Телескоп IRTF

Телескоп IRTF был построен для поддержки исследовательских миссий NASA, в первую очередь программы полёта космических аппаратов «Вояджер» к планетам-гигантам^[3][4][5]. Идея создания специализированного телескопа для этой цели возникла в 1969 году. В течение нескольких лет велись поиски подходящего места для строительства. Сравнительные наблюдения на ряде потенциальных площадок (в Калифорнии, Аризоне, Чили, Мексике и на Гавайских островах) показали, что наилучшими атмосферными условиями обладает вершина вулкана Мауна-Кеа на острове Гавайи. После дополнительной проверки специальный комитет под председательством Джесси Гринстейна окончательно утвердил выбор этого острова^[6].

Проектирование и строительство телескопа сопровождались серьёзными трудностями. Конфликты между проектировщиками, инженерами и научным сообществом, а также споры вокруг технических решений (в частности, типа монтировки телескопа) привели к кризису в середине 1970-х годов. Проект оказался под угрозой закрытия. Ситуация разрешилась после вмешательства NASA: управление проектом было передано новой команде, которая смогла наладить работу. Однако вскоре произошла новая катастрофа — треснуло главное зеркало телескопа. Проект вновь хотели закрыть, но на специальном совещании Лео Голдберг убедил комиссию продолжить работы^[6]. Несмотря на все трудности, телескоп был успешно завершён и торжественно открыт 6 июля 1979 года, будучи на тот момент десятым по величине телескопом в мире и вторым по величине инфракрасным телескопом (после 3,8-метрового Британского инфракрасного телескопа, также расположенного на вершине Мауна-Кеа)^[4]. Его первым директором стал Эрик Беклин^[6].

IRTF сразу оправдал возложенные на него надежды. Уже в мае 1979 года он получил инфракрасные изображения Юпитера на длине волны 5 мкм, которые были использованы для планирования пролёта «Вояджера-2»^[3]. Эти изображения показали тепловое излучение из нижних слоёв атмосферы, которое можно было увидеть сквозь менее облачные участки верхних слоёв, что позволило «Вояджеру-2» нацеливаться на эти области и исследовать нижнюю атмосферу Юпитера. Позже были проведены дополнительные наблюдения для изучения энерговыделения недавно открытых вулканов на Ио и состава колец Юпитера^[4][6]. Впоследствии IRTF продолжал поддерживать космические миссии NASA, включая исследования Марса, астероидов, комет и спутников планет-гигантов. Половина наблюдательного времени телескопа зарезервирована для исследований Солнечной системы. Кроме того, IRTF используется для наблюдений объектов за пределами Солнечной системы, что помогает в изучении потенциально обитаемых экзопланет. Данные телескопа активно используются в программах NASA по астробиологии^[3]. В 1994 году телескоп сфотографировал фрагменты кометы Шумейкеров — Леви 9, падающие в атмосферу Юпитера^[4].

Телескоп IRTF расположен на вершине вулкана Мауна-Кеа, на высоте около 4200 км (13 800 футов) над уровнем моря^[4]. Главное зеркало телескопа имеет диаметр 3,2 метра^[1][2]. Он способен проводить наблюдения в интервале длин волн 0,7—25 мкм^[2].

На телескопе установлены следующие научные приборы^[7]:

• SpeX — инфракрасный спектрограф, работающий в диапазоне длин волн 0,7—5,3 мкм. Имеет несколько режимов наблюдений: с использованием либо призмы (предназначен для быстрого обзора неба с низким спектральным разрешением), либо дифракционной решётки (обеспечивает среднее разрешение для детального анализа спектральных линий). Широко используется для наблюдений планет, астероидов, комет, коричневых карликов, молодых звёзд и протопланетных дисков^[8];

• MORIS (MIT Optical Rapid Imaging System) — высокоскоростная оптическая камера с ПЗС-матрицей размером 512 × 512 пикселей, установленная на спектрографе SpeX. Предназначена для быстрой съёмки астрономических событий, таких как покрытия звёзд астероидами, затмения и прохождения экзопланет по дискам своих звёзд. Благодаря высокому временнóму разрешению камера может фиксировать быстрые изменения яркости объектов, что делает её ценным инструментом для исследований Солнечной системы и объектов за её пределами. Кроме того, MORIS служит оптическим искателем для SpeX, помогая ему точно наводиться на видимые объекты и улучшая качество инфракрасных спектров^[9];

