Extremt stort teleskop (ELT): Astronomins största underverk

Det extremt stora teleskopet kommer att bryta astronomiska rekord

Astronomins framsteg är till stor del i takt med den tekniska utvecklingen inom tillverkning av teleskop. Från de tidiga modellerna handgjorda av Galileo till dagens teknologiska förmåga genom internationellt samarbete är detta fortfarande sant.

Ett annat steg har varit att flytta teleskop från jorden till omloppsbana, som med Hubble-teleskopet och mer nyligen med James Webb space telescope (följ länken för en detaljerad analys av det vetenskapliga megaprojektet).

Anledningen till att rymdteleskop är mer effektiva är att de är immuna mot störningar från jordens atmosfär och väder, vilket kan försämra bildkvaliteten.

Dock har jordbundna teleskop fortfarande vissa fördelar jämfört med rymdbaserade teleskop. Särskilt deras potentiella storlek, eftersom det är en extremt komplex och dyr uppgift att lyfta stor utrustning till omloppsbana.

Strömförsörjning, underhåll och tekniska uppgraderingar är också mycket enklare att utföra på marken, medan rymdteleskop i stort sett är omöjliga att reparera eller ändra senare, särskilt teleskop som befinner sig miljoner kilometer från jorden, som James Webb rymdteleskop.

Fortfarande under konstruktion, ett projekt kallat Extremely Large Telescope (ELT) visar potentialen hos markbaserade teleskop. Beläget i Chile kommer det att bli världens största teleskop någonsin byggt, flera gånger större än det tidigare rekordet, och representerar ett ingenjörsunderverk.

En lång rad av stora chilenska teleskop

ELT är det senaste projektet från det internationella astronomisamhället för att avkoda universums mysterier.

I samma område där ELT är beläget finns Paranal Observatory, som drivs av European Southern Observatory (ESO), och ligger 23 kilometer (14 miles) från byggplatsen för ELT.

Källa: ESO

Paranal är platsen för Very Large Telescope (VLT), föregångaren till Extremely Large Telescope (ELT), som nu är under konstruktion. VLT har drivits sedan 1998 av ESO, och använde då en rekordstor primär spegel på 8,2 meter (27 ft) i diameter.

ELT kommer att överträffa VLT, med en primär segmenterad spegel på 39,3 meters diameter (130 fot).

Varför Chile?

Samma chilenska plats används av Vera C. Rubin Observatory, ett undersökningsteleskop som observerar hela den synliga himlen på en gång, och använder avancerad AI för att upptäcka förändringar i stjärnors aktivitet.

ELT kommer också att placeras i Chile, som har några av de bästa förutsättningarna för astronomi.

Den valda platsen har i genomsnitt 270 klara nätter per år.

Vera C. Rubin, VLT och snart ELT är alla placerade på hög höjd, där ELT byggs på 3 046 m (9 993 ft) över havet.

Cerro Armazones låg tidigare på 10 052 fot (3 064 m) över havet, men i juni 2014 blev toppen blasted away för att jämna ut bergstoppen för konstruktion, vilket tog bort 60 fot (18 m) från dess höjd och avlägsnade ~220 000 m³ sten (263 000 kvadratyard).

Källa: ELT

Denna höga höjd hjälper till att minska atmosfäriska störningar, ytterligare hjälpt av den mycket låga luftfuktigheten i ökenregionen, och ger också en relativt avskild plats, långt från ljusföroreningar från stora städer.

Cerro Armazones läge i den torra chilenska öknen på hög höjd gör det idealiskt för astronomiska observationer.

Höjden på platsen över havet medför inga logistiska problem för driften, samtidigt som den uppfyller de vetenskapliga kraven på låg precipiterande vattenånga och låga driftstemperaturer.

Nederbörden under ett år är omkring 100 mm, med ett medianvärde för relativ luftfuktighet på 15 %.

