***** 1 - САО РАН

Телескопы и приборы для оптической
космологии.
Дьяченко В.В.
САО РАН
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Основные направления исследований в
оптике
• Параметры Вселенной
• Крупномасштабная структура Вселенной
• Состав Вселенной:
 Темная энергия
 Темная материя
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Немного истории.
Темные времена … 1609 г.
•Земля – шар.
•Земля – не центр Вселенной.
От 1609 (телескоп) до ~ 1900 гг.
•Солнце – одна из множества звезд.
•Новые планеты и малые тела в Солнечной
системе.
От ~ 1900 до ~ 1950 гг.
•Галактика не одна.
•Морфология галактик.
•Закон Хаббла.
От ~ 1950 гг. – наше время…
До этого вся космология в оптике!
•Крупномасштабная структура Вселенной.
•Во Вселенной есть скрытая масса.
•Эволюция Вселенной. Вселенная расширяется
ускоренно. Почему-то.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Приемники излучения.
1609 - вторая половина XIX в.: глаз.
XIX - конец XX в.: фотопластинка.
30е гг. XX в. - конец XX в.: ФЭУ
Конец XX в. - наше время: ПЗС
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Большие телескопы начала XXI века
Общая
площадь к
настоящему
времени –
около 1000
кв.м.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Телескопы с «классическими сплошными
зеркалами».
•
•
•
•
•
•
•
Применение сплошных тонких или
облегченных активных зеркал
Использование адаптивных
вторичных зеркал
Использование лазерной техники
для достижения дифракционного
предела
Размеры (~8 м) близки к предельным
из-за технологических проблем
Типичные инструменты – VLT,
Subaru, Gemini N&S, Magellan
Стоимость инструментов ~ 100 M$
Вводятся в строй с конца 90-х
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Применение адаптивной оптики на Gemini North.
Шаровое скопление NGC6934 – без АО
(0.6”) (слева) и с ее использованием (0.09”)
(справа).
Телескопы с сегментированными зеркалами.
• Главное зеркало состоит
из сегментов с D=1-2 м
• Несущественны
ограничения по размеру
• Являются прообразом
ELT
• Практические проблемы
с согласованной
работой всех сегментов
• 10-м телескопы Keck I и
Keck II в работе с 1993
и 1996 гг.
• GTC на о. Ла-Пальма
• Цена ~ 100 M$
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Широкоугольные телескопы для обзоров.
• ESO – VST 2.5 m с 16k* 16k
мозаикой на 1 кв.гр.
Проблема с ГЗ, ввод в строй
в 2005 г.
• CFHT 3.6 m – MegaPrime /
MegaCam c 18k*20k
мозаикой на 1 кв.град.
Испытан в конце 2002 г.
• VISTA – оптический/ИК 4-м
телескоп с полем > 2
кв.град.
• Оптика для VST и VISTA – с
участием России (ЛЗОС)
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Интерферометрические комплексы.
• VLTI – 4 8 м VLT +
(1-4) 1.8m AT с базой
до 200 м и угловым
разрешением ~
0.”001
• Keck I,II
интерферометр –
база 85 м
• LBT – 2 x 8.4 м
телескопа на единой
монтировке с базой
23 м
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Интерферометр VLTI.
Пучки, собранные двумя и более
телескопами, отъюстированы так
точно, что каждая световая волна
может быть выделена и объединена
со своей другой частью. Выигрыш в
угловом разрешении
пропорционален не диаметру
зеркала, а расстоянию между
телескопами. Поле зрения каждого
из телескопов в интерферометре
VLTI составляет 2 угловые секунды.
Используя различные длины и
ориентации базовых линий, можно
добиться углового разрешения,
которое получалось бы от одного
телескопа с диаметром объектива,
равным наибольшей длине базы, 130 метров для четырех 8-метровых
телескопов и 200 метров для трех
1,8-метровых вспомогательных
телескопов.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Снижение стоимости телескопов.
