Așa cum spunea Sagan, ne aflăm la țărmul oceanului cosmic. „Pe acest țărm am învățat tot ceea ce știm. De curând, am intrat puțin în apa lui, care ne-a ajuns până aproape de gleznă, iar apa aceasta ne atrage. O parte din ființa noastră știe că de aici am venit. Tânjim să ne ne reîntoarcem, deoarece Cosmosul este în noi. Suntem pulbere de stele. Noi suntem calea prin care Cosmosul se cunoaște pe sine.” Vrem să înțelegem cât mai bine Cosmosul și pentru asta avem nevoie de instrumente cât mai perfecționate pentru a îl studia în detaliu. Despre unul dintre acestea vreau să vă povestesc acum.
În momentul în care Galilei și-a înderptat luneta către cerul nopții astronomia a intrat într-o nouă eră. Aduse mai aproape, o parte dintre corpurile cerești au început să își dezvăluie tainele. Universul antic, cel al sferelor cerești, s-a spart, un alt Univers, mult mai complicat și mai frumos, luând-i locul. După deschiderea drumului de către Galilei astronomia a evoluat foarte rapid. Instrumente din ce în ce mai performante ne-au ajutat să pătrundem din ce în ce mai adânc în tainele Universului. Observăm Universul nu numai în zona vizbilă a spectrului electromagnetic, dar și în infraroșu, ultraviolet, unde radio și așa mai departe. Pentru a obține rezultate din ce în ce mai bune, am trimis în spațiu o parte dintre instrumentele noastre.
Cu toate acestea, Cosmosul își păstrează multe dintre tainele sale, iar astronomii se luptă să le deslușească. Pentru aceasta ei au nevoie de instrumente mult mai puternice decât cele ale prezentului. Unul dintre ele se află în construcție pe vârful muntelui Cerro Armazones, din Deșertul Atacama, Chile, la o altitudine de 3.060 m. Va fi un telescop gigant, cel mai mare din lume, cu oglinda principală având un diametru de 39,3 m. Despre el vreau să vă povestesc acum.
Câteva considerații
În principiu lucrurile par a fi simple. Pentru a pătrunde mai adânc în Univers avem nevoie de telescoape cât mai puternice. Un telescop este cu atât mai puternic cu cât poate colecta mai multă lumină. Asta înseamnă că avem nevoie de o oglindă principală (cea care care adună lumina venită de la stele) cât mai mare cu putință. Așa cum vă spuneam, pare a fi ceva simplu. Numai că… deși considerentele de mai devreme pot fi dezvoltate în detaliu la nivel teoretic, atunci când ne confruntăm cu transpunerea lor în practică, apar probleme care, până nu cu multă vreme în urmă, păreau de nedepășit.
Prima dintre aceste probleme este legată de însăși oglinda principală. Vreme de secole aceasta a fost realizată dintr-o singură bucată de material optic. Ne-am putea gândi că putem merge pe calea asta și în prezent, când dorim să realizăm oglinzi din ce în ce mai mari. Dar, dincolo de diametre de 10 m, problemele inginerești devin practic insurmontabile. Cu cât diametrul oglinzii este mai mare, cu atât ea trebuie să fie mai groasă, pentru a nu se deforma sub propria greutate. Din acest motiv apar probleme tehnologice legate de realizarea oglinzii la care se adaugă cele legate de suportul și mecanismele de orientare a unei oglinzi principale extrem de masive. Chiar dacă putem imagina soluții, ele sunt extrem de costisitoare. Din aceste motive, în prezent, telescoapele cu oglinzi monobloc nu depășesc diametrul de 8,4 m.
Soluția problemei a venit în anii 1980, atunci când astrofizicianul Jerry Nelson, a propus o idee revoluționară: realizarea oglinzii principale din mai multe oglinzi separate. Veți vedea mai încolo despre ce este vorba.
