Око планеты. Телескоп-астрономический помощник человека

XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Око планеты. Телескоп-астрономический помощник человека

Михальчук Д.А. 1
1МБОУ СОШ № 14
Сирота О.В. 1
1МБОУ СОШ № 14
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Наблюдение за звёздами было увлекательным занятием ещё с давних времён. Первоначально человек мог наблюдать за небесными телами только своими глазами. В таких случаях звезды были всего лишь точками на небесном своде. Но в семнадцатом веке был изобретён телескоп. Это величайшее открытие людей!

В ясную погоду с его помощью можно наблюдать за глубинами космоса. Телескоп помогает следить за десятками, сотнями тысяч или даже миллионами звёзд. Если говорить о научном приборе, то он помогает увидеть человеку то, что обычным глазом никогда люди не смогли бы рассмотреть и познать.

Телескоп является билетом в фантастический мир неизведанных звездных глубин. С его помощью можно любоваться красотами лунных морей и других планет Солнечной системы, заглядывать в таинственные уголки Вселенной и делать невероятные открытия.

В течении многих лет самый большой в мире телескоп БТА (Большой Телескоп Азимутальный) принадлежал именно нашей стране. Сконструирован и построен он был полностью с использованием отечественных технологий, продемонстрировав лидерство страны в области создания оптических инструментов. В начале 60-х советские учёные получили от правительства «особое задание» — создать телескоп больше, чем у американцев (телескоп Хейла — 5 м).

Разрешающая способность телескопа в 2000 раз больше разрешающей способности человеческого глаза, а его радиус «зрения» в 1,5 раза превышает аналогичный показатель крупнейшего на тот момент телескопа США в Маунт-Паломаре (8-9 млрд. световых лет против 5-6 соответственно). Не случайно БТА называют «Оком планеты». Его размеры поражают воображение: высота – 42 метра, вес – 850 тонн. Благодаря специальной конструкции гидравлических опор телескоп как бы «плавает» на тончайшей масляной подушке толщиной 0,1 мм, и человек в состоянии повернуть его вокруг своей оси без применения техники и дополнительных инструментов

Мои дедушка и бабушка живут в Нижнем Архызе, и работают уже 40 лет в специальной астрофизической обсерватории. Я, приезжая к ним в гости, посещаю большой телескоп азимутальный. Это впечатляющее зрелище! Мой прадедушка участвовал в строительстве телескопа (сначала помощником экскаваторщика на строительстве дороги к будущему телескопу, затем плотником на закладке фундамента). Они рассказывали мне много интересных историй. Меня заинтересовала эта информация, и я решил глубже изучить данный вопрос.

Гипотеза исследования: можем предположить, что наличие БТА привело к прорыву в освоении космического пространства в нашей стране.

Цель работы: изучить историю строительства БТА, разобраться в его устройстве и выяснить какие открытия были совершены с помощью «Ока планеты».

Задачи:

1.Найти и проанализировать научную информацию по истории создания большого телескопа азимутального.

2.Выделить особенности устройства обсерватории и телескопа.

3.Узнать об основных научных результатах, полученных на БТА.

История создания Большого телескопа азимутального

Урочище Семиродники, кош ПКО, 2 июля 1965 г.

История Большого телескопа азимутального (БТА, Карачаево-Черкесия) началась 25 марта 1960 года, когда по предложению АН СССР и Государственного комитета по оборонной технике Совет министров СССР принял постановление о создании комплекса с телескопом-рефлектором, имеющим главное зеркало диаметром 6 метров.

Его назначение – «исследование структуры, физической природы и эволюции внегалактических объектов, детальное изучение физических характеристик и химического состава нестационарных и магнитных звезд». Головным исполнителем был назначен Государственный оптико-механический завод им. ОГПУ (ГОМЗ), на базе которого вскоре было образовано ЛОМО, а главным конструктором – Баграт Константинович Иоаннисиани.

БТА являлся новейшей для своего времени астрономической техникой, содержавшей в себе много поистине революционных решений. С тех пор монтировка всех больших телескопов мира осуществляется по блестяще оправдавшей себя альт-азимутальной схеме, впервые в мировой практике примененной нашими учеными в БТА. Над его созданием трудились специалисты самого высокого класса, что обеспечило высокое качество гигантского прибора. Вот уже более 40 лет БТА несет свою звездную вахту. Этот телескоп способен различать астрономические объекты 27-ой величины.

