Британский инфракрасный телескоп

Телескоп UKIRT был спроектирован и построен в период с 1975 по 1978 год по заказу Совета по научным исследованиям (англ. Science Research Council) Великобритании^[3]. Механические системы инструмента изготовлены компанией Dunford Hadfields Limited из Шеффилда, а оптическая часть — компанией Grubb Parsons из Ньюкасл-апон-Тайн^[2]. Башня телескопа с куполом установлена возле вершины горы Мауна-Кеа, на высоте 4194 м над уровнем моря, на острове Гавайи (штат Гавайи, США)^[1]. Первоначально инструмент получил название Infrared Flux Collector (с англ. — «Собиратель инфракрасного потока») и начал работу в октябре 1979 года^[2]. До 2014 года телескоп находился в собственности и под управлением различных государственных организаций Великобритании, в частности Совета по научным исследованиям и его преемника — Совета по научно-техническому оборудованию (англ. Science and Technology Facilities Council), иногда в партнерстве с другими международными агентствами^[4]. Одновременно с ним в той же обсерватории строился инфракрасный телескоп IRTF, который также был введён в эксплуатацию в 1979 году^[7].

В период с 1990 по 1998 год была проведена модернизация телескопа UKIRT, позволившая значительно повысить качество получаемых изображений. В результате к 2001 году средняя астрономическая видимость достигала 0,8″ во время вечерних сумерек и 0,5″ в предрассветные часы. Затем, в 1998—2003 годах, усовершенствовано программное обеспечение системы управления телескопом. В рамках проекта ORAC обновлён пользовательский интерфейс и полностью автоматизирована работа инструмента. В ходе проекта OMP внедрена система управления заявками на наблюдения и алгоритмы обратной связи для оперативного контроля качества поступающих данных. С 2003 года благодаря этим программным комплексам на UKIRT применяется гибкое планирование наблюдений и их проведение подстраивается под текущие метеоусловия. Заявки на наблюдения выбираются из базы данных в зависимости от текущих условий видимости, содержания водяного пара в атмосфере, прозрачности неба и научного приоритета заявок, присвоенного комитетом по распределению наблюдательного времени^[2].

После установки широкоугольной камеры WFCAM в 2004 году на телескопе начал проводиться Глубокий инфракрасный обзор неба UKIRT (англ. UKIRT Infrared Deep Sky Survey, UKIDSS). На этот проект уходило около 80% доступного времени работы телескопа в широкоугольном режиме наблюдений. Сам широкоугольный режим занимал около 60% общего времени работы телескопа, а оставшиеся 40% отводились под наблюдения с приборами в фокусе Кассегрена. В декабре 2008 года телескоп полностью перешёл на работу в широкоугольном режиме. С декабря 2010 года UKIRT управляется дистанционно из здания Института астрономии Гавайского университета на острове Гавайи без присутствия наблюдателей в башне^[2].

Первоначальный план предусматривал закрытие телескопа UKIRT после того, как в обсерватории Мауна-Кеа будет построен и начнёт функционировать Тридцатиметровый телескоп. Однако впоследствии было принято решение о полной ликвидации всех телескопов на вершине горы Мауна-Кеа по экологическим и религиозно-политическим причинам. В декабре 2009 года началось обсуждение постепенного вывода из эксплуатации и демонтажа UKIRT. Планировалось либо закрыть телескоп к концу 2013 года, либо передать его другому собственнику. В 2014 году закрытие телескопа было отложено в связи с передачей права собственности Гавайскому университету^[2].

С 2014 по 2017 год работа телескопа была организована в рамках многостороннего соглашения о научном сотрудничестве, в которое входили Гавайский университет, Аризонский университет (чья обсерватория Стюарда отвечала за повседневную техническую эксплуатацию) и Центр передовых технологий компании Lockheed Martin, выступавший в роли технологического партнёра. Финансирование работы телескопа осуществлялось NASA. С июня 2017 года UKIRT эксплуатируется на основе нового соглашения между Гавайским университетом и Военно-морской обсерваторией США^[4].

Тем не менее, в 2015 году планы по закрытию телескопа были подтверждены. Заявлялось, что после демонтажа ряда телескопов на вершине Мауна-Кеа будет проведена рекультивация данной местности и возвращение ей изначального вида без последующего строительства на ней новых сооружений^[8]. Процесс вывода UKIRT из эксплуатации начался 7 июля 2025 года^[5]. 1 июля 2026 года было объявлено, что научные наблюдения на телескопе прекратятся 15 сентября 2026 года, а полностью вывод из эксплуатации завершится к 2030 году^[6].