Новые оптические и структурные
схемы всегда позволяли снизить
вес и стоимость крупных
телескопов.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Гигантские телескопы
будущего. TMT
•
•
•
•
•
•
Диаметр = 30 м
492 сегментов по 1,4 метра
Диапазон длин волн: 0.31–28 мкм.
Место: Мауна-Кеа, Гавайи.
Первый свет (в планах) – 2018 г.
Участники – университеты США,
AURA, ACURA, NOAO
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
E-ELT.
• Диаметр = 39.3 м
(первоначально 50 м)
• Тип монтировки: альтазимутальная.
• Разрешение: 0.001 - 0.65 arcsec
• Стоимость ~ 1050 MEu
• Начало строительства – 2012 г.
• Место – Cerro Armazones, Чили
• Участники – Финляндия,
Швеция, Ирландия, Испания,
Великобритания
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Giant Magellan Telescope.
•
•
•
•
•
•
Диаметр = 25.448 м
(7 сегментов по 8.4 м)
Первый свет (в планах) – 2018 г.
(один сегмент уже готов!)
Место: Las Campanas Observatory,
Чили
Площадь собирающей
поверхности: 368 кв. м.
Рабочий спектральный диапазон 320–25000 нм
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Оптические спектрографы высокого разрешения
Телескоп
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Спектр.
Rmin
Rmax
dcoll (mm)
9.8 Keck
HIRES
30000 80000
300
9.2 HET
HRS
15000 120000
200
8.3 Subaru HDS
160000
300
8.2 VLT2
UVES
40000 100000
200
8.1 GeminiS HROS
150000 *
160
6.0 BTA
NES
40000 75000
240
6.0 BTA
LYNX
30000 *
100
5.1 Hale
coude
305
4.2 WHT
UES
40000 80000 *
175
4.0 CTIO
Echelle
50000
127
+ 8 спектрографов на телескопах диаметром до 3.5м
включительно
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Оптические спектрографы низкого и умеренного
разрешения
Телескоп
Спектр.
Rmin
Rmax
dcoll
• 9.8 KeckII DEIMOS
5000
160
• 9.8 KeckII ESI
1000 6000
• 9.8 KeckII LRIS
300 5000
150
• 9.2 HET
LRS
60 1300
• 8.3 Subaru FOCAS
250 2000
• 8.2 VLT1 FORS1
300 1000
• 8.2 VLT2 FORS2
300 2000
• 8.2 VLT2 FLAMES
7500 25000 *
• 8.2 VLT3 VIMOS
300 2000 *
+ 37 спектрографов на телескопах диаметром до 3.5м
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Камеры прямого зрения
Телескоп
Камера
Поле
• 9.8 KeckII
DEIMOS
20’
• 9.8 KeckII
ESI
2x8’
• 9.8 KeckII
LRIS
6x7.8’
• 8.3 Subaru
SUPRIME
30’
• 8.2 VLT1
FORS
7’
• 8.2 VLT2
FORS2
7’
• 8.1 GeminiN GMOS
5.5’
• 8.1 GeminiS GMOS
5.5’
• 6.5 MMT
Minicam
3’
+ 27 камер на телескопах диаметром до 3.5м
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Камеры прямого зрения (ИК).
Телескоп
Камера
Поле
• 8.3 Subaru
IRCS
60”
• 8.3 Subaru
CIAO
22”
• 8.1 GeminiN NIRI
30,50,120”
• 8.1 GeminiS FlamingosI
2.6’
• 8.1 GeminiS GNIRS
• 8.1 GeminiS
NICI
• 6.5 MMT
Flamingos2
6.8’
• 6.5 Baade
PANIC
2’
• 6.5 Baade
WIRC
9’
+ 18 камер на телескопах диаметром до 3.5м
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Оптическая космология.
Результаты наблюдений.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Хаббл.
Mount Wilson Observatory
2.5-м телескоп Хукера.
• Вселенная не ограничивается
нашей Галактикой.
