Телескопы и приборы для оптической космологии .

1. Телескопы и приборы для оптической космологии. Дьяченко В.В. САО РАН «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

2. Основные направления исследований в оптике • Параметры Вселенной • Крупномасштабная структура Вселенной • Состав Вселенной: • Темная энергия • Темная материя «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

3. 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

4. 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

5. Большие телескопы начала XXI века Общая площадь к настоящему времени – около 1000 кв.м. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

6. 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

7. Применение адаптивной оптики на Gemini North. Шаровое скопление NGC6934 – без АО (0.6”) (слева) и с ее использованием (0.09”) (справа).

8. 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

9. 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

10. 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

11. 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

12. Новые оптические и структурные схемы всегда позволяли снизить вес и стоимость крупных телескопов. Снижение стоимости телескопов. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

13. 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

14. E-ELT. • Диаметр = 39.3м (первоначально 50 м) • Тип монтировки: альт-азимутальная. • 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

15. 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

16. Оптические спектрографы высокого разрешения Телескоп Спектр.RminRmaxdcoll(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 50000127 + 8 спектрографов на телескопах диаметром до 3.5м включительно «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

17. 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

18. Камеры прямого зрения Телескоп Камера Поле • 9.8 KeckIIDEIMOS 20’ • 9.8 KeckII ESI 2x8’ • 9.8 KeckII LRIS 6x7.8’ • 8.3 Subaru SUPRIME 30’ • 8.2 VLT1 FORS7’ • 8.2 VLT2 FORS2 7’ • 8.1 GeminiN GMOS 5.5’ • 8.1 GeminiS GMOS 5.5’ • 6.5 MMTMinicam 3’ + 27 камер на телескопах диаметром до 3.5м «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

19. Камеры прямого зрения (ИК). ТелескопКамера Поле • 8.3 Subaru IRCS 60” • 8.3 Subaru CIAO 22” • 8.1 GeminiNNIRI 30,50,120” • 8.1 GeminiSFlamingosI2.6’ • 8.1 GeminiSGNIRS • 8.1 GeminiSNICI • 6.5 MMT Flamingos26.8’ • 6.5 Baade PANIC2’ • 6.5 Baade WIRC 9’ + 18 камер на телескопах диаметром до 3.5м «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

20. Оптическая космология. Результаты наблюдений. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

21. 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

22. 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

23. 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

24. История определения постоянной Хаббла. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

25. Измерения внегалактических расстояний и космологические тесты. • Цефеиды: зависимость период – светимость. • Цефеиды - стандартные свечи. • Методы измерений расстоянийв видимой части спектра и ИК: • Вариации поверхностной яркости (ограничения: поглощение пылью, наличие неслучайной структуры) • Сверхновые типа Ia • Сверхновые типа II • 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

26. Обсерватория на горе Паломар. Инструменты: Телескоп Хейла - 5.08 м (1949) ТелескопСэмюэлаОсчина - 1,22 м (1948) «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

27. Обзоры обсерватории Паломар. POSS I Паломарский 1,22м телескоп. (1948 - 1958) 937пар 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 (PalomarQuasar Equatorial Survey Team) Мозаика из 112 CCD -поле зрения 4оx4о. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

28. 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

29. 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

30. 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

31. 2MASS (Two Micron All-Sky Survey). • Телескопы: два1.3 мтелескопа (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 RedshiftSurvey • Распределение галактик и • темной материи • в локальной Вселенной • (до z = 0.03). «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

32. 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

33. 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

34. SDSS.Спектры. • Спектры квазара (z = 4.16)и галактики (z = 0.1234) «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

35. 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

36. 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

37. Диаграмма Хаббла по данным HST «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

38. 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

39. 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. • Полученыфотометрические данные и спектр квазарана z = 2.24 «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

40. Глубокие проколы. VLT. • FDF (FORS Deep Field): • VLT (1999 – 2000) • FORS – спектрограф низкого разрешения +фотометрия: 5 широкополосныхфильтров, 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

41. Глубокие проколы. Subaru. • SDF (Subaru Deep Field): • Subaru (с 1999) • Фотометрия: 5 широкополосныхфильтров 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

42. Глубокие проколы. HST. 2. • HUDF (HubbleUltra Deep Field): (с 2003) • Фотометрия в видимой и ИК частях спектра. • Согласование области наблюдений с другими проектами. • 10000 объектов допредельной звездной величины B ≈ 30m. В фильтрах J,H до27m.5. • Новые кандидаты на z ~7-8. • (2011) галактика на z ≈ 10. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

43. 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

44. 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

45. Гравитационные линзы. Результаты HST. SDSSJ0946+1006 Двойное гравитационное линзирование. Три галактики на луче зрения. Впервые определена масса карликовой галактики (109 Msol) накосмологическом смещении (z=0.6). «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

46. Сверхновые типа Iaкак стандартные свечи. Сверхновые типаIaне 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

47. High-Z Supernova Search Team & Supernova Cosmology Progect. Цель: поиск сверхновых типа Iaнабольших 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

48. 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

49. Спасибо за внимание! «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011