• iSHELL — инфракрасный эшелле-спектрограф высокого спектрального разрешения, работающий в широком диапазоне длин волн (1,1—5,3 мкм), охватывая фотометрические полосы J, H, K, L и M. Спектральное разрешение прибора может достигать 75 000, что даёт возможность различать тончайшие детали в спектрах небесных объектов (например, разделять близкие спектральные линии и измерять лучевые скорости с точностью до 10 м/с, а для ярких звёзд — до 3—5 м/с). Как и у SpeX, у iSHELL есть собственный искатель для наведения. Инструмент особенно востребован для изучения атмосфер планет, поиска экзопланет методом доплеровской спектроскопии, анализа состава протопланетных дисков и коричневых карликов^[10];

• MIRSI — комбинированный прибор (камера и спектрограф среднего инфракрасного диапазона), работающий в интервале длин волн 2—20 мкм, что позволяет изучать объекты, испускающие тепловое инфракрасное излучение (например, холодные астероиды, кометы, пылевые диски вокруг звёзд, атмосферы планет). У прибора есть два основных режима: режим камеры (с переменными светофильтрами для спектрального сканирования) и режим спектрографа с низким спектральным разрешением (около 200—1000). Весь прибор охлаждается с помощью криостата. MIRSI имеет поле зрения примерно 85″ × 64″ и масштаб изображения 0,27″ на пиксель, что хорошо подходит для изучения протяжённых и слабых источников в среднем инфракрасном диапазоне спектра^[11];

• MOC (MIRSI Optical Camera) — оптическая ПЗС-камера видимого диапазона с матрицей размером 512 × 512 пикселей. Работает в паре с MIRSI с использованием зеркала, разделяющего входящий световой пучок: инфракрасное излучение направляется в MIRSI, а видимый свет — в камеру MOC. Это позволяет одновременно вести наблюдения в двух диапазонах — видимом и среднем инфракрасном. Камера оснащена высокочувствительным детектором и колесом с 8 светофильтрами. Используется как для получения изображений в видимом свете, так и для гидирования (точного наведения) прибора MIRSI^[12];

• Opihi — широкоугольный искатель, предназначенный для помощи другим приборам в обнаружении новых астероидов в тех случаях, когда положение объекта на небе не известно точно и он не попадает в поле зрения основных инструментов (например, SpeX или MORIS). Имеет поле зрения диаметром 32′ и за одну минуту может обнаружить объекты вплоть до 20-й звёздной величины, уточнить их координаты и навести на них основной телескоп. В свободное от поиска астероидов время Opihi используется в автоматическом режиме для мониторинга прозрачности неба и оценки качества наблюдательных условий. Кроме того, с его помощью можно проводить фотометрические наблюдения в видимом диапазоне длин волн^[13];

• Felix — высокочувствительная камера наведения, внеосевого гидирования и контроля волнового фронта. Имеет поле зрения размером 80″ и способна обнаруживать объекты до 20-й звёздной величины. Обеспечивает гидирование телескопа в любом направлении и автоматическую подстройку фокуса через управление гексаподом^[14].

Заявки на использование наблюдательного времени телескопа проходят двойную анонимную независимую экспертизу^[15]. Наблюдательное время распределяется дважды в год (на периоды с февраля по июль и с августа по январь) специальным комитетом, состоящим как минимум из 8 членов, половина из которых являются специалистами по исследованию Солнечной системы, вторая половина — по другим областям астрономии. Заместитель директора IRTF председательствует в комитете, но не имеет права голоса. Время между программами изучения Солнечной системы и объектов за её пределами делится поровну^[15][1].

Для максимально эффективного использования ресурсов телескопа на каждую ночь зачастую планируется сразу несколько научных программ. Гибкость графика обеспечивается возможностями дистанционных наблюдений: астрономы могут управлять инструментами IRTF из любой точки мира при наличии высокоскоростного доступа в Интернет^[1].

Помимо этого, около 18 ночей в каждом семестре выделяется для инженерно-технических работ: решение технических проблем обсерватории, калибровку инструментов, а также научные исследования персонала IRTF и дискреционное время директора^[15].