Телескоп UKIRT представляет собой рефлектор системы Кассегрена с главным зеркалом диаметром 3,8 м^[9]. Инструмент предназначен для наблюдений в инфракрасном диапазоне длин волн (1—30 мкм), поэтому для его успешной работы необходимо минимизировать локальные источники теплового инфракрасного излучения. Для этого зеркало телескопа было изготовлено тонким (примерно втрое тоньше, чем у других телескопов, создававшихся в то же время). Благодаря этому удалось уменьшить массу зеркала, которая составляет всего лишь 6,5 тонны. Более лёгкое зеркало требует менее мощных двигателей и систем управления, которые, вследствие этого, слабее нагреваются и создают меньший тепловой шум^[2].

Главное зеркало помещено в массивную стальную оправу массой 20 тонн^[2]. Для стабилизации изображения используется технология активной оптики, корректирующая форму поверхности зеркала в автоматическом режиме^[9]. Зеркало поддерживается системой 80 алюминиевых поршней, расположенных в виде концентрических окружностей и управляемых компьютером. Система анализирует состояние зеркала и оперативно посылает управляющие сигналы, позволяющие эффективно компенсировать его возможные деформации. Благодаря этому относительно тонкое зеркало с точки зрения своих механических и оптических свойств ведёт себя как намного более толстое^[2].

Телескоп установлен на английской экваториальной монтировке, позволяющей ему поворачиваться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Геометрия монтировки ограничивает охват небесной сферы интервалом склонений от −40° до +60° 07′. В то же время такая монтировка крайне прочна и устойчива к деформациям, что обеспечивает высокую точность наведения телескопа^[2].

Конструкция телескопа UKIRT сочетает в себе передовые для своего времени решения в области сейсмоустойчивости и прецизионной механики. Опорно-поворотный механизм телескопа установлен на массивных шариковых подшипниках, а защита от землетрясений обеспечивается срезными штифтами, которые ломаются при критических нагрузках, предохраняя оптику от разрушения. Высокоточное наведение осуществляется парой электродвигателей, работающих в противоположных направлениях для устранения люфта в зубчатых передачах, ухудшающего четкость позиционирования. Управление этим процессом осуществляется в автоматическом режиме при помощи ЭВМ PDP-11/40 ^[10].

UKIRT оснащён 4 научными приборами, которые помещаются в фокусе Кассегрена (3 из них могут быть установлены на телескопе одновременно) и широкоугольной камерой, которая устанавливается перед фокусом Кассегрена^[2].

• CGS4 (Cooled Grating Spectrometer 4) — длиннощелевой спектрограф (длина щели 90″) на основе дифракционной решётки, работающий в диапазоне длин волн 1—5 мкм. В качестве детектора излучения используется матрица из антимонида индия (InSb) размером 256 × 256 пикселей, помещённая в криостат для охлаждения и минимизации теплового шума. Доступны четыре решётки, две из которых устанавливаются одновременно; они обеспечивают спектральное разрешение от 500 до 8500 (для обычных решёток) и до 37 000 (для эшелле-решётки), в зависимости от выбранной конфигурации^[11].

• Michelle — камера и спектрограф среднего инфракрасного (ИК) диапазона (8—25 мкм). В качестве детектора используется гибридная матрица размером 320 × 240 пикселей из кремния, легированного мышьяком (Si:As). В режиме камеры способен получать изображения размером 67,2″ × 50,4″ и масштабом 0,21″/пиксель. В спектроскопическом режиме доступны 5 дифракционных решёток, обеспечивающих спектральное разрешение от 200 до 30 000. Также способен измерять поляризацию излучения в обоих режимах^[12].

• UFTI (UKIRT Fast-Track Imager) — камера ближнего ИК-диапазона (0,8–2,5 мкм) с матрицей размером 1024 × 1024 пикселей из теллурида кадмия-ртути (HgCdTe). Может формировать изображения участка неба размером 92″ с масштабом 0,091″/пиксель^[13].

• UIST (UKIRT 1—5 Micron Imager-Spectrometer) — камера и спектрограф ближнего ИК-диапазона (1—5 мкм) с матрицей размером 1024 × 1024 пикселей из антимонида индия (InSb). Прибор способен получать изображения объектов, после чего быстро переключаться в режим спектроскопических наблюдений. В режиме камеры доступны два масштаба изображения: 0,12″/пиксель и 0,06″/пиксель, что даёт поле зрения 2′ × 2′ и 1′ × 1′ соответственно. В спектроскопическом режиме используется только масштаб 0,12″/пиксель. Также прибор может работать в режиме спектроскопии интегрального поля зрения, при котором прямоугольный участок небесной сферы общим размером 3,3″ × 6,0″ разделяется на множество узких полосок и излучение от каждой полоски раскладывается в спектр. В результате получается спектр для каждой точки исходного участка неба^[14].