ELT‑översikt

Konstruktion

Diskuterat sedan 2005 påbörjades ELT‑projektet 2010, när flera platser i Chile och andra länder (Argentina, Kanarieöarna, Marocko, Antarktis) initialt övervägdes, innan toppen av Cerro Armazones berg valdes, delvis på grund av dess närhet till den befintliga infrastrukturen vid Paranal-observatoriet.

Källa: ELT

2012 godkändes projektet av ESO‑rådet, och byggnadsarbetet påbörjades 2014.

Ursprungligen kallat European Extremely Large Telescope (E-ELT), förkortades projektnamnet till ELT år 2017.

Byggnationen nådde 50 % i 2023, och den första spegelsegmentet började anlända till Chile 2024, med den sekundära spegeln förväntad att vara färdigställd 2025.

Ytterligare framsteg förväntas 2026 med strukturen slutligen färdig, och 2027 med de tertiära speglarna samt M4 och M5 färdigställda, liksom huvudprimärspegeln.

ELT förväntas få ”första ljus” 2029 och de första vetenskapliga observationerna 2030. Det bör vara i drift i mer än 30 år från dess start.

Källa: Cosmos Magazine

Sammanfattningsvis är hela konstruktionen massiv, nästan lika hög och mycket större än Frihetsgudinnan.

Källa: Space.com

Under denna inledande fas diskuterades designalternativ av projektets forskare och partnerländer.

Den nuvarande designen föredrogs framför ett mer ambitiöst men mindre realistiskt koncept, Overwhelmingly Large Telescope, med en massiv spegel på 100 m (328 ft) i diameter, som ansågs för dyr och för komplex att byggas.

Även om de flesta tekniska problem har lösts nu, var det en komplex insats som samlade arbetet av mer än 170 forskare, organiserade i flera arbetsgrupper, och skapade en simulering av det framtida teleskopet och hur man optimerar dess bildgenereringskapacitet.

Källa: ELT

Totalt förväntas ELT kosta omkring 1,45  miljarder € , med dess budget redan helt säkrad.

ELT‑mål

Det extremt stora teleskopet är konstruerat för att besvara några av astronomins största frågor. Dess huvudsakliga vetenskapliga mål inkluderar:

1. Solsystemet

Studera atmosfärerna hos gasjättar, vulkanisk aktivitet på Jupiters och Saturnus månar, asteroidbältet och frusna Kuiperbältets objekt.

2. Exoplaneter

Direkt avbilda steniga planeter i beboeliga zoner och analysera deras atmosfärer för vattenånga, syre och metan med hjälp av ANDES spectrograph.

3. Stjärnor

Undersöka hur stjärnor bildas och utvecklas i olika miljöer.

4. Svarta hål

Spåra stjärnor som kretsar nära Sagittarius A* för att bättre förstå det supermassiva svarta hålet i centrum av Vintergatan.

5. Galaxier

Identifiera extremt avlägsna galaxer och bygga vidare på upptäckter gjorda av James Webb Space Telescope.

6. Mörk materia

Utforska sambandet mellan mörk materia och gammastrålningsutbrott.

7. Grundläggande fysik

Testa om naturkonstanter, såsom ljusets hastighet och förhållandet mellan proton- och elektronmassa, har förändrats över kosmisk tid.

8. Överraskningar som ännu väntar

Precis som Hubbles oväntade upptäckt av mörk energi 1998, kan ELT avslöja helt nya fenomen.

ELT‑tekniska specifikationer

Svep för att rulla →

ELT:s huvudspegel, med en diameter på 39,3 meter (128 fot), kommer att byggas med 798 hexagonala spegelsegment, vilket ger en ljusinsamlingsarea på 978 kvadratmeter (10 527 kvadratfot).

Tillsammans kommer alla speglar i ELT att förbruka 140 ton av glas-keramiken Zerodur (litium-aluminium-silikat glas-keramik) i teleskopspeglarna, en produkt som ägs av det tyska företaget Schott AG, ett dotterbolag till Carl Zeiss Foundation, och en expert på precisionsglasgjutning.