A doua problemă este legată de turbulența atmosferică. Chiar dacă avem o oglindă foarte mare, care are o rezoluție foarte bună, nu putem profita de ea deoarece diferitele variații din atmosfera terestră fac ca imaginile să devină neclare. Din acest motiv rezoluția telescoapelor nu depășește o secundă de arc. Altfel spus, dacă avem de-a face cu un sistem stelar binar, în care cele două stele se află la o distanță aparentă mai mică de o secundă de arc, noi vom vedea o singură stea, oricât de mare ar fi diametrul oglinzii telescopului nostru. Această problemă are mai multe soluții. Prima este cea mai evidentă și se aplică deja: mutăm telescoapele în afara atmosferei, pe orbita terestră.
De exemplu, telescopul spațial Hubble, cu a sa oglindă de numai 2,4 m în diametru, are o rezoluție de 0,05 secunde de arc, de 20 de ori mai mare decât a oricărui telescop terestru clasic. Deși extrem de performante, telescoapele spațiale sunt extrem de costisitoare și dificil de operat. Avem nevoie în continuare de telescoape terestre. De aici a venit imboldul pentru conceperea unei a doua metode pentru evitarea turbulenței atmosferice. Aceasta poartă numele de optică adaptativă, despre care voi vorbi ceva mai încolo.
O foarte scurtă istorie
Începând cu anul 1998 ESO (European Southern Observatory) a lansat ca temă de studiu conceperea unui telescop gigant, care ar fi trebuit să aibă o oglindă principală cu diametrul de 100 m. (Ați citit bine: 100 m!) Acesta avea și un nume pe măsură: Overwhelmingly Large Telescope (telescopul covârșitor de mare). După realizarea unor studii preliminare, în decembrie 2004, conducerea ESA decide aprofundarea lor, cerându-se și opiniile celor care ar fi trebuit să se implice direct în realizarea telescopului.
În octombrie 2005, comisia de experți prezintă un raport în care se arată că există riscuri tehnologice legate de realizarea unui telescop atât de mare. În plus, chiar dacă problemele ar fi depășite, costul total al proiectului s-ar ridica la circa 1,2 miliarde de euro, ceea ce ar fi depășit capacitatea de finanțare a ESO. În concluzia raportului s-a propus realizarea unui telescop mai puțin ambițios, unul care să fie echipat cu o oglindă cuprinsă între 30 și 60 m.
Nu vreau să o mai lungesc acum, așa că voi ajunge rapid în ziua de 11 decembrie 2006, moment în care ESO a anunțat demararea proiectului E-ELT (European Extremely Large Telescope). În aceași zi au fost alocate 57 de milioane de euro, pentru realizarea proiectului detaliat al telescopului, care va avea o oglindă principală cu diametrul de 39,3 m. Lucrările au demarat pe 19 iunie 2014, cu o primă dinamitare a vârfului muntelui Cerro Amazones, care a ”eliberat” circa 5.000 de metri cubi de piatră. Pentru vă da seama de amploarea lucrărilor premergătoare construcției telescopului propriuzis, că spun că vârful muntelui va fi retezat, cu scopul de a realiza o platformă de 150 x 100 m. În total au fost escavate circa 220.000 de metri cubi de rocă…
Telescopul E-ELT
Așa cum vă spuneam, dat fiind gigantismul ei, oglinda principală a E-ELT nu este una monobloc, ci realizată din segmente. Practic, avem de-a face cu 798 de segmente de formă hexagonală, cu dimensiunea de 1,4 m și grosimea de 50 mm, care sunt fixate prin intermediul unor actuatoare, pe un suportul oglinzii primare. Fiecare dint aceste segmente este orientat cu ajutorul actuatoarelor, astfel încât să poată fi reconstruită cu precizie uriașa oglindă de 39,3 de m. Lucrurile nu sunt chiar atât de simple cum ar părea la prima vedere. Imaginați-vă doar asta: suprafața finală a oglinzii nu trebuie să aibă abateri mai mari de 5 nanometri!
