VISTA (телескоп)

Проект телескопа VISTA был инициирован и разработан объединением 18 университетов Великобритании под руководством Лондонского университета королевы Марии^[10][11]. Работа над проектом началась в 2000 году^[12]. Управление проектированием и строительством телескопа осуществлялось Британским технологическим центром астрономии (англ. UK Astronomy Technology Centre) Совета по научно-техническому оборудованию (англ. Science and Technology Facilities Council)^[2][3][13]. VISTA был задуман как специализированный телескоп для быстрого и глубокого картографирования больших областей неба в ближнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра и являлся крупнейшим в мире инструментом, предназначенным для этой задачи^[5].

После изучения нескольких предполагаемых мест размещения телескопа в конечном итоге была выбрана Паранальская обсерватория в пустыне Атакама, Чили. Телескоп был установлен на одной из вершин горы Серро-Параналь, на высоте 2518 м над уровнем моря. Это место находится в 1,5 км к северо-востоку от главной вершины той же горы, где расположен комплекс телескопов VLT^{[4][1][2][11]} (рис. 1). В 2002 году Великобритания стала членом Европейской южной обсерватории (ЕЮО), и 10 декабря 2009 года телескоп был торжественно передан ЕЮО в качестве неденежного взноса Великобритании в рамках соглашения о её вступлении в эту организацию^[14]. На следующий день, 11 декабря, телескоп получил первые снимки^[1][3] и с тех пор проводит систематические обзорные наблюдения неба^[2]. Одними из первых изображений, полученных телескопом, были снимки туманности Пламя^[3] (рис. 2) и скопления галактик в созвездии Печь^[15][10].

Согласно изначальному проекту, телескоп должен был иметь главное зеркало с относительным отверстием ${\displaystyle f/2{,}5}$ и на нём должны были быть установлены две камеры, инфракрасная и оптическая, в главном и кассегреновском фокусах. Однако в ходе проектирования от этой схемы отказались в пользу более компактной, где относительное отверстие главного зеркала составляло ${\displaystyle f/1{,}0}$, а всей оптической системы с одним кассегреновским фокусом — ${\displaystyle f/3{,}25}$. Это решение позволило уменьшить подвижную массу конструкции с 250 до 90 тонн^[4].

VISTA проводил обзоры южного полушария неба в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Подобные обзоры должны как приносить прямые научные результаты, так и помогать выбирать объекты для дальнейшего изучения с помощью более крупных телескопов. Существуют два похожих проекта:

• обзорные наблюдения северного полушария неба в инфракрасном диапазоне спектра с помощью широкоугольной камеры WFCAM на Британском инфракрасном телескопе (обсерватория Мауна-Кеа);
• обзорные наблюдения южного полушария неба в видимом диапазоне длин волн с помощью Обзорного телескопа VLT (Паранальская обсерватория).

Задача регулярного получения изображений больших участков неба с разрешением, ограниченным лишь астроклиматом, привела к созданию уникальной оптической схемы. Телескоп VISTA представляет собой рефлектор модифицированной системы Ричи — Кретьена с коррекционными линзами^[1]. Главное зеркало представляет собой вогнутый гиперболоид диаметром 4,1 м, толщиной 17 см и относительным отверстием ${\displaystyle f/1}$^{[12][4][16][17]}. Основа главного зеркала изготовлена из церодура (нем. Zerodur) — стеклокерамики с очень низким коэффициентом теплового расширения, производимой немецкой компанией Schott. Благодаря этому зеркало сохраняет свою форму даже при сильных перепадах температуры. В центре зеркала имеется отверстие диаметром 1,2 м для размещения камеры в фокусе Кассегрена. Это крупнейшее зеркало такой формы и с таким коротким фокусным расстоянием. Его полировка заняла 2 года^[18].

Перед главным зеркалом, на расстоянии около 2,726 м от него, расположено вторичное зеркало, представляющее собой выпуклый гиперболоид диаметром 1,242 м^[4]. Оно сделано из астроситалла^[1]. Сочетание двух гиперболических зеркал образует квазисистему Ричи — Кретьена^[4].

