Extremely Large Telescope (ELT): tähtitieteen suurin ihme

Äärimmäinen suuri teleskooppi rikkoo tähtitieteellisiä ennätyksiä

Tähtitieteen kehitys on suurelta osin kulkenut käsi kädessä teleskooppien valmistustekniikan kanssa. Tämä päti Galileon käsin tekemiin varhaisiin malleihin ja pätee yhä nykyisiin kansainvälisen yhteistyön teknisiin saavutuksiin.

Seuraava askel oli siirtää teleskooppeja Maasta kiertoradalle, kuten Hubble ja myöhemmin James Webb space telescope (linkistä avautuu tämän tieteellisen megahankkeen yksityiskohtainen analyysi).

Avaruusteleskoopit ovat tehokkaampia, koska Maan ilmakehä ja sää eivät häiritse niitä eivätkä heikennä kuvanlaatua.

Maanpäällisillä teleskoopeilla on silti etuja avaruusteleskooppeihin nähden. Erityisesti niiden mahdollinen koko on suurempi, sillä raskaiden laitteiden vieminen kiertoradalle on edelleen erittäin vaikeaa ja kallista.

Myös virransyöttö, huolto ja tekniset päivitykset ovat paljon helpompia maan pinnalla. Avaruusteleskooppeja on lähes mahdoton korjata tai muuttaa myöhemmin, etenkin James Webbin kaltaisia miljoonien kilometrien päässä Maasta toimivia teleskooppeja.

Rakenteilla oleva Extremely Large Telescope (ELT) osoittaa maanpäällisten teleskooppien mahdollisuudet. Chileen rakennettavasta laitteesta tulee maailman kaikkien aikojen suurin teleskooppi, moninkertaisesti aiempaa ennätystä suurempi ja todellinen insinööritaidon ihme.

Pitkä linja suuria chileläisiä teleskooppeja

ELT on kansainvälisen tähtitieteilijäyhteisön uusin hanke maailmankaikkeuden arvoitusten selvittämiseksi.

ELT:n kanssa samalla alueella sijaitsee Paranal Observatory, jota ylläpitää European Southern Observatory (ESO), 23 kilometrin päässä ELT:n rakennustyömaalta.

Lähde: ESO

Paranalissa toimii Very Large Telescope (VLT), rakenteilla olevan Extremely Large Telescopen (ELT) edeltäjä. ESO on käyttänyt VLT:tä vuodesta 1998, ja sen halkaisijaltaan 8,2-metrinen pääpeili oli aikanaan ennätyksellisen suuri.

ELT jättää VLT:n selvästi varjoonsa: sen segmentoitu pääpeili on halkaisijaltaan 39,3 metriä.

Miksi Chile?

Samaa aluetta Chilessä käyttää Vera C. Rubin Observatory, joka kartoittaa koko näkyvän taivaan yhdellä kertaa ja havaitsee tähtien aktiivisuuden muutoksia kehittyneen tekoälyn avulla.

Myös ELT rakennetaan Chileen, jossa olosuhteet tähtitieteelle ovat maailman parhaiden joukossa.

Valitulla paikalla on keskimäärin 270 selkeää yötä vuodessa.

Vera C. Rubin, VLT ja pian ELT sijaitsevat kaikki korkealla. ELT rakennetaan 3 046 metrin korkeuteen merenpinnasta.

Cerro Armazones kohosi aiemmin 3 064 metriin, mutta kesäkuussa 2014 sen huippu räjäytettiin pois rakennuspaikan tasaamiseksi. Vuoren korkeus laski 18 metriä ja kiveä poistettiin noin 220 000 kuutiometriä.

Lähde: ELT

Suuri korkeus vähentää ilmakehän häiriöitä, ja aavikon erittäin kuiva ilma auttaa edelleen. Syrjäinen paikka on myös kaukana suurkaupunkien valosaasteesta.

Cerro Armazonesin korkea sijainti Chilen kuivassa autiomaassa tekee siitä ihanteellisen tähtitieteellisille havainnoille.

Korkeus merenpinnasta ei aiheuta toiminnalle logistisia ongelmia, mutta täyttää vähäistä saostuvaa vesihöyryä ja matalia käyttölämpötiloja koskevat tieteelliset vaatimukset.

Vuotuinen sademäärä on noin 100 millimetriä ja suhteellisen kosteuden mediaani 15%.

