Зачем телескопу ELT пять зеркал: как устроена оптика 39-метрового гиганта

В научно-популярных публикациях о строящемся в Чили Чрезвычайно большом телескопе (ELT) чаще всего приводят впечатляющие цифры: апертура диаметром 39 метров, 798 шестиугольных сегментов главного зеркала и вращающаяся конструкция, сопоставимая по размерам и массе с крупным эсминцем. Но инженеру, как и любому любознательному читателю, интереснее заглянуть внутрь проекта: как заставить столь грандиозное сооружение работать как единый оптический прибор? И зачем понадобилась сложная схема из пяти зеркал (M1–M5), если каждое дополнительное отражение отнимает часть света, повышает требования к механике и увеличивает стоимость телескопа?

Зачем телескопу пять зеркал вместо двух

Большинство крупных телескопов последних десятилетий — от космического «Хаббла» до наземных восьмиметровых телескопов VLT — используют классическую двухзеркальную схему Ричи — Кретьена. В ней главное вогнутое зеркало M1 имеет форму гиперболоида с конической константой, близкой к −1. Оно собирает свет и направляет его на вторичное выпуклое гиперболическое зеркало M2 с другой конической константой. Отразившись от M2, пучок проходит через центральное отверстие главного зеркала и попадает на приемник излучения. Казалось бы, всего два отражения, небольшие потери света и сравнительно простая механика. Однако для получения широкого плоского поля зрения без астигматизма и кривизны поля перед камерами таких телескопов устанавливают блоки стеклянных линз-корректоров. И здесь возникают серьезные ограничения прочности материалов. Для 39-метрового ELT диаметр подобного корректора должен был бы составлять около четырех метров. Изготовить оптическое стекло таких размеров без пузырьков, а затем закрепить многотонную линзу за края так, чтобы она не прогибалась под собственным весом, — почти фантастическая задача.

Инженеры ESO нашли изящный выход: вместо гигантской стеклянной линзы они предусмотрели большое вогнутое третье зеркало M3. В отличие от линзы, зеркало можно поддерживать с нерабочей, тыльной стороны множеством механических опор, поэтому даже десятиметровый размер не обязательно станет непреодолимым препятствием. Так трехзеркальная схема — анастигмат Корша — помогла решить сложную задачу проектирования.

Почему ELT называют трехзеркальной системой, хотя зеркал в нем пять?

Заменив многотонный линзовый корректор третьим вогнутым зеркалом, инженеры ESO обратились к одному из распространенных решений современной астрооптики — трехзеркальному анастигмату (TMA). Его математическую основу в 1972 году разработал американский физик Дитрих Корш. Он показал, как тремя зеркалами одновременно исправить четыре основных оптических дефекта: сферическую аберрацию, кому, астигматизм и кривизну поля.

Возникает закономерный вопрос: если три зеркала по схеме Корша исправляют геометрические искажения, зачем ELT еще два — M4 и M5? Дело в том, что зеркала делятся на силовые, имеющие изогнутую поверхность, и вспомогательные, плоские. Изображение в ELT формируют первые три зеркала — M1, M2 и M3. Их сложный профиль обеспечивает оптическую силу, позволяющую собирать или рассеивать световой пучок. M4 и M5 в базовой геометрической схеме плоские. На Луне, где нет атмосферы и ветра, они действовали бы подобно перископу: не меняли бы увеличение и геометрию изображения, а только направляли бы пучок в сторону. На Земле же эти зеркала становятся важнейшей частью динамической системы компенсации атмосферных искажений.

Отличия ELT от классической схемы Корша

Классическую трехзеркальную схему Корша сегодня применяют преимущественно в космических обсерваториях, таких как «Джеймс Уэбб» и «Евклид». В космосе три изогнутых зеркала формируют плоское изображение и направляют свет непосредственно на матрицу камеры.

Разработчикам наземного ELT пришлось существенно изменить эту компоновку, учитывая земную гравитацию и турбулентность атмосферы:

1. Свет проходит внутри ELT сложный путь. Сначала 39-метровое сегментированное главное зеркало M1 отражает его на выпуклое зеркало M2 диаметром 4,25 метра, подвешенное под куполом. Затем сужающийся пучок возвращается вниз, проходит через центральные отверстия в узлах M4 и M5 и попадает на четырехметровое вогнутое зеркало M3, расположенное в центральной шахте главного зеркала.

2. В ELT зеркало M3 не только выравнивает поле зрения, как в стандартной схеме Корша. Отражая свет вверх, оно также проецирует изображение 39-метрового главного зеркала M1 на поверхность плоского зеркала M4 — иными словами, переносит туда плоскость зрачка. Это важное условие работы адаптивной оптики: такое расположение позволяет M4 корректировать атмосферные флуктуации по всему изображению.

3. После отражения от деформируемого адаптивного зеркала M4 диаметром 2,4 метра пучок, очищенный от атмосферных искажений, направляется немного вниз к плоскому зеркалу M5 размером 2,7 × 2,2 метра. Установленное под углом M5 подавляет остаточные колебания, вызванные ветром, и поворачивает луч под прямым углом к большим площадкам фокусов Несмита. Разместить научные приборы под главным зеркалом, как в обычных телескопах, здесь невозможно: современные камеры и спектрографы размером с двухэтажный дом и массой в десятки тонн нуждаются в неподвижной установке на массивных боковых платформах.

Сравнение трех поколений оптических систем

Чтобы проследить развитие инженерных решений, сопоставим классическую двухзеркальную схему, космический анастигмат Корша и гибридную конструкцию ELT:

Пятизеркальная схема ELT — результат тщательно продуманного компромисса. В оптический тракт классического трехзеркального объектива M1–M2–M3 включена пара зеркал M4–M5, которая стабилизирует волновой фронт и направляет свет к приборам. За это решение приходится платить потерями света при двух дополнительных отражениях. Зато оно позволяет обойтись без практически неосуществимых четырехметровых линз и громоздких внешних блоков адаптивной оптики. О фактическом качестве изображения судить пока рано: обсерватория еще строится.

Источники

1. Михельсон Н. Н. Оптика астрономических телескопов и методы ее расчета. — М.: Физматлит, 1995.

2. Korsch D. Closed Form Solution for Three‑Mirror Telescopes, Corrected for Spherical Aberration, Coma, Astigmatism, and Field Curvature // Applied Optics. — 1972. — Vol. 11, No. 12.

3. Terebizh V. Yu. Survey Telescope Optics. — Bellingham: SPIE Press, 2019.

4. Telescope | ELT | ESO

5. Cayrel M. E‑ELT Optomechanics: Overview // Proc. SPIE 8444, Ground‑based and Airborne Telescopes IV. — 2012. (Прямая ссылка: https://www.eso.org/sci/libraries/SPIE2012/8444-69.pdf)

Источник