Ekstremt stort teleskop (ELT): Astronomiens største underverk

Det ekstremt store teleskopet vil slå astronomiske rekorder

Fremskrittet innen astronomi er i stor grad i takt med den tekniske utviklingen i produksjon av teleskoper. Fra de tidlige modellene håndlaget av Galileo, til den teknologiske dyktigheten fra internasjonalt samarbeid i dag, er dette fortsatt sant.

Et annet steg har vært å flytte teleskoper ut av jorden og inn i bane, som med Hubble-teleskopet og mer nylig med James Webb romteleskop (følg lenken for en detaljert analyse av dette vitenskapelige megaprosjektet).

Grunnen til at romteleskoper er mer effektive er at de er immune mot forstyrrelser fra jordens atmosfære og vær, som kan redusere bildets kvalitet.

Imidlertid har jordbaserte teleskoper fortsatt noen fordeler over rombaserte teleskoper. Spesielt deres potensielle størrelse, siden det å løfte stort utstyr inn i bane fortsatt er en ekstremt kompleks og kostbar oppgave.

Strømforsyning, vedlikehold og tekniske oppgraderinger er også mye enklere å utføre på bakken, mens romteleskoper er stort sett umulige å reparere eller endre senere, spesielt teleskoper millioner av kilometer fra jorden, som James Webb romteleskop.

Fortsatt under bygging, et prosjekt kalt Extremely Large Telescope (ELT) demonstrerer potensialet til jordbaserte teleskoper. Basert i Chile, vil det bli verdens største teleskop noensinne bygget, flere ganger større enn den forrige rekorden, og representerer et ingeniørunderverk.

En lang rekke av store chilenske teleskoper

ELT er det siste prosjektet fra det internasjonale astronomfellesskapet for å avdekke universets mysterier.

I samme område som ELT er lokalisert Paranal-observatoriet, drevet av European Southern Observatory (ESO), og 23 kilometer (14 miles) fra byggeplassen til ELT.

Kilde: ESO

Paranal er stedet for Very Large Telescope (VLT), forløperen til Extremely Large Telescope (ELT), nå under bygging. VLT har blitt operert siden 1998 av ESO, og brukte det som på den tiden var et rekordstort primært speil på 8,2 meter (27 ft) i diameter.

ELT vil overgå VLT, med et primært segmentert speil på 39,3 meter i diameter (130 fot).

Hvorfor Chile?

Det samme chilenske stedet brukes av Vera C. Rubin Observatory, et undersøkelsesteleskop som observerer hele den synlige himmelen på én gang, og bruker avansert AI for å oppdage endringer i stjerners aktivitet.

ELT vil også bli lokalisert i Chile, som har noen av de beste forholdene for astronomi.

Det valgte stedet har i gjennomsnitt 270 klare netter per år.

Vera C. Rubin, VLT, og snart ELT, er alle lokalisert i høy høyde, med ELT bygget på 3 046 m (9 993 ft) over havet.

Cerro Armazones sto en gang 10 052 fot (3 064 m) over havet, men i juni 2014 ble toppen blåst bort for å jevne fjelltoppen for bygging, som fjernet 60 fot (18 m) fra høyden og fjernet ~220 000 m³ stein (263 000 kvadratyard).

Kilde: ELT

Dette høye området hjelper med å redusere atmosfærisk forstyrrelse, ytterligere hjulpet av den svært lave luftfuktigheten i ørkenregionen, og gir også et ganske isolert sted, langt fra lysforurensning fra store byer.

Cerro Armazones’ beliggenhet i den tørre chilenske ørkenen i høy høyde gjør den ideell for astronomiske observasjoner.

Høyden på stedet over havet medfører ingen logistiske problemer for driften, samtidig som den oppfyller vitenskapelige krav til lav nedbrytbar vanndamp og lave driftstemperaturer.

Nedbøren i ett år er på rundt 100 mm, med en median relativ fuktighet på 15%.