ELT:n yleiskatsaus

Rakentaminen

ELT-hankkeesta keskusteltiin vuodesta 2005 ja se käynnistettiin 2010. Aluksi arvioitiin useita paikkoja Chilessä ja muissa maissa, kuten Argentiinassa, Kanariansaarilla, Marokossa ja Etelämantereella. Cerro Armazones valittiin osin Paranalin observatorion nykyisen infrastruktuurin läheisyyden vuoksi.

Lähde: ELT

ESO:n neuvosto hyväksyi hankkeen vuonna 2012, ja rakennustyöt alkoivat 2014.

Hankkeen alkuperäinen nimi oli European Extremely Large Telescope (E-ELT), mutta se lyhennettiin ELT:ksi vuonna 2017.

Rakentaminen saavutti 50%:n valmiusasteen vuonna 2023. Pääpeilin ensimmäinen segmentti saapui Chileen 2024, ja apupeilin oli määrä valmistua 2025.

Vuonna 2026 rakenteen odotetaan valmistuvan. Vuonna 2027 valmistuvat kolmas peili, M4 ja M5 sekä pääpeili.

ELT:n odotetaan saavan ”ensivalonsa” vuonna 2029 ja aloittavan tieteelliset havainnot vuonna 2030. Sen on tarkoitus toimia siitä eteenpäin yli 30 vuotta.

Lähde: Cosmos Magazine

Kokonaisuus on valtava: lähes Vapaudenpatsaan korkuinen mutta sitä paljon leveämpi.

Lähde: Space.com

Hankkeen tutkijat ja kumppanimaat arvioivat alkuvaiheessa erilaisia suunnitteluvaihtoehtoja.

Nykyinen rakenne valittiin kunnianhimoisemman mutta epärealistisemman Overwhelmingly Large Telescope -idean sijaan. Sen pääpeili olisi ollut 100 metriä leveä, mutta hanke arvioitiin liian kalliiksi ja monimutkaiseksi.

Vaikka useimmat tekniset ongelmat on jo ratkaistu, työ oli monimutkainen ja yhdisti yli 170 tutkijaa useisiin työryhmiin, jotka simuloivat tulevaa teleskooppia ja sen kuvantuotannon optimointia.

Lähde: ELT

ELT:n kokonaiskustannuksiksi arvioidaan noin 1,45 miljardia euroa, ja rahoitus on jo täysin varmistettu.

ELT:n tavoitteet

Extremely Large Telescope on suunniteltu vastaamaan tähtitieteen suurimpiin kysymyksiin. Sen tärkeimpiä tieteellisiä tavoitteita ovat:

1. Aurinkokunta

Tutkia kaasujättiläisten ilmakehiä, Jupiterin ja Saturnuksen kuiden tulivuoritoimintaa, asteroidivyöhykettä sekä jäisiä Kuiperin vyöhykkeen kappaleita.

2. Eksoplaneetat

Kuvata suoraan elinkelpoisilla vyöhykkeillä olevia kiviplaneettoja ja analysoida niiden ilmakehän vesihöyryä, happea ja metaania
ANDES spectrograph.

3. Tähdet

Tutkia tähtien syntyä ja kehitystä erilaisissa ympäristöissä.

4. Mustat aukot

Seurata lähellä
Sagittarius A* kiertäviä tähtiä ja ymmärtää paremmin Linnunradan keskustan supermassiivista mustaa aukkoa.

5. Galaksit

Tunnistaa erittäin kaukaisia galakseja ja laajentaa
James Webb Space Telescope.

6. Pimeä aine

Tutkia pimeän aineen ja gammapurkausten yhteyttä.

7. Perusfysiikka

Testata, ovatko luonnonvakiot, kuten valonnopeus ja protonin sekä elektronin massasuhde, muuttuneet kosmisen historian aikana.

8. Tulevat yllätykset

Kuten Hubble löysi pimeän energian odottamatta vuonna 1998, ELT voi paljastaa täysin uusia ilmiöitä.

ELT:n tekniset tiedot

Pyyhkäise vierittääksesi →

ELT:n halkaisijaltaan 39,3-metrinen pääpeili koostuu 798 kuusikulmaisesta segmentistä, ja sen valoa keräävä pinta-ala on 978 neliömetriä.

Kaikki ELT:n peilit käyttävät yhteensä 140 tonnia Zerodur-lasikeramiikkaa eli litiumaluminosilikaattilasikeramiikkaa. Tuotteen valmistaa saksalainen Schott AG, jonka omistaa Carl Zeiss Foundation, tarkkuuslasin valamiseen erikoistunut säätiö.