   

Очистка дна котлована. Февраль 1966 г. Здесь работал мой прадедушка.

После анализа всех данных, площадкой для телескопа БТА стало место на высоте 2100 метров возле горы Пастухова, недалеко от станицы Зеленчукская, которая расположена в Карачаево-Черкессии — Нижний Архыз.

По проекту был выбран азимутальный тип монтировки телескопа. Полный наружный диаметр зеркала составлял 6.05 метра при толщине 65 см, равномерной по всей площади.Рефлектор сделан в форме параболоида вращения.

Сборка конструкции телескопа производилась в помещении ЛОМО. Специально для этого был построен корпус высотой свыше 50 метров. Внутри корпуса были установлены подъемные краны грузоподъемностью 150 и 30 тонн. Перед началом сборки был изготовлен специальный фундамент. Сама сборка началась в январе 1966 года и продолжалась более полутора лет, до сентября 1967 года.

Многие из узлов телескопа являются уникальными для своего времени, такие как главный спектрограф телескопа, имеющий диаметр 2 метра, система гидирования, включающая в себя телескоп-гид и комплексную фото и телевизионную систему, а также специализированную ЭВМ для управления р аботой системы.

К моменту изготовления заготовки зеркал диаметром 6 м, накопленный опыт обработки крупногабаритных оптических заготовок был невелик. Для обработки отливки 6-метрового диаметра, когда потребовалось снять с заготовки около 25 т стекла, имеющийся опыт оказался непригодным, как из-за низкой производительности труда, так и из-за наличия реальной опасности выхода заготовки из строя. Поэтому при обработке заготовки было принято решение о применении алмазного инструмента.

Светская оптическая промышленность тех времён не была рассчитана на решение таких задач, поэтому для создания 6-метрового зеркала был специально построен завод в подмосковном Лыткарино на базе небольшого цеха по изготовлению зеркальных отражателей.

Монтаж металлоконструкций купола. 1968 г

Заготовка для зеркала весила 70 тонн. Чтобы не треснуть зеркала должны были остывать очень долго. «Удачная» заготовка остывала 2 года и 19 дней (из-за спешки несколько первых зеркал были испорчены). Затем заготовку шлифовали. При её этом было выработано 15000 карат алмазного инструмента и «стёрто» почти 30 тонн стекла. Полностью готовое зеркало стало весить 42 тонны.

Доставка зеркала  с 12 мая по 5 июня 1974 года

Доставка зеркала на Кавказ стоит отдельного упоминания. Сначала к месту назначения был отправлен муляж такого же размера и веса. В маршрут были внесены некоторые коррективы — построены 2 новых речных порта, 4 новых моста и укреплено и расширено 6 уже существующих, проложено несколько сотен километров новых дорог с идеальным покрытием. В общей сложности создание уникального зеркала продолжалось в течение 10 лет.

.

Монтаж верхней части трубы БТА. Август 1970 г.

Только 30 декабря 1975 года телескоп был введён в эксплуатацию. Для БТА была организована «Специальная астрофизическая обсерватория» Академии наук СССР (ныне называемая САО РАН).

Большой телескоп азимутальный. Современное состояние.

За 45-летний период эксплуатации телескопа его зеркало несколько раз менялось.  Первое зеркало работало в обсерватории с 1975 по 1979 год, после чего было заменено на более совершенное, которое простояло до 2017 года. В 2018 году телескоп получил новое зеркало, но почти год испытаний показал, что оно не столь эффективно как ожидалось. Поэтому в середине 2019 года было принято решение вернуться к старой астрономической конструкции,. Планируется лишь обновить отражающий слой старого зеркала. (Основные работы по модернизации Телескопа приведены в приложении1). Хотя с 1993 года БТА перестал быть самым большим телескопом, но все же он был и остается уникальным инструментом ученых-астрономов.

Техническое устройство телескопа.

Я, когда приезжаю к дедушке, еду с ним на телескоп. Сейчас здесь проводят экскурсии для всех желающих.