ELT‑oversikt

Konstruksjon

Diskutert siden 2005, ble ELT‑prosjektet startet i 2010, da flere steder i Chile og andre land (Argentina, Kanariøyene, Marokko, Antarktis) først ble vurdert, før toppen av Cerro Armazones-fjellet ble valgt, delvis på grunn av nærheten til den eksisterende infrastrukturen ved Paranal-observatoriet.

Kilde: ELT

I 2012 ble prosjektet godkjent av ESO‑rådet, og byggearbeidet startet i 2014.

Opprinnelig kalt European Extremely Large Telescope (E-ELT), ble prosjektnavnet forkortet til ELT i 2017.

Byggingen nådde 50 % i 2023, og den første delen av speilet begynte å ankomme Chile i 2024, med sekundærspeilet forventet ferdigstilt i 2025.

Videre fremdrift forventes i 2026 med strukturen endelig ferdig, og i 2027 med de tertiære speilene samt M4 og M5 fullført, i tillegg til hovedprimærspeilet.

ELT forventes å motta «første lys» i 2029 og de første vitenskapelige observasjonene i 2030. Det bør operere i mer enn 30 år fra da.

Kilde: Cosmos Magazine

Alt i alt er hele konstruksjonen massiv, nesten like høy og mye større enn Frihetsgudinnen.

Kilde: Space.com

I løpet av denne innledende fasen ble designalternativer diskutert av forskerne og partnerlandene i prosjektet.

Den nåværende designen ble foretrukket fremfor et mer ambisiøst men mindre realistisk konsept, Overwhelmingly Large Telescope, med et massivt speil på 100 m (328 ft) i diameter, som ble ansett for dyrt og for komplekst å bygge.

Selv om de fleste tekniske problemer nå er løst, var det en kompleks innsats som samlet arbeidet til mer enn 170 forskere, organisert i flere arbeidsgrupper, som skapte en simulering av det fremtidige teleskopet og hvordan man kan optimalisere dets bildedannelseskapasitet.

Kilde: ELT

Totalt forventes ELT å koste rundt €1,45 milliarder, med budsjettet allerede fullt sikret.

ELT‑mål

Det ekstremt store teleskopet er designet for å besvare noen av astronomiens største spørsmål. Dets hovedvitenskapelige mål inkluderer:

1. Solsystemet

Studere atmosfærene til gasskjemper, vulkansk aktivitet på månene til Jupiter og Saturn, asteroidebeltet, og frosne Kuiper-belte objekter.

2. Eksoplaneter

Direkte avbilde steinete planeter i beboelige soner og analysere deres atmosfærer for vanndamp, oksygen og metan ved bruk av ANDES-spektrografen.

3. Stjerner

Undersøke hvordan stjerner dannes og utvikles i ulike miljøer.

4. Svart hull

Spore stjerner som går i bane tett rundt Sagittarius A* for bedre å forstå det supermassive svarte hullet i sentrum av Melkeveien.

5. Galakser

Identifisere ekstremt fjerne galakser og bygge videre på oppdagelser gjort av James Webb Space Telescope.

6. Mørk materie

Utforske sammenhengen mellom mørk materie og gammastråleutbrudd.

7. Grunnleggende fysikk

Teste om naturkonstanter, som lyshastigheten og forholdet mellom proton- og elektronmasse, har endret seg over kosmisk tid.

8. Overraskelser som ennå ikke har kommet

Som Hubbles uventede oppdagelse av mørk energi i 1998, kan ELT avdekke helt nye fenomener.

ELT‑tekniske spesifikasjoner

Sveip for å rulle →

ELT‑hovedspeilet, med en diameter på 39,3 meter (128 fot), vil bli bygget med 798 heksagonale speilsegmenter, noe som gir et lysinnsamlingsområde på 978 m² (10 527 kvadratfot).

Sammen vil alle speilene i ELT bruke 140 ton glass‑keramisk Zerodur (litium‑aluminium‑silikat glass‑keramisk) i teleskopspeilene, et produkt eid av det tyske selskapet Schott AG, et datterselskap av Carl Zeiss Foundation, og en ekspert på presisjonsglassstøperi.