В телескопе используется технология активной оптики, предназначенная для регулировки положения и формы зеркал телескопа, поддержания их правильной юстировки и фокусировки^[1]. В частности, для этого главное зеркало поддерживается множеством актуаторов (81 с тыльной стороны и 24 по краю), что позволяет управлять его формой в автоматизированном режиме с помощью компьютеров. Вторичное зеркало установлено на гексаподной опоре; его положение и ориентация также управляются компьютером.

Научная аппаратура может размещаться только в фокусе Кассегрена^[4], позади главного зеркала. Для устранения искажений изображения используется система коррекционных линз^[16]. С 2009 по 2023 год в этом фокусе была установлена и работала камера ближнего инфракрасного диапазона VIRCAM^[6]. С 2025 года там работает спектрограф видимого диапазона 4MOST^[8][9].

Телескоп установлен на вилочной альт-азимутальной монтировке^[1]. Вся конструкция расположена внутри башни под вращающимся куполом диаметром около 20 м, который защищает телескоп от воздействия внешней среды^[2]. Для управления воздушными потоками и борьбы с турбулентностью внутри купола предусмотрены 6 крупных вентиляционных дверей и специальный подвижный ветровой экран, который может частично перекрывать наблюдательную щель для гашения порывов ветра^[2]. Кроме того, в куполе установлены подвижный экран для защиты от лунного света и мощная система воздушного охлаждения, поддерживающая внутри ночную температуру даже днём^[19]. Все электронные блоки внутри купола также снабжены системами активного охлаждения^[4]. Рядом с башней находится одноэтажное вспомогательное здание, в котором размещены установка для нанесения отражающего серебряного покрытия на зеркала, электрические распределительные щиты и насосы системы охлаждения^[4][2][18].

После начала работы телескопа VISTA Европейская южная обсерватория (ЕЮО) выделила 75% доступного наблюдательного времени для проведения 6 крупных общедоступных астрономических обзоров, данные которых практически сразу поступают в открытые архивы ЕЮО и становятся общедоступными для всего мирового научного сообщества. Оставшиеся 25% рабочего времени телескопа отводятся под закрытые обзоры, заявки на которые подаются в ЕЮО и после утверждения включаются в график наблюдений^[17]. Наблюдения выполняются операторами Паранальской обсерватории дистанционно из здания управления телескопами VLT^[19].

Большой размер матрицы детекторов и короткие частые экспозиции, необходимые для наблюдений в инфракрасном диапазоне длин волн, обеспечивают высокую скорость поступления данных — 200—300 ГБ за ночь. На Паранальской обсерватории проводится оперативная предварительная обработка данных для ежедневного контроля качества, однако основным потоком является передача сырых данных в штаб-квартиру ЕЮО в Гархинг-бай-Мюнхен (Германия) для помещения в научный архив. Пользователи могут извлекать отдельные кадры и пропускать их через калибровочный конвейер для удаления инструментальных артефактов и проведения астрометрической и фотометрической калибровки. Данные из архива также копировались в систему обработки данных VISTA в Великобритании, где отдельные кадры объединялись в составные изображения и на их основе составлялись каталоги источников^[19][17].

Телескоп VISTA предназначен для обзорных наблюдений неба и систематического картографирования космического пространства^[1]. Его научные цели охватывают многие проблемы современной астрономии: от природы тёмной энергии до угрозы со стороны околоземных астероидов^[5][24]. Наблюдения в инфракрасном диапазоне длин волн позволяли VISTA изучать объекты, которые практически невозможно увидеть в видимом свете по тем или иным причинам. Это может быть обусловлено их низкой температурой, скрывающей их космической пылью либо большой удалённостью (вследствие которой их свет испытал сильное красное смещение и переместился в инфракрасную область спектра из-за расширения Вселенной)^[10][5].

Бо́льшую часть времени работы телескопа занимали шесть крупных астрономических обзоров. Некоторые из них охватывали наблюдениями всё южное полушарие неба, а некоторые были сосредоточены на мониторинге небольших участков неба в течение длительного времени для обнаружения чрезвычайно тусклых объектов. В результате наблюдений сформированы большие массивы новых данных, которые будут использоваться в самых разных астрономических проектах — от изучения малых тел Солнечной системы до космологических исследований природы тёмной материи и тёмной энергии. В пределах нашей Галактики VISTA открывает множество новых объектов и проверяет гипотезы о природе тёмной материи. Используя данные VISTA, астрономы смогут создать трёхмерную карту примерно 5% всей наблюдаемой Вселенной. На ещё больших расстояниях VISTA служит мощным инструментом для поиска далёких квазаров и изучения эволюции галактик и их скоплений^[1][13].