• Первое построение морфологии
галактик.
• Закон о постоянном возрастании
скорости удаления галактик с
расстоянием до них.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Морфология галактик по результатам Хаббла.
Mount Wilson Observatory
2.5-м телескоп Хукера.
E0—E7 — эллиптические галактики: относительно
равномерное распределение звёзд без явного ядра.
Цифра - эксцентриситет галактики. E0 практически
шарообразны, с увеличением номера развивается
уплощение. Число показывает форму проекции на
плоскость наблюдения, а не реальную форму
галактики.
S0 —линзообразные галактики дискообразной формы с
явно выраженным центральным балджем, но без
наблюдаемых рукавов.
Sa, Sb, Sc, Sd — спиральные галактики. Буква
показывает, насколько плотно расположены рукава.
SBa, SBb, SBc, SBd — спиральные галактики с
перемычкой в которых центральный балдж пересекает
яркий бар, от которого отходят рукава.
Irr — неправильные галактики, которые не могут быть
отнесены ни к одному из перечисленных классов. IrrI
показывают остатки спиральной структуры, IrrII
имеют совершенно неправильную форму.
Расширение: Система де Вокулёра
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Красное смещение и закон Хаббла.
Красное смещение:
z = ( – 0) / 0
Закон Хаббла:
cz = H0D, где z - красное смещение галактики,
D - расстояние до неё, H0 – коэффициент
пропорциональности (km/s/Mpc).
Значение постоянной Хаббла – в нынешнюю
эпоху.
Закон Хаббла справедлив для любого
наблюдателя, независимо от его положения и
направления измерений. Расширение Вселенной
происходит однородно и изотропно.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
История определения постоянной Хаббла.
1200
H0 (km/s/Mpc)
1000
800
600
400
200
0
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
Date
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
1990
2000
Измерения внегалактических расстояний и
космологические тесты.
Цефеиды: зависимость период – светимость.
Цефеиды - стандартные свечи.
velocity (km/s)
Методы измерений расстояний в видимой части спектра и ИК:
• Вариации поверхностной яркости (ограничения: поглощение пылью,
3000
наличие неслучайной структуры)
Cepheids
2500
• Сверхновые типа Ia
2000
• Сверхновые типа II
1500
• Гравитационное линзирование.
Космологические тесты :
• Соотношение красное смещение – звездная величина.
• Подсчет галактик.
• Соотношение угловой диаметр – красное смещение.
• Сопоставление временных шкал.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
1000
500
0
0
10
distance (Mpc)
20
Обсерватория на горе Паломар.
Инструменты:
Телескоп Хейла - 5.08 м (1949)
Телескоп Сэмюэла Осчина - 1,22 м (1948)
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Обзоры обсерватории Паломар.
POSS I
Паломарский 1,22 м телескоп. (1948 - 1958)
937 пар пластинок.
+90о ≥ δ ≥ -27о; 0h ≥ α ≥ 24h
Предельная звездная величина V ≈ 22m. Разрешены галактики до B ≈ 15m
Первый большой каталог галактик – начало космографии.
POSS II
Паломарский 1,22 м телескоп.(1985 - 2000)
Добавлен ИК фильтр.
По сравнению данных POSS I и POSS II открыто более 100 сверхновых.
Наиболее обширный обзор!
QUEST (Palomar Quasar Equatorial Survey Team)
Мозаика из 112 CCD - поле зрения 4оx4о.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Относительные скорости галактик и скрытая масса.
1937 Fritz Zwicky
18-дюймовый Паломарский телескоп:
Наблюдаемая масса скопления
(полученная по суммарным светимостям
галактик и их красному смещению)
значительно ниже массы скопления,
рассчитанной исходя из собственных
скоростей членов скопления
(полученных по дисперсии красного
смещения) в соответствии с теоремой о
вириале (средняя по времени потенциальная
гравитационная энергия гравитационно связанной
системы частиц U= -2E, где E - средняя по времени
кинетическая энергия движения частиц системы):
суммарная наблюдаемая масса
скопления оказалась в 500 раз ниже
расчётной.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Обзоры. 2DF.