Kilde: ELT

Dette teleskopet er designet for å fange og analysere synlig og nær‑infrarødt lys. Det vil fange 20 ganger mer lys enn en enhet av VLT, 8 000 000 ganger mer lys enn Galileos teleskop, og 100 millioner ganger mer enn det menneskelige øyet.

• 30 millioner bolter ble brukt til kuppelstrukturen, som veier 6 100 ton.
• Hovedstrukturen veier så mye som 3 700 ton, og totalt vil 10 000 ton stål bli brukt.
• Teleskopene og tilhørende systemer bruker 500 km (310 miles) elektrisk kabel og 1 500 km (930 miles) optisk fiber.

Kilde: ELT

ELTs speil

ELT vil bruke et 5‑speil‑design som vil forstørre stjernebilder gjennom et komplekst system, til slutt reflektere bildet til ett gitt punkt.

M1‑speilet fanger stjernelyset, og sender det deretter til det konvekse speilet M2, det største sekundærspeilet som noen gang er brukt på et teleskop, som reflekterer bildet på M3.

Bildet sendes deretter til det adaptive flate speilet (M4) over det, som vil justere formen sin tusen ganger i sekundet for å korrigere for forvrengninger forårsaket av atmosfærisk turbulens.

Til slutt sendes bildet til M5, et flatt, tiltbart speil som vil stabilisere bildet og sende det til ELT‑instrumentene.

M1

Dette speilet, med sine 798 individuelle heksagonale segmenter, hver måler 1,4 meter i diameter. Hver komponent veier 250 kg og er omtrent 5 centimeter tykk (2 tommer).

Kilde: ELT

Fordi hver av komponentene må fungere som ett samlet speil, må posisjonen kontrolleres ekstremt presist. De må opprettholde en nøyaktighet på titalls nanometer (10 000 ganger tynnere enn et menneskehår) over hele 39‑meters diameteren.

For å hindre at de bøyer seg eller påvirkes av termisk ekspansjon, er hvert segment støttet av en 27-punkts whiffletree, som er en mekanisme for jevnt å fordele støtten over baksiden av segmentet ved hjelp av 27 kontaktpunkter over overflaten.

Totalt bruker speilet 2 500 posisjoneringsaktuatorer (PACTs) og 9 000 kant‑sensorer for å holde speilelementet perfekt justert i forhold til hverandre.

M2 & M3

Disse 2 buede speilene brukes til å danne et brukbart bilde fra lyset samlet av M1‑speilet.

M2 er et speil med 4,25 meter diameter, det største optiske sekundærspeilet som noen gang er brukt på et teleskop.

M3 er 4 meter i diameter, og de veier så mye som 3 tonn hver.

Kilde: ELT

En ekstra utfordring var å suspendere M2 opp ned over M1, 60 m over bakken.

For å justere M2‑speilet vil hele samlingen bli flyttet ved hjelp av seks posisjoneringsaktuatorer (hexapoder). Den relative nøyaktigheten til denne hexapoden, som vil bevege seg hvert par minutter, er i sub‑µm‑området.

M4

M4 er det største adaptive speilet som noen gang er bygget og vil korrigere for atmosfærisk turbulens og den gjenværende vibrasjonen av selve teleskopet.

«Adaptivt speil» betyr at overflaten kan deformeres, takket være mer enn 5000 aktuatorer som endrer speilets form opptil 1000 ganger per sekund.

M4‑speilet bruker samme prinsipp som en høyttaler; speilet er laget av et svært tynt skall som svever 90 mikroner fra sin referanseoverflate (dette tilsvarer tykkelsen på et standard A4‑ark), og det fungerer som en membran som deformeres under påvirkning av omtrent 5000 stemmekol‑aktuatorer.

M4 måler 2,4 meter i diameter (8 fot). Det vil bestå av seks tynne segment‑speil, hver kun 1,95 millimeter (0,1 tommer) tykk og laget av keramisk glass.

