIO (Spectral Camera with Optical Reducer for Photometric and Interferometric Observations, часто мы называем его просто "Скорп"). Это фокальный редуктор светосилы первичного фокуса. Разработан он в нашей лаборатории спектроскопии и фотометрии внегалактических объектов (ЛСФВО) в 2000 году.
На SCORPIO выполняются программы нашей ЛСФВО, других лабораторий САО и заявителей, которые не имеют к САО никакого отношения (так только кажется, на самом деле астрономический мир мал, очень мал). Расписание наблюдений можно найти в открытом доступе на сайте обсерватории.
Общий конкурс наблюдательного времени на БТА
Редуктор согласно своему определению является механизмом главной функцией которого является редукция, она же уменьшение. Вот только основная особенность SCORPIO – это увеличение светосилы телескопа (светосила БТА в первичном фокусе – F/4, для связки БТА + SCORPIO F/2.4). Получается некоторое противоречие в названии, да? Редуктор светосилы эту самую светосилу увеличивает.
Предлагаю решить загадку названия самостоятельно, а потом свериться с ответом.
Ответ прост: здесь, в названии, пропущено слово «фокальный», в силу того, что в лабе и обсерватории никто не произносит полное название (ну долго же). Редуктор уменьшает эквивалентное фокусное расстояние d, тем самым увеличивая светосилу системы F/d (где F – фокусное расстояние, которое остается неизменным).
Для наблюдений нам нужна система из трех компонентов: редуктора светосилы SCORPIO, адаптера первичного фокуса и ПЗС-приемника. В собранном состоянии в лаборатории прибор выглядит как набор железных ящичков, так как все хрупкие оптические части спрятаны от кривых рук подальше.
Адаптер первичного фокуса, редуктор светосилы и ПЗС приемник, собранные воедино (наблюдатель в комплект не входит, но его личность крайне важна для проведения качественных наблюдений)
Редуктор включает в себя оптику спектрографа и многощелевой блок, платформа адаптер – оптику и лампы для калибровки спектрографа (интегрирующую сферу для калибровок можно увидеть внизу спектрографа), поля для поиска гидирующих звезд и подсмотр, ну а в ПЗС-детектор, понятно, включает ПЗС-детектор и криостат для охлаждения (рабочая температура матрицы около -130 градусов по Цельсию).
Самое интересное из всего этого, конечно, редуктор. Потому что там вся оптика и магия превращения мутных слабых точек на небе в спектры галактик (ну ладно, не только в галактики и не только в спектры, Скорп способен работать как в режиме спектрографа, так и в режиме прямых снимков, к которым мы все привыкли). В разрезе и в методичке наблюдателя SCORPIO выглядит вот так:
Если не вдаваться в подробности оптической схемы, то все самое интересное обозначено на рисунке сверху. Коллиматор для получения параллельного пучка света от объекта наблюдения. Два колеса с набором фильтров, масок и щелей, которые мы можем менять из программы управления прибором. На первом колесе обычно устанавливают средне- и узкополосные фильтры, и щель для получения спектров объектов, а на втором – широкополосные фильтры и маску для бесщелевой спектроскопии. Нулевую позицию в обоих колесах всегда оставляют пустой, чтобы при наблюдениях использовать любой из установленных фильтров. Из потоков в разных фильтрах можно вытащить самые разнообразные сведения о физических характеристиках объектов: температуру, вид объекта, химический состав и др. Интерферометр Фабри-Перо сейчас мы переставили на прибор следующего поколения, так что о нем мы говорить в этот раз не будем.
Под куполом
Пока я вещала о SCORPIO мы доехали до телескопа. Вход для экскурсий нам не подходит, поэтому зайдем со служебного хода, который находится левее. Вот он:
Дальше мы проходим по коридору между завалами разных установок, смысл которых понятен только инженерам. Хотя это я их так называю, на самом деле это механические мастерские, работающие на нужды телескопа. Все коридоры изогнуты согласно форме купола по кругу, что очень сбивает ориентацию в пространстве в первые разы посещения телескопа.
Доходим до лифта, поднимаемся и попадаем в подкупольное помещение. Оно, ожидаемо, очень большое (53 метра только в высоту). Размеры подкупольного порождают разные интересные эффекты типа микроклимата и вихревых потоков внутри помещения, что создает дополнительные сложности при наблюдениях.
Перед сменой приборов телескоп всегда заводят на парковку, в положение горизонта. На парковку ведет лестница, которая позволяет забраться в кабину наблюдателя на телескопе. Только вот кабиной наблюдателя ее никто не называет, все кратко говорят «стакан». Раньше в стакан забирался наблюдатель и проводил там ночи напролет, снимая фотопластинки с космическими объектами. Если вам сейчас пришло в голову, что это очень романтично, то выкидывайте эту мысль срочно: в стакане температура почти как на улице плюс кассета Ричи находилась практически на уровне «пола» стакана, так что положение тела наблюдателя было весьма интересным.