Lähde: ELT

Teleskooppi on suunniteltu keräämään ja analysoimaan näkyvää sekä lähi-infrapunavaloa. Se kerää 20 kertaa enemmän valoa kuin yksi VLT-yksikkö, kahdeksan miljoonaa kertaa enemmän kuin Galileon teleskooppi ja sata miljoonaa kertaa enemmän kuin ihmissilmä.

Muita vaikuttavia ELT-lukuja ovat:

• Kupolirakenteessa käytettiin 30 miljoonaa pulttia, ja kupoli painaa 6 100 tonnia.
• Päärakenne painaa 3 700 tonnia, ja terästä käytetään yhteensä 10 000 tonnia.
• Teleskooppi ja siihen liittyvät järjestelmät käyttävät 500 kilometriä sähkökaapelia ja 1 500 kilometriä valokuitua.

Lähde: ELT

ELT:n peilit

ELT käyttää viiden peilin rakennetta, joka suurentaa tähtikuvat monimutkaisessa järjestelmässä ja heijastaa kuvan lopulta yhteen pisteeseen.

M1-peili kerää tähtien valon ja ohjaa sen kuperaan M2-peiliin, joka on suurin koskaan teleskoopissa käytetty apupeili. M2 heijastaa kuvan M3-peiliin.

Kuva lähetetään sitten yläpuolella olevaan mukautuvaan tasaiseen M4-peiliin, joka muuttaa muotoaan tuhat kertaa sekunnissa ja korjaa ilmakehän turbulenssin aiheuttamia vääristymiä.

Lopuksi kuva kulkee tasaiseen ja kallistettavaan M5-peiliin, joka vakauttaa sen ja lähettää sen ELT:n mittalaitteille.

M1

Tämä peilikoostuu 798 erillisestä kuusikulmaisesta segmentistä, joiden leveys on 1,4 metriä. Kukin osa painaa 250 kiloa ja on noin viisi senttimetriä paksu.

Lähde: ELT

Koska kaikkien osien on toimittava yhtenäisenä peilinä, niiden sijaintia on ohjattava äärimmäisen tarkasti. Koko 39 metrin halkaisijalla tarkkuuden on pysyttävä kymmenissä nanometreissä, noin 10 000 kertaa hiusta ohuemmalla tasolla.

Jokainen segmentti tuetaan taipumisen ja lämpölaajenemisen vaikutusten estämiseksi 27 pisteen whiffletree-tukimekanismilla, joka jakaa tuen tasaisesti segmentin taakse 27 kosketuspisteen avulla.

Peili käyttää yhteensä 2 500 asemointitoimilaitetta (PACT) ja 9 000 reunatunnistinta segmenttien täydellisen kohdistuksen ylläpitämiseen.

M2 & M3

Näiden kahden kaarevan peilin avulla M1:n keräämästä valosta muodostetaan käyttökelpoinen kuva.

M2 on halkaisijaltaan 4,25 metriä ja suurin koskaan teleskoopissa käytetty optinen apupeili.

M3:n halkaisija on neljä metriä, ja kumpikin peili painaa enimmillään kolme tonnia.

Lähde: ELT

Lisähaasteena oli ripustaa M2 ylösalaisin M1:n yläpuolelle 60 metrin korkeuteen.

M2:n kohdistamiseksi koko rakennetta liikutetaan kuudella asemointitoimilaitteella eli heksapodilla. Muutaman minuutin välein liikkuvan heksapodin suhteellinen tarkkuus on alle mikrometrin.

M4

M4 on suurin koskaan rakennettu mukautuva peili, ja se korjaa ilmakehän turbulenssia sekä teleskoopin jäännösvärähtelyä.

”Mukautuva peili” tarkoittaa, että sen pintaa voidaan muuttaa yli 5 000 toimilaitteella jopa tuhat kertaa sekunnissa.

M4 toimii samalla periaatteella kuin kaiutin. Peili on erittäin ohut kuori, joka leijuu 90 mikrometrin päässä vertailupinnastaan, suunnilleen tavallisen A4-paperin paksuuden verran. Se toimii kalvona, jota noin 5 000 äänikelatoimilaitetta muotoilee.

M4:n halkaisija on 2,4 metriä. Se koostuu kuudesta ohuesta lasikeraamisesta segmentistä, joista jokainen on vain 1,95 millimetriä paksu.