Телескоп имеет высоту 75 метров. Из них 25 метров находятся под землёй. Вращается телескоп на 360 градусов в обе стороны. Запускающее устройство организовано таким способом, что достаточно приложить усилие в 5 кг, чтобы запустить 900-тонную махину. Поверхность зеркала от непогоды и осадков закрывает забрало в куполе, которое раздвигается на 11 метров. Вот такое огромное окно в Космос, в которое смотрит «Око» планеты..

В ращение купола обеспечивается по рельсам настоящим железнодорожным механизмом.

А вся 142-тонная махина телескопа опирается практически на одну точку.

Основную массу на себя принимают гидростатические подушки, которые поддерживают телескоп за «талию».

Весь телескоп и его система наведения — альт-азимутальная монтировка — практически плавает на тончайшем слое масла. Эта система позволяет вращать тяжелую конструкцию совсем небольшими электродвигателями через червячную передачу. Точное ведение телескопа обеспечивает совсем уж двигатель-малыш (на фото черный). Желтые стойки по бокам — домкраты, которые позволяют поднимать телескоп, если есть необходимость в ремонте монтировки.

Любопытно, что у купола и у телескопа два разных фундамента. Поэтому когда в купол ударяют шквальные порывы ветра или в жару одна сторона нагревается на солнце, а вторая остывает в тени, телескоп практически не ощущает этих воздействий, т.к. его фундамент заложен отдельно. Следствием такого конструктивного решения стал шов на полу, отделяющий части здания опирающиеся на разные фундаменты.

Гидростатические подушки обвиты трубами гидравлической системы. Это оборудование, которое заботится о том, чтобы телескоп всегда “плавал” в масле, красные под высоким давлением, желтые — под низким. Для работы системы требуется очищать масло и постоянно поддерживать высокое давление. Этим занимаются агрегаты в другом помещении, и вот тут уже движки насосов побольше.

Мне дедушка, рассказывает, чтораньше, чтобы смотреть в телескоп, астрономы зимой одевали тулупы и валенки, залазили кабину наблюдателя, он называется «стакан», и смотрели в звёздное небо. В настоящее время, наблюдения ведут из научного посёлка Нижний Архыз,по оптоволоконному кабелю.

Ночью, во время наблюдений в башне находятся две группы: инженерная служба и сами астрономы-наблюдатели. Инженерная служба состоит всего из 3 человек, и фактически именно она подготавливает телескоп к наблюдениям и следит за ним во время работы. Количество же астрономов, присутствующих в башне во время наблюдений, от ночи к ночи варьируется. Их может быть два, а может и десяток. Это зависит от того, по скольким научным программам будет работать телескоп (от одной до четырех). Перед началом работы астрономы вместе с инженерной службой устанавливают на БТА соответствующее оборудование, а ночью наводят телескоп на нужные объекты, следят за ходом наблюдений и сбором научной информации.

БТА используют для работы учёные из разных стран мира. На сайте САО РАН можно записаться в очередь, чтобы посмотреть в телескоп. Правда, записаться могут только профессиональные астрономы, и очередь расписана на несколько лет вперёд.

Между прочим, посетить БТА может любой желающий. Чтобы посмотреть на этот азимутальный телескоп, необходимо лишь купить билет, ну и, конечно, добраться до самой обсерватории. Экскурсии проводятся регулярно. Расписание и стоимость посещений можно узнать на официальном сайте САО РАН.

Кроме того, на этом же сайте можно увидеть, как работает БТА («Большой телескоп азимутальный»). В отдельном разделе доступны трансляции с нескольких онлайн-камер. Они ведут вещание из обсерватории, из комнаты управления, а также показывают то, что «видит» сам телескоп. В этом разделе также приводится исчерпывающая информация по условиям, в которых работает телескоп.

I V. Основные научные результаты, полученные на БТА.

К сожалению, не все результаты работы БТА можно узнать в открытом доступе. Большая часть информации является недоступной для общественного пользования.

С помощью телескопа нашим ученым удалось совершить много открытий, таких, как:

1. Определены массы у 1500 галактик в двойных и тройных системах. Доказано, что вклад темной межгалактической материи невелик и основная масса вещества во Вселенной сосредоточена в самих галактиках.