For å bestemme nødvendige korreksjoner vil teleskopet skape «kunstige stjerner på himmelen» ved å bruke kraftige lasere for å excitere natriumatomer i jordens øvre atmosfære og måle deres uskarphet. Jo kraftigere laserne er, jo flere natriumatomer de excitere, noe som gjør den kunstige stjernen lysere og forbedrer turbulenskorrigeringen.

Kilde: ELT

M5

Dette speilet er ansvarlig for å sende det endelige bildet, korrigert for interferens fra M4, til det digitale kameraet som registrerer det fangede bildet.

M5 vil være et flatt, elliptisk speil som måler 2,7 × 2,2 meter, konstruert av seks lettvektige silisiumkarbid‑segmenter som er loddet sammen.

Enheten stabiliserer også bildets bevegelser, som induseres av teleskopmekanismer og vind‑vibrasjoner, ved å justere speilets tip‑ og tilt‑vinkler til noen titalls milli‑buesekunder nøyaktighet.

ELT‑partnere

For å håndtere produksjonen av disse ultra‑presise kontrollmekanismene og like ultra‑spesialiserte «glass», har industrielle partnere, hovedsakelig europeiske selskaper, vært avgjørende for prosjektet.

Blant de mest instrumentelle, nøkkel i å produsere glasset og deretter polere det til den nødvendige presisjonen, var henholdsvis det tyske selskapet Schott AG, og den franske Safran. VDL ETG Projects B.V. i Nederland er ansvarlig for produksjon og testing av segmentstøttene, som fungerer som speilets ryggrad.

Mange andre industrielle og akademiske partnere til ELT leverte design, frakt, konstruksjon, spesialutstyr, måleverktøy, mekaniske innretninger, varmevekslere, kameraer osv.

Kilde: ELT

ELT‑instrumenter

I tillegg til speilet som fanger lyset fra fjerne planeter og stjerner, vil mange instrumenter analysere dette lyset for å la forskere undersøke det. Det viktigste instrumentet for ELT vil være:

• MORFEO (Multiconjugate Adaptive Optics Relay For ELT Observations): dette instrumentet vil ikke ta et bilde selv, men vil hjelpe med å kompensere for lysforvrengning forårsaket av turbulens i jordens atmosfære som gjør astronomiske bilder uklare.
• HARMONI (High Angular Resolution Monolithic Optical and Near-infrared Integral field Spectrograph): Dette instrumentet kan med høy oppløsning dekomponere et bilde i separate segmenter, og analysere hver enkelt bølgelengde ved hjelp av et kraftig spektrograf, og avsløre sammensetningen av planeter og stjerner.
• MICADO (Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations): det vil ta høyoppløselige bilder av universet i nær‑infrarøde bølgelengder, hjelpe med å identifisere eksoplaneter, skille individuelle stjerner i andre galakser, og undersøke det gåtefulle sentrum av Melkeveien.
• METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph): en bildesensor og spektrograf som opererer i det midt‑infrarøde bølgelengdeområdet. Dens rolle vil være å analysere de fysiske og kjemiske egenskapene til stjerneobjekter så varierte som eksoplaneter, solsystemet, omkring‑stjerne‑skiver og stjernedannende regioner, brune dverger, sentrum av Melkeveien, miljøet rundt utviklede stjerner, og aktive galaktiske kjerner.
• ANDES (ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph): et kraftig høyoppløselig spektrograf som vil bli brukt til å oppdage livssignaturer fra jordlignende eksoplaneter, søke etter de eldste stjernene i universet, teste mulige variasjoner i de grunnleggende fysiske konstantene, og den direkte oppdagelsen av akselerasjonen av universets ekspansjon.
• MOSAIC: Dette Multi‑Object Spectrograph kan studere opptil 100 mål samtidig, og vil bli brukt til å spore veksten av galakser og fordelingen av materie fra Big Bang til i dag. Det vil også gi synergier med kommende multi‑bølgelengde‑fasiliteter (inkludert Euclid, Rubin, Roman, SKAO).

Hva ELT betyr for astronomi

ELT vil bli verdens største teleskop, og kan forbli det i minst et tiår, ettersom konkurrerende prosjekter blir forsinket.