Källa: ELT

Detta teleskop är konstruerat för att fånga och analysera synligt och nära-infrarött ljus. Det kommer att samla in 20 gånger mer ljus än en enhet av VLT, 8 000 000 gånger mer ljus än Galileos teleskop, och 100 miljoner gånger mer än det mänskliga ögat.

• 30 miljoner bultar användes för kupolstrukturen, som väger 6 100 ton.
• Huvudstrukturen väger så mycket som 3 700 ton, och totalt kommer 10 000 ton stål att användas.
• Teleskopen och tillhörande system använder 500 km (310 miles) elektrisk kabel och 1 500 km (930 miles) optisk fiber.

Källa: ELT

ELTs speglar

ELT kommer att använda en 5-spegeldesign som förstorar stjärnbilderna genom ett komplext system, och slutligen reflekterar bilden på en given punkt.

M1-spegeln fångar stjärnljuset, och dirigerar sedan om det till den konvexa spegeln M2, den största sekundära spegeln som någonsin använts på ett teleskop, som reflekterar bilden på M3.

Bilden skickas sedan till den adaptiva plana spegeln (M4) ovanför den, som kommer att justera sin form tusen gånger per sekund för att korrigera för atmosfärisk turbulens.

Slutligen skickas bilden till M5, en plan, lutningsbar spegel som kommer att stabilisera bilden och skicka den till ELT:s instrument.

M1

Denna spegel, med sina 798 individuella hexagonala segment, var och en 1,4 meter i bredd. Varje komponent väger 250 kg och är cirka 5 centimeter tjock (2 tum).

Källa: ELT

Eftersom varje komponent måste fungera som en enhetlig spegel, måste deras position kontrolleras extremt exakt. De måste upprätthålla en noggrannhet på tiotals nanometer (10 000 gånger tunnare än ett människohår) över hela den 39‑meter stora diametern.

För att förhindra att de böjs eller påverkas av termisk expansion, stöds varje segment av ett 27‑punkt whiffletree, vilket är en mekanism för att jämnt fördela stödet över segmentets baksida med 27 kontaktpunkter över dess yta.

Totalt använder spegeln 2 500 placeringsaktuatorer (PACTs) och 9 000 kant‑sensorer för att hålla spegelelementen perfekt justerade med varandra.

M2 & M3

Dessa två böjda speglar används för att skapa en användbar bild från ljuset som samlats in av M1-spegeln.

M2 är en spegel med en diameter på 4,25 meter, den största optiska sekundära spegeln som någonsin använts på ett teleskop.

M3 är en spegel med en diameter på 4 meter, och de väger så mycket som 3 ton vardera.

Källa: ELT

En ytterligare svårighet var att hänga M2 upp och ner över M1, 60 m över marken.

För att justera M2-spegeln kommer hela sammansättningen att flyttas med hjälp av sex placeringsaktuatorer (hexapoder). Den relativa noggrannheten för denna hexapod, som kommer att röra sig varannan minut, ligger i sub‑µm‑området.

M4

M4 är den största adaptiva spegeln som någonsin byggts och kommer att korrigera för atmosfärisk turbulens och den återstående vibrationerna i själva teleskopet.

“Adaptiv spegel” betyder att dess yta kan deformeras, tack vare mer än 5 000 aktuatorer som förändrar spegelns form upp till 1 000 gånger per sekund.

M4-spegeln använder samma princip som en högtalare; spegeln består av ett mycket tunt skal som svävar 90 mikron från sin referensyta (det motsvarar tjockleken på ett standard A4‑papper), och den fungerar som ett membran som deformeras under påverkan av cirka 5 000 röstspolaktuatorer.

M4 mäter 2,4 meter i diameter (8 fot). Den kommer att bestå av sex tunna segmenterade speglar, var och en endast 1,95 millimeter (0,1 tum) tjock och tillverkad av keramisk glas.