Tarvittavien korjausten määrittämiseksi teleskooppi luo ”keinotähtiä taivaalle” voimakkailla lasereilla. Ne virittävät natriumatomeja Maan yläilmakehässä, minkä jälkeen niiden sumentumista mitataan. Mitä tehokkaampi laser on, sitä enemmän atomeja virittyy, keinotähti kirkastuu ja turbulenssin korjaus paranee.

Lähde: ELT

M5

M5 lähettää M4:n häiriöistä korjaaman lopullisen kuvan digitaaliseen kameraan.

M5 on tasainen, ellipsinmuotoinen 2,7 × 2,2 metrin peili, joka rakennetaan kuudesta yhteen juotetusta kevyestä piikarbidisegmentistä.

Yksikkö vakauttaa myös teleskoopin mekanismien ja tuulen aiheuttamat kuvaliikkeet säätämällä peilin kallistuskulmia muutaman kymmenen millikaarisekunnin tarkkuudella.

ELT:n kumppanit

Näiden erittäin tarkkojen ohjausmekanismien ja yhtä erikoistuneen ”lasin” valmistuksessa teolliset kumppanit, enimmäkseen eurooppalaiset yritykset, ovat olleet hankkeelle välttämättömiä.

Keskeisimmät toimijat lasin valmistuksessa ja sen kiillotuksessa vaadittuun tarkkuuteen olivat saksalainen Schott AGja ranskalainen Safran. VDL ETG Projects B.V. Alankomaissa vastaa peilin selkärankana toimivien segmenttitukien valmistuksesta ja testauksesta.

Monet muut ELT:n teolliset ja akateemiset kumppanit toimittivat suunnittelua, rahtipalveluja, rakentamista, erikoislaitteita, mittavälineitä, mekaanisia osia, lämmönvaihtimia ja kameroita.

Lähde: ELT

ELT:n instrumentit

Kaukaisten planeettojen ja tähtien valoa keräävän peilin lisäksi lukuisat mittalaitteet analysoivat valoa tutkijoille. ELT:n tärkeimpiä instrumentteja ovat:

• MORFEO (Multiconjugate adaptive Optics Relay For ELT Observations): laite ei itse ota kuvaa, vaan korjaa Maan ilmakehän turbulenssin aiheuttamaa valon vääristymistä, joka sumentaa tähtitieteellisiä kuvia.
• HARMONI (High Angular Resolution Monolithic Optical and Near-infrared Integral field Spectrograph): laite jakaa kuvan suurella tarkkuudella osiin ja analysoi kunkin osan aallonpituudet tehokkaalla spektrografilla, jolloin planeettojen ja tähtien koostumus paljastuu.
• MICADO (Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations): kamera ottaa maailmankaikkeudesta tarkkoja lähi-infrapunakuvia, auttaa löytämään eksoplaneettoja, erottamaan muiden galaksien yksittäisiä tähtiä ja tutkimaan Linnunradan arvoituksellista keskustaa.
• METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph): keski-infrapuna-alueella toimiva kuvantamislaite ja spektrografi. Se analysoi muun muassa eksoplaneettojen, aurinkokunnan, tähtien ympärillä olevien kiekkojen, tähtien syntyalueiden, ruskeiden kääpiöiden, Linnunradan keskustan, kehittyneiden tähtien ympäristöjen ja aktiivisten galaksiytimien fysikaalisia ja kemiallisia ominaisuuksia.
• ANDES (ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph): tehokas korkean resoluution spektrografi, jolla etsitään elämän merkkejä Maan kaltaisilta eksoplaneetoilta ja maailmankaikkeuden vanhimpia tähtiä, testataan fysiikan perusvakioiden mahdollista vaihtelua ja havaitaan suoraan maailmankaikkeuden laajenemisen kiihtyminen.
• MOSAIC: Tämä monikohdespektrografi voi tutkia samanaikaisesti jopa sataa kohdetta. Sillä seurataan galaksien kasvua ja aineen jakaumaa alkuräjähdyksestä nykypäivään, ja se täydentää tulevia moniaallonpituuslaitteistoja kuten Euclid, Rubin, Roman ja SKAO.

Mitä ELT merkitsee tähtitieteelle

ELT:stä tulee maailman suurin teleskooppi, ja kilpailevien hankkeiden viivästyessä se voi säilyttää asemansa vähintään vuosikymmenen.

Se tekee ELT:stä yhden tärkeimmistä tähtitieteellisistä instrumenteista. Sen avulla voidaan saada tietoa kivisistä eksoplaneetoista ja kosmologisten malliemme puutteista sekä ymmärtää omaa aurinkokuntaamme syvemmin, mukaan lukien Saturnuksen ja Jupiterin yhä arvoitukselliset mutta geologisesti aktiiviset kuut.

