✅Астрономические исследования ускорятся с помощью армии крошечных роботов

 

Телескоп Sloan Digital Sky

Телескопы, оснащенные сотнями оптических волокон, рассекают свет звезд и галактик.

Это была одна из самых странных и монотонных работ в астрономии: подключение оптических волокон к сотням отверстий в алюминиевых пластинах. Каждый день техники Sloan Digital Sky Survey (SDSS) готовили до 10 пластин, которые будут размещены в ту ночь в фокусе телескопов обзора в Чили и Нью-Мексико. Отверстия соответствовали точному положению звезд, галактик или других

ярких объектов в поле зрения телескопов. Свет от каждого объекта падал непосредственно на волокно и направлялся на спектрограф, который разделял свет на составляющие длины волн, раскрывая ключевые детали, такие как то, из чего сделан объект и как он движется.

Теперь, спустя 20 лет, SDSS становится роботизированным. Для предстоящего пятого набора исследований проекта, известного как SDSS-V, заглушки заменяются 500 крошечными роботизированными руками, каждая из которых содержит наконечники волокон, которые патрулируют небольшую область фокальной плоскости телескопа. Они могут быть перенастроены для новой карты неба за 2 минуты. Другие исследования неба также принимают быстрых роботов. Они не только сэкономят ценное время наблюдения, но и позволят исследованиям идти в ногу с европейским спутником Gaia, предстоящим Vera C. Обсерватория Рубина в Чили и другие усилия, которые производят огромные каталоги объектов, требующих спектроскопического исследования. "Это обусловлено наукой об огромных обзорах изображений", - говорит астроном Ричард Эллис из Университетского колледжа Лондона.

COVID-19 задержал роботизированный макияж SDSS. Северный телескоп обзора в обсерватории Apache Point в Нью-Мексико начал принимать данные SDSS-V в октябре 2020 года с использованием штекерных пластин. Он стремится перейти на роботов к середине 2021 года. Южный прицел в обсерватории Лас-Кампанас в Чили последует позже в этом году. "Это бананы,-говорит директор SDSS-V Джуна Коллмайер из обсерваторий Карнеги, - но мы видим конец туннеля".

Роботы отмечают новую главу для SDSS. В течение 10 лет большая часть его времени уходила на изучение темной энергии, таинственной силы, которая ускоряет расширение Вселенной. SDSS разделил свет миллионов галактик, чтобы определить их расстояние через красное смещение—доплеровский сдвиг в их свете из-за расширения Вселенной, как вой удаляющейся сирены. Результаты исследования галактик, опубликованные в июле 2020 года, проследили расширение Вселенной на протяжении 80% ее истории с точностью 1%, подтверждая эффекты темной энергии, возможно, самую большую загадку в космологии. Для взлома потребуется заглянуть еще дальше во времени, чтобы увидеть более слабые галактики, что выходит за рамки возможностей 2,5-метровых телескопов обзора.

Вместо этого телескопы проведут три новых исследования. Milky Way Mapper будет собирать спектры от 6 миллионов звезд, исследуя их состав, чтобы выяснить, как долго они горят и выковывают тяжелые элементы. "Звезды-это все часы", - объясняет Кольмайер. С оценками возраста астрономы могут определить, когда сформировались части Млечного Пути. Тонкие сдвиги в составе могут также показать, возникла ли группа звезд в другой галактике или звездном скоплении, которое было включено в нашу—раскручивание истории Млечного Пути, называемое галактической археологией.

Во втором исследовании, Black Hole Mapper, оптические волокна будут собирать свет от ярких галактик, чтобы узнать о сверхмассивных черных дырах, которые они укрывают. Доплеровские сдвиги в спектрах светящихся газов, окружающих эти черные дыры, могут показать, как быстро они бросают этот материал вокруг—и, следовательно, насколько они тяжелы. Сдвиги в спектрах могут проследить, как они поглощают и выплевывают потоки этого газа. Отслеживая газы с течением времени, говорит Кольмайер, астрономы могут узнать, как черные дыры растут, по-видимому, совместно с их галактиками.