Телескоп 3.9 м AAO (Australian Astronomical
Observatory):
1997-2002 гг.
До 400 спектров в двухградусном поле.
Предельная звездная величина B ≈ 19m.5
•Спектральный каталог
около 250 000 галактик с красным
смещением и спектральными типами.
•Спектры более 20 000 квазаров.
•Среднее красное смещение
z = 0.11 ( 500 Mpc)
•Распределение плотности
нерелятивистской материи (барионная
материя + темная материя + массивные
нейтрино).
•Обнаружение барионных акустических
осцилляций.
•Получены пределы на вклад массивных
нейтрино в темную материю.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Обзоры. 6DF.
Телескоп 1.2 м AAO (Australian Astronomical Observatory):
2001-2009 гг.
Одновременная регистрация до 150 спектров в шестиградусном
поле. Около 140 000 спектров. Поиск крупномасштабных
отклонений в скоростях галактик.
•Спектры 110 000 галактик.
•Распределение энергии в спектрах галактик со старым звездным
населением. Ближний ИК диапазон. Обзор охватывает объекты,
лежащие близко к плоскости Галактики.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
2MASS (Two Micron All-Sky Survey).
Телескопы: два1.3 м телескопа (Fred Lawrence Whipple Observatory –
северный, Cerro Tololo - южный):
1997-2001 гг.
Три ИК фильтра: J (1.25 μm), H (1.65 μm), Ks (2.17 μm).
Основные задачи:
•Поиск галактик в области неба, скрытой нашей Галактикой от наблюдения в
диапазоне видимого света.
•Поиск коричневых карликов.
•Систематический поиск звёзд малой массы, наиболее типичных представителей
населения галактик, но из-за малой светимости недоступных наблюдению в
диапазоне видимого света.
2MASS Redshift Survey
Распределение галактик и
темной материи
в локальной Вселенной
(до z = 0.03).
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Sloan DSS
Автоматический 2.5м рефлектор, 30 матриц
ПЗС 2Кх2К в пяти фильтрах, два ряда коротких
ПЗС для привязки координат по ярким звездам.
Одновременно регистрируется 640 спектров.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
SDSS. Принципы работы.
Фотометрия:
•Texp = 54,1 сек
•Скорость работы:
18.75 кв. град./час
•Разрешение: 120 Mpx
•Масштаб: 0.396''/px
Спектроскопия:
•Диапазон: 3800-9200А
•Разрешение: ~2000
•Texp ~ 15 мин
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
SDSS. Спектры.
Спектры квазара (z = 4.16) и галактики (z = 0.1234)
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
SDSS. Результаты.
Данные о 2 млн. объектов,
включая спектры
930 000 галактик и
120 000 квазаров.
Измеренные расстояния и
известное положение на небе
→
картирование
крупномасштабной структуры
Вселенной
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
HST.
• Диаметр: 2.4 м
• Запуск: 24.04.1990
• Область длин волн: УФ-ИК
• Цена: 2500 M$ до запуска
• Общие расходы на 1999:
6000 M$ + 600 MEu
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Диаграмма Хаббла по данным HST
35000
30000
velocity (km/s)
25000
20000
15000
10000
Tully-Fisher
Fund. plane
SBF
5000
SNe Ia
0
0
100
200
300
400
distance (Mpc)
«Наблюдательная и теоретическая космология»
37
15 августа 2011
500
Глубокие проколы. William Herschel.
WHDF (William Herschel Deep Field):
4.2 м William Herschel telescope (1994-1997)
Фильтры U, B, R, I. Предельная звездная величина B ≈ 28m. Поле 7’x7’.
•Зависимость числа галактик от видимой звездной величины (ранняя
эволюция галактик)
•Определение поверхностной корреляционной функции галактик
•Выбор наиболее удаленных галактик по цветовым индексам
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Глубокие проколы. HST. 1.