Mai țineți seama de faptul că forma oglinzii trebuie să rămână nemodificată chiar în condiții de vânt și variații de temperatură. Pentru a obține rezultatele dorite un puternic sistem de calcul preia informațiile obținute de la circa 6.000 de senzori, care transmit informații de mare precizie asupra formei oglinzii, după care comandă circa 3.000 de actuatoare pentru poziționarea corectă a fiecărui segment în parte. Toate ajustările neceseare se fac în timp real. Pe scurt, telescopul E-ELT se va baza din plin pe optica activă pentru a obține forma corectă a imensei sale oglinzi principale.
Vă spuneam mai devreme că telescopul E-ELT va folosi optica adaptativă pentru a contracarea limitările impuse de turbulența atmosferică. Pentru a încerca să vă explic cât mai simplu cu putință acest sistem, sunt nevoit să vă prezint cât mai simplu optica acestui telescop.
Lumina colectată de către oglinda principală este trimisă către oglinda secundară. Aceasta este o oglindă convexă, are un diametru de 4,2 m și câtărește 12 tone. De aici lumina este trimisă către oglinda terțiară. Aceasta are o formă concavă și un diametru de 3,8 m. Lumina primită de către oglinda terțiară este trimisă către oglinda cuaternară, inima sistemului de optică adaptativă, despre pe care îl voi prezenta, cât mai simplu cu putință, în paragraful următor.
Oglinda cuaternară este plană, de formă eliptică, cu diametrul mediu de 2,4 m. Suprafața ei poate fi deformată continuu, cu o frecvență foarte mare, cu ajutorul a circa 8.000 de actuatoare. Deformarea suprafeței nu se face oricum, ci astfel încât să atenueze efectele turbulenței atmosferice. Pentru aceasta un puternic fascicul laser este trimis către cer, ceea ce duce la excitare atomilor de sodiu din atmosfera înaltă, la altitudini de circa 90 km.
Atomii de sodiu iluminați de către laser vor deveni fluorescenți, ceea ce se va concretiza prin apariția unei ”stele artificiale”. Lumina aceasta este analizată cu ajutorul unui detector, informațiile obținute sunt apoi analizate de un calculator care trimite comenzi celor 8.000 de actuatoare. Acestea vor modifica în permanță forma suprafața oglinzii cuaternare, astfel încât să fie diminuate în bună măsură efectele turbulenței atmosferice. Astfel, E-ELT va avea o rezoluție de 16 ori mai mare decât cea a telescopului spațial Hubble.
De la oglinda cuaternară lumina ajunge la o a cincea oglindă, tot de formă elipitică, care prin mișcările sale ar rolul de stabiliza optic imaginea finală. După ce a trecut și de a cincea oglindă lumina colectată este trimisă către instrumentele de analiză.
Da, aveți dreptate. Suntem în fața unui sistem optic de o complexitate extremă, o adevărată provocare inginerească. Acum mai adăugați o informație: structura mecanică a sistemului optic cântărește aproximativ 2.800 t! Dacă nu v-a copleșit această informație, gândiți-vă că acest ansamblu trebuie orientat în permanență, cu o precizie extremă, către ținta astronomică aleasă.
Obiectivele științifice
Un asemenea telescop, care este capabil să ”vadă” Universul atât în domeniul vizibil, cât și în domeniul infraroșu, al spectrului electromagnetic, cu performanțe nemaiatinse până acum, nu poate avea decât obiective științfice extrem de ambițioase. Dați-mi voie să vă prezint câteva dintre ele.
Planete extrasolare. Vă povesteam într-un alt articol despre sistemul planetar al stelei Trappist -1și despre întrebările care își așteaptă răspunsul. E-ELT va putea răspunde la unele dintre ele. De exemplu, va putea să identifice și să analizeze atmosferele planetare, ceea ce ne-ar putea oferi indicii reale despre posibilitatea existenței vieții pe acele planete. Dar obiectivele privitoare la exoplanete sunt mult mai largi.
E-ELT va fi capabil să descopere planete de dimensiuni apropiate de cea a Pământului, prin măsurarea spectroscopică a mișcării stelei în jurul centrului de greutate a sistemului. Tot el ar putea să ne ofere primele imagini ale planetelor extrasolare care au dimensiuni mai mari decât cele ale planetei Neptun. Vor mai putea fi studiate și discurile protoplanetare, ceea ce ne-ar ajuta să înțelegem mai bine felul în care evoluează formarea planetelor.