Третий обзор, Local Volume Mapper, соберет волокна вместе, как многопиксельный детектор, чтобы получить спектры из облаков межзвездного газа в близлежащих галактиках. "Мы наносим на карту всю галактику в мельчайших деталях за один раз", - говорит Коллмайер. Определяя движения и состав газовых облаков, команда SDSS надеется определить, почему некоторые коллапсируют в звезды, а другие нет.

Между тем, поиск темной энергии, инициированный SDSS, перейдет к спектроскопическому инструменту темной энергии, роботизированному спектрографу с 5000 волокнами на 4-метровом телескопе в Аризоне. Вскоре он начнет отслеживать расстояния до десятков миллионов галактик в удаленной вселенной.

 

Революция роботов

Чтобы ускорить способность разделять свет от тысяч звезд одновременно, sky surveys обращаются к оптическим волокнам, управляемым роботом.

ИНСТРУМЕНТ	Расположение	ДИАМЕТР ТЕЛЕСКОПА	НЕТ ВОЛОКОН	ПЕРВЫЙ СВЕТ
LAMOST	Китай	4,9 метра	4000	2008
ДЕЗИ	Аризона	4 метра	5000	2019
SDSS-V	Нью-Мексико и Чили	2,5 метра	1600	2021
WEAVE	Испания	4,2 метра	1000	2021
4MOST	Чили	4,1 метра	2400	2023
ЛУНЫ	Чили	8,2 метра	1000	2023
Спектрограф Prime Focus	Гавайи	8,2 метра	2400	2022

В ближайшие месяцы телескоп Уильяма Гершеля, 4,2-метровый телескоп на Канарских островах, присоединится к революции роботов, посылая свет на спектрограф с 1000 волокнами под названием WHT Enhanced Area Velocity Explorer (WEAVE). Вместо того, чтобы использовать роботов для удержания волокон на месте, WEAVE имеет два из них, работающих в автономном режиме, выбирая и помещая концы магнитного волокна на металлическую пластину—автоматизируя то, что делали пластинчатые заглушки SDSS. Одна из целей WEAVE-собрать доплеровские сдвиги от миллиардов звезд, которые Gaia нанесла на карту, прибивая их полные 3D-движения. Затем "Мы можем запустить часы назад и посмотреть, откуда они пришли", - говорит ученый проекта Скотт Трагер из Университета Гронингена. Это еще один способ сделать галактическую археологию.

В следующем году 4-метровый многообъектный спектроскопический телескоп Европейской Южной обсерватории (ESO) в Чили будет оснащен еще одной роботизированной технологией. Его волокна 2400 будут подаваться через управляемые "шипы", которые торчат в фокальной плоскости телескопа и могут двигаться, как стебли пшеницы на ветру. Как и WEAVE, он будет следить за источниками, идентифицированными европейскими космическими аппаратами, включая Gaia и Euclid, предстоящую миссию темной энергии.

Он и другие волоконные спектрографы также помогут в исследованиях быстро движущихся космических событий, таких как сверхновые или сильные столкновения, которые производят гравитационные волны. Обсерватория Рубина обнаружит многие из них. Ожидается, что с 2023 года он будет обнаруживать 10 миллионов быстро меняющихся объектов каждую ночь. Для тысяч, которые требуют тщательного изучения, "спектры действительно важны для понимания того, что такое источник", - говорит Эрик Беллм из Вашингтонского университета в Сиэтле, который является научным руководителем потока оповещения Рубина.

Даже некоторые из крупнейших в мире телескопов в 8-метровом диапазоне добавляют роботизированные спектрографы. Японский Subaru и очень большой телескоп ESO разрабатывают системы, которые будут пылесосить спектры от слабых отдаленных объектов. Эллис говорит, что волоконный спектрограф в сочетании с 8,2-метровым зеркалом Subaru сможет выбирать спектры отдельных звезд в галактике Андромеды, соседнем близнеце Млечного Пути. "С большим телескопом мы можем заняться галактической археологией в нашем ближайшем соседе", - говорит он.