Крабовидная туманность

  2. По измерениям на БТА красных смещений у далеких богатых скоплений галактик обнаружен гигантский пустой объем пространства размером 1 миллиард световых лет, существование которого противоречит выводам стандартных космологических гипотез.
3. Открыт один из самых молодых объектов Вселенной — голубая карликовая галактика SBS 0335-052 с содержанием кислорода в 50 раз меньше, чем в нашей Галактике.
4. В результате измерений магнитных полей у нескольких сотен звезд обнаружено, что аномалии химического состава и магнитные поля у них возникают до включения основного цикла термоядерных реакций в центре звезды.
5. Обнаружен новый класс явлений в двойных звездных системах с рентгеновским излучением — оптические вспышки нетепловой природы длительностью от 1 миллисекунды до 1 секунды, возникающие при взаимодействии плазмы с черной дырой или нейтронной звездой.
6. При спектральном обзоре голубых объектов Маркаряна обнаружено более 500 новых галактик с активными ядрами и квазаров.
7. Открыт квазар SBS 1425+606 с красным смещением z=3.16, который по своей абсолютной светимости является одним из ярчайших объектов Вселенной.
8. На основе массовой спектроскопии звезд установлено, что наиболее активно процессы обогащения нашей Галактики тяжелыми элементами протекали в эпоху формирования спиральных рукавов, в последние же 5 миллиардов лет существенного обогащения галактического диска тяжелыми элементами не происходило.

Заключение.

Изучив подробно историю создания и устройство телескопа, основные научные достижения наших ученых, я пришел к выводу, что БТА является телескопом мирового класса. Мне посчастливилось побывать в обсерватории и своими глазами увидеть, как работает телескоп.

Когда путешествуешь по таким объектам, и изучаешь, например, историю создания зеркала телескопа, приходит понимание насколько велико все-таки человеческое желание заглянуть за горизонт неизвестности. Стремление изучать пространство вокруг себя, желание понять, что же там в небе, какие законы управляют Вселенной, сподвигло людей на такое дело. Тысячи инженеров, конструкторов, оптиков, гидротехников, решали задачи, которые никогда бы не возникли перед ними, если бы советскую науку не интересовал космос. И все труды, которые они приложили тогда, работают как часы и сегодня.

Я считаю, что моя гипотеза исследования по результатам работы полностью подтвердилась, наличие БТА привело к прорыву в освоении космического пространства в нашей стране.

Ученых мира до сих пор поражает уникальная технология изготовления всех составляющих этого телескопа - невероятная точность, которая не превзойдена до сих пор ни одной страной. Плюс к тому - новаторская для того времени возможность вращения его по оси и азимуту. Телескоп обеспечивает двенадцатый класс точности и может заглянуть на 28 звездных величин. Он способен увидеть край Вселенной за миллиарды световых лет. К тому же на нем впервые была использована ЭВМ, которая в то время занимала целую комнату. Не случайно этот российский телескоп называли оком планеты.

Большая светособирающая способность телескопа дает возможность проводить исследование структуры, физической природы и эволюции внегалактических объектов, детальное изучение физических характеристик и химического состава пекулярных, нестационарных и магнитных звезд, исследование процессов звездообразования и эволюции звезд, изучение поверхностей и химического состава атмосфер планет, траекторные измерения искусственных небесных тел на больших расстояниях от Земли и многое другое.

С его помощью были проведены многочисленные уникальные исследования космического пространства: изучены самые далекие из наблюдавшихся когда-либо с Земли галактик, оценена масса местного объема Вселенной, разгадано множество других загадок космоса. Петербургский ученый Дмитрий Вышелович с помощью БТА искал ответ на вопрос, дрейфуют ли фундаментальные постоянные во Вселенной. По итогам наблюдений он сделал важнейшие открытия. Астрономы со всего мира записываются в очередь, чтобы провести наблюдения с помощью знаменитого русского телескопа. Отечественные телескопостроители и ученые накопили благодаря БТА огромный опыт, позволивший открыть пути к новым технологиям изучения Вселенной.

.

Литература

 На крупнейшем в России телескопе обновят оптику, Lenta.ru.

 Пикельнер С. Б. Шайн Г. А. (1892—1956) // Историко-астрономические исследования / Отв. ред. П. Г. Куликовский. — М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957. — Вып. III. — С. 554—555.

 Проект БТА: исследование, состояние и перспективы.