Благодаря большому полю зрения VISTA способен за один раз охватывать участок небесной сферы, площадь которого в несколько раз превышает площадь лунного диска. Телескоп способен обнаруживать и каталогизировать объекты по всему южному полушарию неба с чувствительностью, в 40 раз превышающей показатели более ранних инфракрасных обзоров неба, таких как 2MASS. Этот скачок чувствительности наблюдений, сопоставимый с переходом от невооружённого глаза к первому телескопу Галилея, позволяет обнаружить огромное количество новых объектов и составить намного более полные каталоги редких и экзотических объектов южного неба^[3].

Инфракрасные данные, полученные в рамках обзора VVV, были использованы для уточнения шкалы космических расстояний за счёт более надежно измеренных расстояний до звёздных скоплений и цефеид^[25][26].

Обзоры

С 2010 по 2017 год VISTA провёл 6 крупных открытых астрономических обзоров (данные которых открыты для всего научного сообщества), на которые ушла большая часть его рабочего времени^[27][11][24] (рис. 7):

• UltraVISTA — самый глубокий и узкий обзор VISTA, выполнявшийся в пределах относительно небольшого участка неба для изучения первых галактик, роста их звёздной массы в эпоху пика звездообразования и самих процессов звездообразования, скрытых космической пылью;

• VIKING (VISTA Kilo-Degree Infrared Galaxy Survey) — обзор участка неба площадью 1500 квадратных градусов, данные которого используются для точного определения расстояний до далёких галактик по их цветам, а также для поиска квазаров с высоким красным смещением, скоплений галактик и измерения массы звёздных компонентов галактик;

• VMC (VISTA Magellanic Survey) — обзор участка неба площадью 184 квадратных градуса, охватывающий Большое и Малое Магеллановы Облака и их окрестности для изучения звёздных населений, истории звездообразования и трёхмерной структуры галактик, а также обнаружения переменных звёзд;

• VVV (VISTA Variables in the Via Lactea) — обзор центральных областей Млечного Пути на площади 520 квадратных градусов в 5 инфракрасных фотометрических полосах для построения трёхмерной карты балджа нашей Галактики, а также для изучения возраста звёздных населений и эволюции шаровых звёздных скоплений;

• VHS (VISTA Hemisphere Survey) — обзор всего южного полушария неба (за исключением областей, уже покрытых обзорами VIKING и VVV) в двух инфракрасных фотометрических полосах, целью которого является изучение маломассивных и близких звёзд, исследование истории слияний Млечного Пути с другими звёздными системами, изучение свойств тёмной энергии через характеристики крупномасштабной структуры Вселенной и поиск квазаров с высокими красными смещениями;

• VIDEO (VISTA Deep Extragalactic Observations Survey) — многоцветный обзор участка неба площадью 15 квадратных градусов для изучения эволюции галактик и их скоплений.

С 2016 по 2022 год были проведены ещё 6 публичных инфракрасных обзоров^[28]:

• расширенная версия UltraVISTA;

• VVVX — расширенная версия VVV;

• VEILS (VISTA Extragalactic Infrared Legacy Survey) — расширенная версия VIDEO;

• SHARKS (Southern H-ATLAS Regions K-band Survey) — обзор участка неба площадью 300 квадратных градусов в ближнем инфракрасном диапазоне спектра (фотометрическая полоса K_s) для отождествления источников, обнаруженных ранее другими обсерватории в дальнем инфракрасном или радиодиапазоне, поиска сильных гравитационных линз и изучения эволюции массивных структур во Вселенной^[29];

• VINROUGE (VIsta Near-infraRed Observations Unveiling Gravitational wave Events) — наблюдение сопутствующего инфракрасного излучения от источников гравитационных волн;

• GCAV (Galaxy Clusters at VIRCAM) — наблюдение 20 скоплений галактик, занимающих в общей сложности площадь 30 квадратных градусов на небесной сфере, для изучения эволюции галактик в широком диапазоне условий их окружающей среды внутри скоплений^[30].

Все наборы данных доступны через архив Европейской южной обсерватории.