Hanke on myös huomattava tekninen saavutus, joka siirtää mahdollisen rajoja ja osoittaa erittäin tarkan valmistuksen, erikoislasien ja nanometriluokan mittalaitteiden tieteellisen arvon.

Kaikki nämä tekniikat ovat yhtä tärkeitä kehittyneiden fotoni- ja kvanttitietokoneiden, lasereiden ja 3D-tulostimien kehitykselle.

Sijoittaminen kehittyneisiin optiikoihin

Corning Incorporated

Kun teleskoopit vievät kehittyneen lasin tarkkuusvalmistuksen rajoja eteenpäin, avautuu lukuisia teollisia mahdollisuuksia auto-, puolijohde-, tekoäly-, puolustus-, biotekniikka- ja terveysaloilla. Kehittyneen optiikan markkinoiden arvo on 310 miljardia dollaria, ja niiden odotetaan kasvavan 9,2% vuodessa vuoteen 2032.

Corning on 170 vuotta toiminut lasi- ja optiikkayhtiö. Se on historiansa aikana valmistanut ensimmäiset lasikuvut Thomas Edisonin sähkölamppuun, ensimmäisen pienihäviöisen valokuidun, katalysaattorit mahdollistavat kennorakenteet ja ensimmäisen vaurioita kestävän suojalasin mobiililaitteisiin.

Lähde: Corning

Nykyään yhtiö keskittyy lasin ja keramiikan valmistuksen ydinteknologioihin sekä optisen fysiikan tekniikoihin, joilla on yhteisiä valmistusprosesseja ja loppumarkkinoita.

Lähde: Corning

Teknologioiden yhteys mahdollistaa yhteisten valmistus-, tutkimus- ja suunnitteluvalmiuksien jakamisen tuotelinjojen välillä. Yli 52 000 työntekijän, yli 77 tehtaan ja yli 10 tutkimus- ja kehitysyksikön ansiosta yhtiö on suuri toimija omassa erikoisalassaan.

Lähde: Corning

Yhtiö hyötyy tekoäly- ja datakeskusrakentamisen kasvusta valokuitujen kautta sekä erikoislasin yleisestä käytöstä näytöissä ja biotekniikassa.

Tullien ei pitäisi vaikuttaa Corningiin voimakkaasti, sillä 90% Yhdysvaltain liikevaihdosta tulee Yhdysvalloissa valmistetuista tuotteista. Vain pieni osa Kiinan myynnistä on peräisin Yhdysvaltain tehtailta, ja 80% Kiinan myynnistä valmistetaan Kiinassa.

Tullit voivat jopa auttaa, sillä Corning laajenee aurinkopaneelimarkkinoille hallitsemalla strategisesti Hemlock Solar, jotta paneelit voidaan valmistaa Yhdysvalloissa. Aasialaisiin, ei vain kiinalaisiin, paneeleihin kohdistuu nelinumeroisia tulleja, ja asiakkaat ovat jo varanneet 80% kapasiteetista.

Aurinkoenergia sopii yhtiölle hyvin, sillä piin käsittely on sen ydinosaamista. Corning on valmistanut monikiteistä piitä 60 vuotta, mukaan lukien erittäin puhdasta 99,9999999999-prosenttista piitä, ja käynnistää nyt piikiekkojen tuotannon. Tällä hetkellä tuote tuodaan Yhdysvaltoihin kokonaan ulkomailta.

Lähde: Corning

Yhtiö tutkii myös muita kehittyneitä tekniikoita, joissa lasi- ja keramiikkaosaaminen voi tarjota vahvan edun, kuten taipuisaa lasia, lisättyä todellisuutta ja hiilidioksidin talteenottoa.

Lähde: Corning

Kokonaisuutena Corning on erittäin tekninen ja paikallisesti valmistava yhtiö, johon deglobalisaation ei pitäisi vaikuttaa merkittävästi. Se laajenee myös ydinosaamistaan vastaaville uusille markkinoille, etenkin aurinkoenergiaan sekä optiseen tiedonsiirtoon ja AI-infrastruktuuriin. Siksi se on sekä suhteellisen varovainen omaa erikoisalaansa syventävä yhtiö että mahdollinen kasvuyhtiö korkean teknologian markkinoilla.

Uusimmat Corning Incorporated (GLW) osakeuutiset ja kehitys