• WFCAM (Wide Field Camera) — широкоугольная камера ближнего ИК-диапазона с четырьмя матрицами размером 2048 × 2048 пикселей. Каждая матрица охватывает область неба угловым размером стороны 13,6′, обеспечивая общее поле зрения площадью около 0,2 квадратного градуса. Камера устанавливается перед главным зеркалом, до фокуса Кассегрена. Предназначена для проведения широкоугольных обзоров неба^[2][15][16].

Проводившаяся с помощью телескопа UKIRT научная работа включала в себя изучение космического мусора, наблюдение и каталогизацию околоземных объектов, а также широкоугольные обзорные наблюдения неба^[8].

Одним из основных направлений работы телескопа являлся инфракрасный обзор неба UKIDSS (англ. UKIRT Infrared Deep Sky Survey), проводившийся с 2005 по 2014 год при помощи широкоугольной камеры WFCAM^[4]. Поначалу проект UKIDSS занимал почти половину всего рабочего времени UKIRT, однако с декабря 2008 года телескоп полностью перешёл на широкоугольные обзорные наблюдения^[2]. В рамках этого обзора наблюдениями было охвачено в общей сложности около 7500 квадратных градусов небесной сферы. Камера была способна регистрировать как ближайшие к Солнцу астрономические объекты вне Солнечной системы, так и некоторых из самых далёких известных объектов во Вселенной. Основными целевыми объектами наблюдений были:

• самые холодные и ближайшие коричневые карлики;
• далёкие галактики со вспышками звездообразования, богатые пылью;
• эллиптические галактики и скопления галактик с красными смещениями ${\displaystyle 1<z<2}$;
• квазары с очень высокими красными смещениями ${\displaystyle (z=7)}$.

В работе обзора участвовало около 100 астрономов^[17]. Первый релиз данных опубликован в июле 2006 года^[18].

В 2011 году на основе собранных в ходе обзора данных был открыт самый далёкий из всех известных на тот момент квазаров, получивший обозначение ULAS J1120+0641. Его красное смещение равно ${\displaystyle z=7{,}1}$. Это значит, что наблюдаемое излучение квазара было испущено им всего лишь через 770 млн лет после Большого взрыва. В его центре находится сверхмассивная чёрная дыра массой 2 млрд масс Солнца. Из-за столь высокого красного смещения квазара он оказался практически невидимым в оптическом диапазоне длин волн, однако хорошо заметен в инфракрасной области спектра, в которой проводил наблюдения телескоп UKIRT^[19].

С мая 2012 года проводится обзор неба UHS (англ. UKIRT Hemisphere Survey) как продолжение обзора UKIDSS. В его рамках предполагалось охватить наблюдениями всю область северного полушария неба со склонениями от 0° до +60° (общей площадью почти 17 900 квадратных градусов) в фотометрических полосах J и K^[20][21]. Полученные в ходе обзоров данные обрабатываются и архивируются «Системой обработки данных VISTA» (англ. VISTA Data Flow System), в работе которой участвуют две организации: Отдел астрономических обзоров Института астрономии Кембриджского университета (CASU) и Отдел широкоугольной астрономии Института астрономии Эдинбургского университета (WFAU)^[3].

В 2018 году Отдел небесной системы отсчёта Военно-морской обсерватории США совместно с Парижской обсерваторией запустили научно-исследовательскую программу FRAMEx (англ. Fundamental Reference AGN Monitoring Experiment), в рамках которой проводятся многоволновые наблюдения выборки активных ядер галактик (АЯГ) и квазаров с помощью различных телескопов, одним из которых является UKIRT. Ключевым компонентом программы является фотометрический и спектроскопический мониторинг АЯГ для изучения их переменности. Предполагается изучение физических процессов, которые определяют морфологию АЯГ и их видимое положение на небесной сфере при наблюдениях на разных длинах волн. Целью проекта является создание базы данных АЯГ, позволяющей использовать их в качестве опорных источников для усовершенствования и поддержания Международной небесной системы координат, а также для калибровки результатов измерений спутниковых систем навигации^{[5][22][23][24]}.