Dette vil gjøre det til et av de viktigste astronomiske instrumentene, og sannsynligvis kilden til innsikt om steinete eksoplaneter, hva som mangler i våre kosmologiske modeller, og en mye dypere forståelse av vårt eget solsystem, som de fortsatt gåtefulle (men geologisk aktive) månene til Saturn og Jupiter.

Dette er også en bemerkelsesverdig teknisk prestasjon, som presser grensene for hva som er teknisk mulig og demonstrerer den vitenskapelige verdien av ultra‑presise produksjonsmetoder, spesialglass og måleinstrumenter på nanometerskala.

Alle disse er like viktige for utviklingen av overlegne fotoniske og kvantedatamaskiner, lasere, 3D‑skrivere osv.

Investere i avansert optikk

Corning Incorporated

Etter hvert som teleskoper presser grensene for presisjonsproduksjon i avansert glass, åpner dette også opp for en rekke industrielle muligheter i sektorer så varierte som bilindustri, halvledere, AI, forsvar, bioteknologi og helsevesen. Det avanserte optikkmarkedet er et $310 milliarder marked, forventet å vokse med 9,2 % CAGR frem til 2032.

Corning er et glass‑ og optikkselskap som har eksistert i 170 år. Gjennom sin historie har det produsert de første glasspærene til Thomas Edisons elektriske lys, den første lavtap‑optiske fiberen, celle‑substratene som muliggjør katalysatorer, og det første skade‑resistente dekselglasset for mobile enheter.

Kilde: Corning

I dag fokuserer selskapet på kjerne‑teknologier relatert til produksjon av glass og keramikk, samt optisk fysikk‑teknologier, som deler felles produksjonsprosesser og sluttmarkeder.

Kilde: Corning

Denne sammenkoblingen av teknologier gjør at selskapet kan dele felles produksjons‑, forsknings‑ og ingeniørkapasiteter mellom sine ulike produktlinjer. Med over 52 000 ansatte, mer enn 77 produksjonssteder verden over, og over 10 FoU‑anlegg, er selskapet en stor aktør i sin nisje.

Kilde: Corning

Selskapet drar nytte av boomen innen AI og bygging av datasentre (optiske fibre), samt den generelle etterspørselen etter spesialglass i skjermer og bioteknologi.

Corning bør ikke påvirkes mye av toll, da 90 % av USAs inntekter kommer fra produkter med amerikansk opprinnelse. Svært lite av salget gjort i Kina stammer fra amerikanske anlegg, med 80 % av kinesisk salg gjort i Kina.

Toll kan til og med hjelpe, ettersom Corning går inn i solcellepanelmarkedet, med strategisk kontroll over Hemlock Solar, for å produsere amerikanske paneler, da asiatiske solcellepaneler (ikke bare kinesiske) blir pålagt fire‑sifrede tollsatser. 80 % av kapasiteten er allerede sikret gjennom kunders forpliktelser.

Solenergi gir mye mening for selskapet, med silisium som håndterer en kjernekompetanse i produksjon, etter å ha produsert polysilisium i 60 år, inkludert ultra‑rent silisium (99,9999999999 % rent) og nå lanserer produksjon av silisiumskiver, et produkt som importeres 100 % i USA.

Kilde: Corning

Selskapet ser også på andre avanserte teknologier hvor deres ekspertise innen glass og keramikk kan gi et solid konkurransefortrinn, inkludert bøybart glass, AR, karbonfangst osv.

Kilde: Corning

Alt i alt er Corning et høyt teknisk selskap med lokalisert produksjon som ikke bør påvirkes av deglobalisering. Det omfavner også nye markeder som samsvarer med deres kjernekompetanser, spesielt solenergi og optisk kommunikasjon / AI‑infrastruktur. Dette gjør det både til et relativt konservativt selskap, som bare graver dypere i sin nisje, men også en potensiell vekstaksje i høyteknologiske markeder.

Siste nyheter og utviklinger for Corning Incorporated (GLW) aksje