HDF N&S (Hubble Deep Field):
(1995 – North;1998 - South)
Северный:
Фильтры (центральная длина волны) 300, 450, 606,
814 nm. Предельная звездная величина B ≈ 29m.
•Удаленные галактики более асимметричны.
Множество взаимодействующих и иррегулярных.
•Новые данные о морфологии и размерах галактик.
•Новые удаленные объекты (z > 5).
Южный:
Использование трех инструментов: камеры прямого
зрения в видимой и ИК части спектра и спектрограф.
•Получены фотометрические данные и спектр
квазара на z = 2.24
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Глубокие проколы. VLT.
FDF (FORS Deep Field):
VLT (1999 – 2000)
FORS – спектрограф низкого разрешения + фотометрия: 5
широкополосных фильтров, покрывающих диапазон 370-800 нм.
Предельная звездная величина B ≈ 29m.
•10 000 новых объектов.
•Первичные параметры и эволюция функции светимости для
удаленных галактик (z > 3).
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Глубокие проколы. Subaru.
SDF (Subaru Deep Field):
Subaru (с 1999)
Фотометрия: 5 широкополосных фильтров в видимой части спектра
+ 2 узкополосных фильтра в ближней ИК области.
Выборка галактик на z > 4. Предельная звездная величина B ≈ 28m.5
и K ≈ 23m.5
•150 000 новых объектов.
•Обнаружение нескольких объектов на z > 6.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Глубокие проколы. HST. 2.
HUDF (Hubble Ultra Deep Field): (с 2003)
Фотометрия в видимой и ИК частях спектра.
Согласование области наблюдений с другими проектами.
10000 объектов до предельной звездной величины B ≈ 30m. В
фильтрах J, H до 27m.5.
•Новые кандидаты на z ~ 7-8.
•(2011) галактика на z ≈ 10.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Гравитационные линзы.
Принцип.
• Возможность определить массу
линзирующего объекта
• «Усиление» света от далекого объекта
• Временная задержка для разных частей
полученного изображения
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Гравитационные линзы. Результаты HST.
Справа: скопление
галактик Abell 1689.
Внизу: Крест Эйнштейна
= Q2237+030 (галактика
в центре и четыре
изображения далекого
квазара)
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Гравитационные линзы. Результаты HST.
SDSSJ0946+1006
Двойное гравитационное
линзирование. Три
галактики на луче зрения.
Впервые определена
масса карликовой
галактики (109 Msol) на
космологическом
смещении (z=0.6).
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Сверхновые типа Ia как стандартные свечи.
Сверхновые типа Ia не имеют
одинаковой абсолютной звездной
величины, однако абсолютная звездная
величина is коррелирует с наклоном
(быстрее = слабее). Для компенсации
этого эффекта применяется
«коэффициент растяжения». Кроме того,
проводится коррекция за спектральное
красное смещение и межзвездное
поглощение.
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
High-Z Supernova Search Team &
Supernova Cosmology Progect.
Цель: поиск сверхновых типа Ia на больших z.
Результаты HZSST (1999), SCP (1998).
Телескопы :
European Southern Observatory VLT,
Keck telescopes,
Canada- France-Hawaii telescope,
Cerro Tololo Inter-American Observatory,
Hubble Space Telescope
Модели Эйнштейна-де Ситтера:
Во Вселенной доминирует материя:WM=1.0, WL=0.0,
Пустая Вселенная: WM=0.0, WL=0.0,
Вселенная с доминирующей космологической
константой: WM=0.0, WL=1.0.
Модель c 30% вкладом материи и 70% вкладом
космологической константы: WM=0.3 and WL=0.7
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
High-Z Supernova Search Team &
Supernova Cosmology Progect.
Распределение вероятности по
наблюдениям сверхновых типа
Ia.
WL=0 исключено на уровне
> 95%
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011
Спасибо за внимание!
«Наблюдательная и теоретическая космология»
15 августа 2011