 Панчук В. Е., Афанасьев В. Л. Астроклимат Северного Кавказа — мифы и реальность. «Астрофизический бюллетень». 2011, том 66, № 2, с. 13.

 Келли Битти (Kelly Beatty). Новый глаз для гигантского российского телескопа. на сайте inoСМИ.ru. Архивировано 19 июля 2013 года.

 Зазеркалье Галактики. корпорация «Роскосмос».

 Ростех установил астрономическую оптику на самом большом в Евразии телескопе // Ростех

 Тестовые наблюдения на крупнейшем в России телескопе начались в КЧР, ТАСС. Дата обращения 30 ноября 2018.

 Сергей Кузнецов. Обновленное зеркало снимут с телескопа БТА. nplus1.ru (3 июня 2019). Дата обращения: 7 января 2020.

 Юлия Бычкова. Крупнейший телескоп России вновь разглядел звезды, Коммерсантъ (6 октября 2019). Дата обращения 7 января 2020

14.: https://fb.ru/article/267835/teleskop-nujen-dlya-chego-zaglyani-v-kosmos

15. https ://fb.ru/article/267835/teleskop-nujen-dlya-chego-zaglyani-v-kosmos

16. http://www.krugozors.ru/samye-...

17. http://www.seti-ceti.ru/321

18. http://www.blago-mh.ru/issues/...

19 http://lzos.ru/content/view/26...

Приложение 1

Основные работы по модернизации комплекса БТА, выполненные после сдачи телескопа в эксплуатацию и направленные на реализацию его проницающей силы

I. Содержание работы: замена главного зеркала БТА.

I.1. Результат работы: выигрыш в проницающей силе 20-25% за счет большей площади и качества поверхности.

I.2. Основные исполнители: совместная работа НПО "Оптика" и ПО "Рубин" с участием САО и ООФА.

I.3. Перспективы работы: изготовление ситаллового ГЗ БТА с повышенным качеством поверхности. Исполнитель: ПО "Рубин".

 2. Содержание работы: юстировка оптики телескопа, исследование и устранение нестабильности положения ГЗ БТА.

2.1. Результат работы: выигрыш в проницающей силе, сокращение затрат наблюдательного времени на наведение и коррекцию.

2.2. Основные исполнители: совместная работа ЛОМО, ЦНИИГАиК и САО.

2.3. Перспективы работы: создание локальных корректоров волнового фронта. Исполнитель: САО РАН.

 3. Содержание работы: разработка концепции терморежима подкупольного пространства, запуск в эксплуатацию автоматической системы вентиляции.

3.1. Результат работы: перепад температуры наружной и внутри купола не превышает 2.5˚ в 80% случаев.

3.2. Основные исполнители: САО РАН (СЭК БТА).

3.3. Перспективы работы: модернизация системы маслопитания (единая однобаковая система маслопитания, регулировка температуры масла), доработка системы  вентиляции купола наружным воздухом. Исполнители: САО РАН (СЭК BTA).

 4. Содержание работы: Исследование ошибок геометрии телескопа и внедрение программной системы коррекции ошибок наведения.

4.1. Результат работы: размах распределения ошибок наведения  ≤ 10″, среднеквадратичная ошибка  ≤ 3" по обеим координатам. Устранены тренды ведения. Создана база для дистанционного управления.

4.2. Основные исполнители: совместная работа ЛОМО, ЦНИИГАиК и САО.

4.3. Перспективы работы: уточнение модели, устранение люфтов, создание банка программ подготовки к наблюдениям. Исполнитель: САО РАН.

 5. Содержание работы: разработка проекта замены и модернизации АСУ БТА. Замена УВК АСУ БТА. Исследование ошибок ведения, построение динамической модели БТА. Первые результаты по демпфированию колебаний телескопа.

5.1. Результаты работы: показана возможность устранения высокочастотных ошибок ведения. Внедрен новый УВК на базе современных РС.

5.2. Основные исполнители: совместная работа САО, ЛОМО и ЦНИИТОЧМАШ.

5.3. Перспективы работы: переработка проекта АСУ-М-БТА, модернизация АСУ БТА, повышение эксплуатационных характеристик и снижение эксплуатационных расходов. Достижение современных точностных характеристик ведения и наведения. Исполнитель: САО РАН (при внебюджетном финансировании).

Просмотров работы: 30