Ένας γίγας γεννιέται

Το Ευρωπαϊκό Εξαιρετικά Μεγάλο Τηλεσκόπιο πρόκειται να κατασκευαστεί στη Χιλή και να λειτουργήσει το 2018. Με διάμετρο κατόπτρου 42 μέτρα θα είναι ένας Γολιάθ της αστρονομικής παρατήρησης, αφού σήμερα το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο έχει διάμετρο κατόπτρου 10,4 μέτρα!
Η προσπάθεια κατανόησης του Σύμπαντος οδηγεί στην
κατασκευή όλο και μεγαλύτερων τηλεσκοπίων για την παρατήρηση όλο και πιο αμυδρών και πιο απομακρυσμένων ουράνιων σωμάτων. Τελευταίο επίτευγμα είναι η πρόσφατη έγκριση κατασκευής του Ευρωπαϊκού Εξαιρετικά Μεγάλου Τηλεσκοπίου ( Εuropean Εxtremely Large Τelescope, Ε-ΕLΤ ), διαμέτρου 42 μέτρων, το οποίο από το 2018, οπότε αναμένεται να λειτουργήσει, θα είναι ικανό να παρατηρήσει τους πρώτους γαλαξίες που δημιουργήθηκαν μετά τη Μεγάλη Έκρηξη και να ανακαλύψει πλανήτες στο μέγεθος της Γης. Το υπερμεγέθες τηλεσκόπιο πρόκειται να κατασκευαστεί στο όρος Cerro Αrmazones της Χιλής, σε υψόμετρο 2.701 μέτρων.

Για πολλές χιλιάδες χρόνια οι επιστήμονες του παρελθόντος βασίζονταν στην παρατήρηση του ουρανού με γυμνό μάτι, όταν προσπαθούσαν να κατανοήσουν τη δομή του Σύμπαντος στο οποίο ζούμε. Ωστόσο, παρ΄ όλο που ένα ανέφελο βράδυ βλέπει κανείς τον νυχτερινό ουρανό γεμάτο από μυριάδες, φαινομενικά αναρίθμητα αστέρια, η αλήθεια είναι πως με γυμνό μάτι βλέπουμε μόλις πέντε πλανήτες του ηλιακού μας συστήματος, μερικές χιλιάδες γειτονικά αστέρια του Γαλαξία μας και δυο-τρεις άλλους γαλαξίες, που φαίνονται σαν θαμπές «μουντζούρες». Είναι φανερό ότι με τόσο λίγες πληροφορίες δεν είναι δυνατό να σχηματίσει κανείς μια ολοκληρωμένη εικόνα του Σύμπαντος. Για τον λόγο αυτόν οι απόψεις των επιστημόνων για το Σύμπαν, πριν από την Αναγέννηση, βασίζονταν περισσότερο στις θρησκευτικές και φιλοσοφικές αντιλήψεις τους παρά στην παρατήρηση του γύρω κόσμου. Όλα αυτά άλλαξαν με την εφεύρεση του τηλεσκοπίου και με τη χρήση του από τον Γαλιλαίο για την παρατήρηση των ουράνιων σωμάτων.

Από τον Γαλιλαίο στο Ε-ΕLΤ
Ο Γαλιλαίος ήξερε ήδη ότι η μεγεθυντική ικανότητα ενός τηλεσκοπίου εξαρτάται από την εστιακή απόσταση των δύο φακών του οργάνου, όντας ίση με το πηλίκο F / f της εστιακής απόστασης του αντικειμενικού φακού, F, δια της εστιακής απόστασης του προσοφθάλμιου, f. Η μεγέθυνση ενός τηλεσκοπίου μάς επιτρέπει να βλέπουμε «μεγαλύτερα» ή πλησιέστερα τα ουράνια αντικείμενα και έτσι να διακρίνουμε σε αυτά λεπτομέρειες που δεν είναι ορατές με γυμνό μάτι. Οι μεταγενέστεροι αστρονόμοι αντιλήφθηκαν ότι για να επιτευχθεί μεγάλη μεγέθυνση θα πρέπει το τηλεσκόπιο να συλλέγει όσο γίνεται περισσότερο φως από τα ουράνια αντικείμενα, πράγμα που εξαρτάται από το μέγεθος του αντικειμενικού φακού. Όσο μεγαλύτερη επιφάνεια έχει αυτός τόσο περισσότερο φως συλλέγει, το οποίο, στη συνέχεια, μας επιτρέπει να πετύχουμε και τη μέγιστη ωφέλιμη μεγέθυνση.