Studierea evoluțiilor populațiilor stelare. E-ELT ne oferă posibilitatea de a studia formarea și evoluția unor eșantioane reprezentative de galaxii din Universul apropiat. Pentru aceasta vor fi studiate populațiile stelare. Pe scurt, în funcție de compoziția lor, stelele pot fi încadrate în trei categorii distincte, numite populații stelare.
Stelele din populația III, sunt de fapt primele stele apărute în Univers. Ele se caracterizează prin absența metalelor, mai bine zis: a elementelor chimice dincolo de hidrogen și heliu. Stelele din populația II sunt cu conținut scăzut de metale, care ar reprezenta a doua generație de stele din Univers. Stelele din populația I sunt stele relativ tinere, bogate în metale. Soarele nostru face parte din această populație de stele.
Dată fiind rezoluția extraordinar de mare a telescopului E-ELT, vor putea fi analizate stele individuale, care se află la distanțe inaccesibile instrumentelor actuale. Rezultatele care se vor obține ne vor ajuta să înțelegem mult mai bine evoluția în timp a galaxiilor.
Studierea galaxiilor îndepărtate. Acesta este, probabil, unul dintre cele mai importante obiective științifice al E-ELT. Cu ajutorul lui vor putea fi studiate primele galaxii apărute în Univers, la numai câteva sute de milioane de ani după Big Bang. Pentru cele mai performante instrumente din prezent, ele apar ca niște mici pete neclare, din care nu se pot extrage prea multe informații. Analiza spectrală a acestor galaxii, cu ajutorul E-ELT, ne va furniza informații prețioase asupra conținutului de elemente chimice dincolo de hidrogen heliu și litiu, despre ritmul formării stelelor în acea perioadă de început a Universului.
Tot E-ELT va putea observa formarea găurilor negre supermasive din centrul galaxiilor primordiale. Aceste măsurători vor duce în cele din urmă la trecerea de la modelele mai degrabă descriptive din prezent, la cele cu adevărat fizice în ceea ce privește primele etape de evoluție a galaxiilor din Univers.
Cosmologie și fizică fundamentală. Către sfârșitul secolului trecut astrofizicienii au făcut o descoperire majoră și neașteptată: expansiunea Universului este accelerată. Această accelerare este produsă de către misterioasa energie întunecată, despre care am discutat în repetate rânduri în paginile revistei. E-ELT ne va ajuta să elucidăm natura acestei energii, prin observarea și studierea unor supernove de tip Ia extrem de îndepărtate. (Vă reamintesc că acest tip de supernove sunt adevărate jaloane pentru distanțele din Univers.) De asemenea, E-ELT va fi folosit pentru a se verifica existența unor variații în timp a constantelor fizice fundamentale. Identificarea acestor variații va avea consecințe profunde pentru teoria unificată a interacțiilor fundamentale, pentru existența dimensiunilor suplimentare ale spațiului și/sau timpului etc.
Încheiere
E-ELT va fi finalizat în anul 2024. În momentul în care va deveni operaţional vom asista la o adevărată revoluţie în astronomie şi astrofizică, echivalentă cu cea produsă de mica lunetă a lui Galileo Galilei. Ochiul acesta gigant, cu care vom explora Universul, ne va ajuta să nțelegem mai bine de unde venim și către ce ne îndreptăm.
Așa cum spunea Carl Sagan: ”În ultimele câteva milenii am făcut cele mai uimitoare şi neaşteptate descoperiri despre Cosmos şi locul nostru în el […]. Ele ne reamintesc că oamenii au evoluat spre a întreba şi cerceta, că înţelegerea este o bucurie, iar cunoaşterea este o necesitate esenţială pentru supravieţuire. Cred că viitorul nostru depinde de cât de bine cunoaştem acest Cosmos, în care plutim ca un fir de praf în aerul dimineţii.”