För att bestämma de nödvändiga korrigeringarna kommer teleskopet att skapa “artificiella stjärnor på himlen” genom att använda kraftfulla laser för att excitera natriumatomer i jordens övre atmosfär och mäta deras suddighet. Ju kraftfullare laserna är, desto fler natriumatomer excitera de, vilket gör den artificiella stjärnan ljusare och förbättrar turbulenskorrigeringen.

Källa: ELT

M5

Denna spegel ansvarar för att skicka den slutgiltiga bilden, korrigerad för interferens av M4, till den digitala kameran som registrerar den fångade bilden.

M5 kommer att vara en plan, elliptisk spegel som mäter 2,7 x 2,2 meter, konstruerad av sex lätta kiselkarbidsegment som svetsas ihop.

Enheten stabiliserar också bildrörelserna, som induceras av teleskopmekanismer och vindvibrationer, genom att justera spegelns tip‑ och tilt‑vinklar till en noggrannhet på några tiotals milli‑arcsekunder.

ELT‑partners

För att hantera produktionen av dessa ultranoggranna kontrollmekanismer och lika ultraspecialiserade ”glas”, har industriella partners, främst europeiska företag, varit avgörande för projektet.

Bland de mest instrumentella, nyckeln i att producera glaset och sedan polera det till den erforderliga precisionen, var respektive det tyska företaget Schott AG och det franska Safran. VDL ETG Projects B.V. i Nederländerna ansvarar för produktion och testning av segmentstöden, som fungerar som spegelns ryggrad.

Many other industrial and academic partners to the ELT tillhandahöll design, frakt, konstruktion, specialutrustning, mätverktyg, mekaniska hjälpmedel, värmeväxlare, kameror, etc.

Källa: ELT

ELT‑instrument

Förutom spegeln som fångar det avlägsna planeternas och stjärnornas ljus, kommer många instrument att analysera detta ljus för att möjliggöra vetenskaplig analys. Det viktigaste instrumentet för ELT kommer att vara:

• MORFEO (Multiconjugate adaptive Optics Relay For ELT Observations): detta instrument tar inte en bild själv, men hjälper till att kompensera för ljusförvrängning orsakad av turbulens i jordens atmosfär som gör astronomiska bilder suddiga.
• HARMONI (High Angular Resolution Monolithic Optical and Near-infrared Integral field Spectrograph): Detta instrument kan med hög upplösning dela upp en bild i separata segment och analysera varje enskild våglängd med ett kraftfullt spektrograf, vilket avslöjar sammansättningen av planeter och stjärnor.
• MICADO (Multi-AO Imaging Camera for Deep Observations): det kommer att ta högupplösta bilder av universum i nära‑infraröda våglängder, hjälpa till att identifiera exoplaneter, särskilja individuella stjärnor i andra galaxer och undersöka det gåtfulla centrumet i Vintergatan.
• METIS (Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph): en avbildare och spektrograf som verkar i det medel‑infraröda våglängdsområdet. Dess roll blir att analysera de fysiska och kemiska egenskaperna hos stjärnobjekt så varierande som exoplaneter, solsystemet, omgivande skivor och stjärnbildningsområden, bruna dvärgar, Vintergatans centrum, miljön kring utvecklade stjärnor och aktiva galaktiska kärnor.
• ANDES (ArmazoNes high Dispersion Echelle Spectrograph): ett kraftfullt högupplöst spektrograf som kommer att användas för att upptäcka livssignaturer från jordliknande exoplaneter, söka efter de äldsta stjärnorna i universum, testa möjliga variationer av fysikens grundläggande konstanter och den direkta upptäckten av accelerationen i universums expansion.
• MOSAIC: Detta Multi‑Object Spectrograph kan studera upp till 100 mål samtidigt, och kommer att användas för att spåra galaxernas tillväxt och materiens fördelning från Big Bang till idag. Det kommer också att erbjuda synergier med kommande fler‑våglängdsanläggningar (inklusive Euclid, Rubin, Roman, SKAO).

Vad ELT betyder för astronomi

ELT kommer att bli världens största teleskop, och kan förbli så i minst ett decennium, eftersom konkurrerande projekt försenas.