Η κατάσταση είναι ανάλογη με αυτή που εμφανίζεται κατά την προβολή μιας εικόνας σε οθόνη: όσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση του προβολέα από την οθόνη τόσο μεγαλύτερη είναι η εικόνα της προβολής, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι μπορούμε να απομακρύνουμε τον προβολέα κατά βούληση από την οθόνη, επειδή σε μεγάλες αποστάσεις η εικόνα φαίνεται πολύ μεγάλη αλλά είναι και πολύ αχνή. Έτσι η μέγιστη ωφέλιμη μεγέθυνση του προβολέα, δηλαδή αυτή που καταλήγει σε εικόνα με αποδεκτή λαμπρότητα, εξαρτάται από τη φωτεινότητα της λυχνίας προβολής. Κατά τον ίδιο τρόπο η μέγιστη ωφέλιμη μεγέθυνση ενός τηλεσκοπίου εξαρτάται από την ποσότητα του φωτός που αυτό συλλέγει, η οποία είναι ανάλογη της επιφάνειας του αντικειμενικού φακού. Από την εποχή που αυτό έγινε κατανοητό, άρχισε η προσπάθεια των αστρονόμων για την κατασκευή ολοένα και μεγαλύτερων αντικειμενικών φακών.

Όταν οι δυνατότητες κατασκευής μεγάλων φακών έφτασαν στο όριό τους, οι προσπάθειες συνεχίστηκαν για την κατασκευή ολοένα και μεγαλύτερων αντικειμενικών κατόπτρων. Στα τετρακόσια χρόνια που πέρασαν από την εποχή του Γαλιλαίου, το «ρεκόρ» της κατασκευής του μεγαλύτερου τηλεσκοπίου «καταρρίφθηκε» πάμπολλες φορές. Σήμερα το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο, με διάμετρο κατόπτρου 10,4 μέτρα, είναι το Gran Τelescopio Canarias στα Κανάρια Νησιά, που εγκαινιάστηκε το 2009. Σε λίγα όμως χρόνια το ρεκόρ θα το κατέχει το Ε-ΕLΤ, με την εντυπωσιακή διάμετρο των 42 μέτρων και συλλεκτική επιφάνεια σχεδόν ενάμισι στρέμμα, 7 εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτή του πρώτου τηλεσκοπίου που είχε κατασκευάσει ο Γαλιλαίος.

Γιατί δεν αρκούν τα διαστημικά τηλεσκόπια
Πέρα από τη μεγάλη συλλεκτική επιφάνεια, που επιτρέπει την παρατήρηση αμυδρών αντικειμένων, ένα άλλο σημαντικό στοιχείο ενός τηλεσκοπίου είναι η ικανότητά του να διακρίνει όσο το δυνατόν μικρότερες λεπτομέρειες. Αυτή η ικανότητα εξαρτάται κατά κύριο λόγο από την «ηρεμία» της ατμόσφαιρας στην περιοχή του αστεροσκοπείου, αφού η παρουσία ανοδικών και καθοδικών ρευμάτων προκαλεί διαταραχή των ειδώλων ανάλογη με αυτήν που παρατηρούμε το καλοκαίρι πάνω από τη ζεστή άσφαλτο. Μια λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι να «ανεβάσει» κανείς το τηλεσκόπιο πάνω από την ατμόσφαιρα, να το τοποθετήσει δηλαδή σε έναν δορυφόρο.

Η λύση αυτή, που επελέγη για το διαστημικό τηλεσκόπιο Ηubble και τον διάδοχό του James Webb, έχει το μειονέκτημα ότι δεν επιτρέπει τη χρήση κατόπτρων μεγάλης διαμέτρου, επειδή δεν είναι δυνατόν αυτά να εκτοξευθούν σε τροχιά με τα υπάρχοντα διαστημικά οχήματα. Για τον λόγο αυτόν το τηλεσκόπιο Ηubble έχει διάμετρο «μόνο» 2,4 μέτρα και το James Webb 6,5. Η ανέγερση αστεροσκοπείων σε ψηλές βουνοκορφές περιορίζει το πρόβλημα της ατμοσφαιρικής διαταραχής των ειδώλων, αλλά δεν το εξαλείφει εντελώς.