Телескоп IRTF используется для широкого спектра исследований, включая планетологию, поиск и изучение экзопланет, звёздную астрофизику, внегалактическую астрономию и космологию. Важное место занимает поддержка космических миссий и программ защиты Земли от астероидно-кометной опасности^[4]. Конкретные направления исследований могут быть определены по результатам регулярного конкурса заявок на наблюдательное время. Некоторые из них приведены ниже^[16].

Данный инструмент активно используется для комплексного изучения планет, их спутников, астероидов, комет и транснептуновых объектов. Ключевые задачи включают: мониторинг атмосферной динамики и химического состава Юпитера, Сатурна, Венеры и Урана (включая поддержку миссий Juno и «Акацуки»); спектральную классификацию и изучение физических характеристик околоземных астероидов и потенциально опасных космических объектов; изучение летучих веществ и пылевой активности комет при прохождении вблизи перигелия; изучение вращения Плутона и спутников планет-гигантов и происходящих на них сезонных изменений. Особое место занимает программа быстрого реагирования на близкие пролёты астероидов, а также поиск водяного льда и органических соединений на малых телах^[16].

Телескоп предоставил богатую базу данных инфракрасных спектров астероидов. Это важно, поскольку ближний инфракрасный диапазон даёт критическую информацию о составе их поверхности. Гибкое планирование работы телескопа позволяет эффективно использовать его для наблюдения околоземных объектов в кратчайшие сроки в рамках Программы планетарной защиты NASA. Объекты, которые ближе всего подходят к Земле, должны наблюдаться в течение нескольких суток, прежде чем станут слишком тусклыми для наблюдений^[4].

IRTF служит мощным инструментом для изучения процессов формирования звёзд и планет, а также различных этапов звёздной эволюции^[16]. Он стал пионером в области инфракрасной спектроскопии молодых звёзд с высоким спектральным разрешением, предоставив одни из первых детальных наблюдений протопланетных дисков, окружающих молодые звёзды и служащих местом формирования планет. Получение инфракрасных изображений областей с ранними стадиями звездообразования, не видимых в оптическом диапазоне, сыграло решающую роль в определении времени жизни аккреционного диска при формировании звезды^[4].

Инструмент используется для спектроскопических наблюдений протопланетных дисков (включая поиск молекул CO, CH₄ и более сложных органических молекул), исследования аккреции и вспышечной активности у молодых звёзд, а также изучения магнитных полей у звёзд типа T Тельца. Для объектов на поздних стадиях эволюции — красных сверхгигантов и гигантов асимптотической ветви — измеряются темпы потери массы, молекулярный состав и структура пылевых оболочек. Кроме того, ведётся масштабный спектральный обзор коричневых карликов (спектральных классов L, T, Y)^[16]. На основе наблюдения телескопа IRTF был открыт GD 165B — первый обнаруженный коричневый карлик спектрального класса L. Благодаря развитию приборной базы IRTF смог пронаблюдать и измерить спектральные характеристики более 1000 коричневых карликов^[4].

С появлением спектрографа высокого разрешения iSHELL телескоп стал активно использоваться для измерения лучевых скоростей красных карликов спектрального класса M с целью подтверждения кандидатов в экзопланеты (особенно по данным TESS) и уточнения их орбитальных параметров. Проводятся наблюдения атмосфер горячих юпитеров. Проекты включают и поиск планет у молодых активных звёзд^[16].

Внегалактические исследования с помощью IRTF включают изучение активных ядер галактик с большими красными смещениями. Важнейшей задачей являются спектроскопические наблюдения источников гравитационные волныгравитационных волн, наблюдаемых интерферометрами LIGO и Virgo, и инфракрасных транзиентов. Также проводятся наблюдения сверхновых звёзд Ia типа в ближнем инфракрасном диапазоне спектра для более точного измерения космологических расстояний и изучения физики этих вспышек^[16].

IRTF регулярно выделяет время для синхронных наблюдений с космическими аппаратами (Juno, «Акацуки», TESS, «Хаббл») и наземными инструментами (ALMA, LIGO и Virgo), предоставляя важные данные для интерпретации их результатов. Сюда же относятся проекты по созданию спектральных библиотек (звёзд, коричневых карликов, астероидов), а также работы, направленные на улучшение калибровки инструментов и методов обработки данных^[16].