Detta kommer att göra det till ett av de viktigaste astronomiska instrumenten, och sannolikt källan till insikter om steniga exoplaneter, vad som saknas i våra kosmologiska modeller, samt en mycket djupare förståelse av vårt eget solsystem, såsom de fortfarande gåtfulla (men geologiskt aktiva) månarna runt Saturnus och Jupiter.

Detta är också en anmärkningsvärd teknisk prestation, som driver gränserna för vad som är tekniskt möjligt och demonstrerar det vetenskapliga värdet av ultranoggranna tillverkningsmetoder, specialglas och mätinstrument på nanometerskala.

Alla dessa är lika viktiga för utvecklingen av överlägsna fotoniska och kvantdatorer, lasrar, 3D‑skrivare med mera.

Investering i avancerad optik

Corning Incorporated

När teleskop driver gränserna för precisionsproduktion i avancerat glas öppnas också många industriella möjligheter i sektorer så olika som fordonsindustri, halvledare, AI, försvar, bioteknik och sjukvård. Den avancerade optikmarknaden är en $310  miljarder marknad, förväntas växa med 9,2 % CAGR till 2032.

Corning är ett glas‑ och optikföretag som har funnits i 170 år. Under sin historia har de producerat de första glödlamporna för Thomas Edisons elektriska ljus, den första lågförlustoptiska fibern, de cellulära substraten som möjliggör katalysatorer, och det första skadoresistenta skyddsglaset för mobila enheter.

Källa: Corning

Idag fokuserar företaget på kärnteknologier relaterade till tillverkning av glas och keramik, samt optisk fysikteknik, som delar gemensamma tillverkningsprocesser och slutmarknader.

Källa: Corning

Denna sammankoppling av teknologier möjliggör för företaget att dela gemensamma tillverknings-, forsknings‑ och ingenjörskapaciteter mellan sina olika produktlinjer. Med över 52 000 anställda, mer än 77 tillverkningsanläggningar världen över och över 10 FoU‑anläggningar är företaget en stor aktör inom sin nisch.

Källa: Corning

Företaget drar nytta av boomen inom AI och byggande av datacenter (optiska fibrer), samt den totala konsumtionen av specialglas i skärmar och bioteknik.

Corning bör inte påverkas mycket av tullar, eftersom 90 % av de amerikanska intäkterna kommer från produkter med amerikanskt ursprung. Mycket lite av försäljningen i Kina har sitt ursprung i amerikanska anläggningar, med 80 % av den kinesiska försäljningen som sker i Kina.

Tullar kan till och med hjälpa, eftersom Corning går in på solpanelmarknaden, med strategisk kontroll av Hemlock Solar, för att producera paneler tillverkade i USA, då asiatiska solpaneler (inte bara kinesiska) utsätts för fyrsiffriga tullar. 80 % av kapaciteten har redan säkrats genom kundåtaganden.

Solenergi är mycket logiskt för företaget, med kisel som en kärnkompetens i tillverkning, de har producerat polysilikon i 60 år, inklusive ultrarent kisel (99,9999999999 % rent) och lanserar nu produktion av kiselplattor, en produkt som importeras till 100 % i USA.

Källa: Corning

Företaget tittar även på andra avancerade teknologier där deras expertis inom glas och keramik kan ge en stark fördel, inklusive böjbart glas, AR, koldioxidavskiljning med mera.

Källa: Corning

Sammanfattningsvis är Corning ett mycket tekniskt företag med lokaliserad tillverkning som inte bör påverkas av deglobalisering. Det omfamnar också nya marknader som matchar dess kärnkompetenser, särskilt solenergi och optisk kommunikation / AI‑infrastruktur. Detta gör det både till ett relativt konservativt företag, som bara gräver djupare i sin nisch, men också en potentiell tillväxtaktie på högteknologiska marknader.

Senaste nyheter och utvecklingar för Corning Incorporated (GLW) aktie