Το λέιζερ που διορθώνει τη διαταραχή
[Σύγκριση του Ε-ΕLΤ με τις πυραμίδες της Γκίζας και με τα τέσσερα μεγάλα τηλεσκόπια VLΤ (Very Large Telescopes) του Ευρωπαϊκού Αστεροσκοπείου του Νότου, διαμέτρου 8,2 μέτρων το καθένα. Αριστερά διακρίνεται η υψομετρική κλίμακα, με τα VLΤ να έχουν ύψος 28,5 μέτρα και το Ε-ΕLΤ να φθάνει τα 100! ]
Σύγκριση του Ε-ΕLΤ με τις πυραμίδες της Γκίζας και με τα τέσσερα μεγάλα τηλεσκόπια VLΤ (Very Large Telescopes) του Ευρωπαϊκού Αστεροσκοπείου του Νότου, διαμέτρου 8,2 μέτρων το καθένα. Αριστερά διακρίνεται η υψομετρική κλίμακα, με τα VLΤ να έχουν ύψος 28,5 μέτρα και το Ε-ΕLΤ να φθάνει τα 100!
Τα τελευταία χρόνια εφαρμόζεται σε όλο και πιο πολλά τηλεσκόπια μια τεχνολογία που επιτρέπει τη «διόρθωση» των διαταραχών, με την κατάλληλη παραμόρφωση του κατόπτρου του τηλεσκοπίου. Με τη μέθοδο αυτή ένα λέιζερ εκπέμπει μια έγχρωμη ακτίνα παράλληλα με τη διεύθυνση παρατήρησης του τηλεσκοπίου. Οι διαταραχές της διαδρομής της ακτίνας καταγράφονται και, μέσω ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή, δίνονται εντολές σε μικρά έμβολα, προσαρμοσμένα στην πίσω πλευρά του κατόπτρου του τηλεσκοπίου, με σκοπό να μεταβληθεί το σχήμα του τελευταίου. Αν η διάταξη λειτουργεί σωστά, τότε οι αλλαγές στο σχήμα του κατόπτρου αναιρούν τις διαταραχές των ειδώλων που οφείλονται στις διαταραχές της ατμόσφαιρας, με αποτέλεσμα η τελική ποιότητα του ειδώλου να είναι συγκρίσιμη με αυτήν που θα πετύχαινε ένα τηλεσκόπιο τοποθετημένο στο Διάστημα. Αυτή η τεχνολογία θα είναι ενσωματωμένη στο τηλεσκόπιο Ε-ΕLΤ, επιτρέποντας την παρατήρηση εξαιρετικά αμυδρών αντικειμένων, όπως είναι οι απομακρυσμένοι γαλαξίες και οι πλανήτες άλλων πλανητικών συστημάτων, με απαράμιλλη λεπτομέρεια. Η διακριτική ικανότητα του νέου τηλεσκοπίου θα φθάνει το 1 χιλιοστό του δεύτερου λεπτού τόξου. Με άλλα λόγια, οι αστρονόμοι θα έχουν τη δυνατότητα να διακρίνουν με αυτό το τηλεσκόπιο μία τρίχα σε απόσταση 10 χιλιομέτρων!

Τα εξάγωνα «σώζουν» την επένδυση
Είναι φανερό ότι η κατασκευή ενός κατόπτρου με διάμετρο 42 δεν είναι καθόλου απλή υπόθεση. Κα ταρχήν με τη σημερινή τεχνολογία δεν είναι δυνατόν να κατασκευαστεί ένα ενιαίο κάτοπτρο με διάμετρο μεγαλύτερη από 8 μέτρα. Πέρα όμως από τις δυσκολίες στην κατασκευή αυτή καθαυτή, υπάρχει και το θέμα του κόστους, που υπό κανονικές συνθήκες είναι απαγορευτικό, ακόμη και για ένα κονσόρτσιουμ 15 κρατών, όπως είναι το Ευρωπαϊκό Αστεροσκοπείο του Νότου. Τα δύο παραπάνω προβλήματα λύθηκαν ταυτόχρονα, με μια πολύ έξυπνη στρατηγική κατασκευής, η οποία περιόρισε το τελικό κόστος του αστεροσκοπείου στο «λογικό» ποσό των 950.000.000 ευρώ! Η οικονομία προέρχεται από το γεγονός ότι το κάτοπτρο των 42 μέτρων θα αποτελείται από 984 εξαγωνικά «στοιχειώδη» κάτοπτρα, με διάμετρο 1,45 μέτρα το καθένα, των οποίων το κόστος θα ελαχιστοποιηθεί λόγω των μεθόδων «μαζικής παραγωγής» που θα εφαρμοστούν στην κατασκευή τους.