Кассета Ричи – устройство для получения астрономических снимков. В центральной части устанавливалась кассета с фотопластиной со светочувствительной эмульсией. Микроскопы и линейки нужны для калибровки и сдвигов объекта по полю. Выглядит вот так:
Лезем в стакан
Сейчас в стакане находится разное фото приёмное оборудование (например, наш SCORPIO). А наблюдатель находится в тепле и комфорте.
Место стыковки космического телескопа с реальностью
В стакане без приборов вполне достаточно места для того, чтобы в нем компактно разместились 3-4 человека. Диаметр стакана – больше 1,5 метров, высота (или длина) немного больше около четырех. Дырка (ой, простите, конструктивное отверстие) в центре – это то место, куда устанавливается платформа-адаптер, называемая так потому, что служит переходником между телескопом и прибором. А само отверстие представляет собой поворотный стол, вращение которого мы также используем при наблюдениях, когда надо задать позиционный угол (при спектральных наблюдениях, например, чтобы оптимально провести щель через объект).
SCORPIO весит около 50 кг, еще столько же весит платформа-адаптер. Поэтому внутрь стакана он помещается через верхний люк в стакане с помощью крана, пульт которого навевает воспоминания о ламповом советском прошлом:
Процесс перемещения прибора (SCORPIO + платформа) на фоне телескопа. Тут важно быть очень аккуратным и не зацепить телескоп, не уронить прибор и еще много чего не сделать. Все-таки оптические системы хрупкие, даже если они в железном ящике.
Когда прибор поймали и поместили внутрь дело остается за малым: установить его на место и затянуть болты с помощью ключа.
А еще соединить с интегрирующей сферой и камерой.
Интегрирующая сфера или шар Ульбрихта используется для снятия калибровок: знакомые астрофотографам флэты (flat) – кадры равномерной засветки поля и незнакомые неоны (neon) – кадры для калибровки шкалы длин волн. Сфера в нашем приборе может быть засвечена кварцевой лампой, либо светодиодами, либо с помощью лампы с He-Ne-Ar наполнением. Последняя как раз применяется для снятия неонов, а первые две подходят для флэтов.
Сфера Ульбрехта крупным планом. В "рогах" находятся кварцевая лампа и лампа с He-Ne-Ar наполнением, мелкие цилиндры по периметру — светодиоды
Прежде чем установить матрицу на прибор, в ее криостат нужно залить жидкий азот (но все говорят «залить в матрицу азот»). Азот обсерватория закупает в Невинномысске, что очень близко и удобно.
Наконец все этапы пройдены, осталось соединить все вместе, и прибор готов к проверке работоспособности.
После установки SCORPIO мы запускаем компьютер, который находится внутри прибора. Подключаемся удаленно там же на телескопе с ноутбука и проверяем двигаются ли колеса с фильтрами и решетки. Включаем матрицу, инициализируем ее. Снимаем калибровочные кадры neon и flat, проверяем их на адекватность физической картине мира. Проверяем работу системы подсмотра и гида. Гид нужен для гидирования (ведения) телескопа с помощью звезд, чтобы во время длинных экспозиций исследуемый объект не уползал из поля прибора, оставляя лишь длинный след вместо спектра или изображения (все же помнят, что Земля вращается?). Собираем вещи и едем готовиться к наблюдениям, которые будут проходить так же через удаленное подключение к прибору.
Страниц получилось не мало, а о принципах работы прибора рассказать почти не удалось. Наверное, потому что статья изначально задумывалась как «один день из жизни астрофизика». Так что продолжение следует. Буду рада вопросам (как минимум я вряд ли объяснила весь астрономический жаргон, использованный в статье).
И немного благодарностей в конце. Эта статья не вышла бы без моих дорогих коллег из лаборатории спектроскопии и фотометрии внегалактических объектов, которые слушали мои тупые вопросы (уже целых три года!) и отвечали на них, без моего научного руководителя, который провел краткую научную редакцию этого текста и, конечно, без Meklon, который миллион раз сказал мне, что жизнь астрономов наверняка интересна на Хабре, и который в целом виноват, что эта статья написана и опубликована.
И немного об очень грустном
Пока я писала эту статью из жизни ушел французский академик Жорж Куртес, которому в 50е годы и пришла идея редуктора светосилы. Старшее поколение нашей лаборатории сотрудничало с ним очень тесно и плодотворно, поэтому считаю правильным посвятить эту статью его памяти. В конце 70х – начале 80х Куртес часто приезжал в САО, а одним результатов его совместной работы стала карта галактики М33 в линии H_alpha (это спектральная линия серии Бальмера для водорода), сделанная на его первом в мире редукторе светосилы, который бережно хранится у нас в лаборатории (F/1!). Чуть подробнее о великом экспериментаторе можно прочитать в блоге моего коллеги из лаборатории.
Карта галактики М33 в линии H_alpha, полученная в ходе наблюдений с 1979 по 1985 год на БТА группой астрономов Courtes, G.; Petit, H.; Petit, M.; Sivan, J.-P.; Dodonov, S. (а последний – мой научный руководитель). Ссылка на статью