Τηλεσκόπια - πρωταθλητές
[Η ακτίνα λέιζερ που χρησιμεύει στη διόρθωση της ατμοσφαιρικής παραμόρφωσης σε ένα από τα τηλεσκόπια Κeck ]
Η ακτίνα λέιζερ που χρησιμεύει στη διόρθωση της ατμοσφαιρικής παραμόρφωσης σε ένα από τα τηλεσκόπια Κeck
Το πρώτο τηλεσκόπιο που κατασκεύασε ο Γαλιλαίος, το 1609, είχε διάμετρο φακού μόλις 1,6 εκατοστά, σχετικά γρήγορα όμως εμφανίστηκαν τηλεσκόπια εντυπωσιακών διαστάσεων, κατασκευασμένα κυρίως για πλούσιους ερασιτέχνες αστρονόμους. Στα μέσα του 17ου αιώνα ο Γερμανός Johannes Ηevelius κατασκεύασε ένα διοπτρικό τηλεσκόπιο με διάμετρο αντικειμενικού φακού 12 εκατοστά και εστιακή απόσταση 45 μέτρα, με σκοπό να πετύχει τη μεγαλύτερη ως τότε μεγέθυνση. Στα τέλη του 18ου αιώνα ο Αγγλος William Ηesrchel είχε στη διάθεσή του ένα κατοπτρικό τηλεσκόπιο διαμέτρου 1,22 μέτρων και στα μέσα του 19ου αιώνα ο Λόρδος Rosse κατασκεύασε στην Ιρλανδία ένα κατοπτρικό τηλεσκόπιο 1,83 μέτρων, που είχε ονομαστεί Λεβιάθαν λόγω των εντυπωσιακών διαστάσεών του.

Ένα από τα σημαντικότερα τηλεσκόπια που κατασκευάστηκαν ποτέ ήταν το μεγαλύτερο διοπτρικό τηλεσκόπιο όλων των εποχών, δηλαδή το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο με αντικειμενικό φακό και όχι κάτοπτρο . Βρίσκεται ακόμη εγκαταστημένο στο αστεροσκοπείο Υerkes, κοντά στο Σικάγο, και ο αντικειμενικός φακός του έχει διάμετρο ένα μέτρο. Κατασκευάστηκε το 1895 και αποτέλεσε αφορμή για να κατανοήσουν οι αστρονόμοι ότι το μέλλον ήταν όχι στα διοπτρικά αλλά στα κατοπτρικά τηλεσκόπια, δηλαδή στα τηλεσκόπια που έχουν αντικειμενικό κάτοπτρο και όχι φακό. Ο λόγος είναι διπλός: είναι πολύ δύσκολο να κατασκευαστεί ένα μεγάλο κομμάτι γυαλί εντελώς ομογενές και χωρίς ελαττώματα, όπως π.χ. φυσαλίδες ή ρωγμές, και είναι ακόμη δυσκολότερο να στηρίξει κανείς ένα τόσο βαρύ και εύθραυστο αντικείμενο σε ένα περιφερειακό στεφάνι, χωρίς να το σπάσει. Από τότε όλα τα μεγάλα τηλεσκόπια κατασκευάζονται με αντικειμενικά κάτοπτρα και όχι φακούς.

Μετά το τηλεσκόπιο του Υerkes, σημαντικό υπήρξε το τηλεσκόπιο Ηooker του όρους Wilson στην Καλιφόρνια, με κάτοπτρο διαμέτρου 2,5 μέτρων. Αυτό είναι ένα από τα σημαντικότερα τηλεσκόπια, επειδή με τη βοήθειά του ο αμερικανός αστρονόμος Εdwin Ηubble μέτρησε τις αποστάσεις των απομακρυσμένων γαλαξιών και ανακάλυψε τη διαστολή του Σύμπαντος. Το ρεκόρ πήγε στη συνέχεια στο αστεροσκοπείο του όρους Ρalomar της Καλιφόρνιας, με την κατασκευή του τηλεσκοπίου Ηale των 5 μέτρων, κατά τη διάρκεια του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου. Από εκείνη την εποχή τα κάτοπτρα των μεγάλων τηλεσκοπίων είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο, το ίδιο υλικό με αυτό που είναι φτιαγμένα τα μαγειρικά σκεύη pyrex. Πέρασαν 50 περίπου χρόνια για να ξεπεραστεί το ρεκόρ του τηλεσκοπίου του όρους Ρalomar, αφού το ρωσικό τηλεσκόπιο των 6 μέτρων, που τοποθετήθηκε τη δεκαετία του 1960 στον Καύκασο, δεν μπόρεσε ποτέ να λειτουργήσει αποτελεσματικά λόγω κατασκευαστικών σφαλμάτων. Από το 1992 ως πρόσφατα κάτοχος του ρεκόρ ήταν τα δίδυμα τηλεσκόπια Κeck στο όρος Μauna Κea της Χαβάης, με κάτοπτρα διαμέτρου 10 μέτρων. Εκτοτε έχουν κατασκευαστεί και άλλα μεγαλύτερα τηλεσκόπια με ενιαία ή σύνθετα κάτοπτρα, η διάμετρος όλων όμως είναι της τάξης των 10 μέτρων. Αυτή την κατάσταση έρχεται να ανατρέψει η κατασκευή του τηλεσκοπίου Ε-ΕLΤ με την ασύλληπτη, ως πριν από λίγα χρόνια, διάμετρο των 42 μέτρων.

Ο Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.

tovima.gr