Täheteaduse titaanid

Foto:ESA

Mida kaugemale kosmosesse soovitakse näha ja sealt aina väiksemaid objekte aina täpsemalt üles leida, seda suuremaid vaatlusinstrumente on vaja. Valmimas on kaks nii suurt teleskoopi, millest kümmekond aastat tagasi poleks keegi julgenud isegi unistada.

Kui Euroopa Lõunaobservatoorium ehk ESO sai 1999. aastal valmis Tšiilis Paranalis paikneva VLT-teleskoobi (Very Large Telescope), siis kippus neist rääkijail ülistavatest superlatiividest puudus kätte tulema. ESO ehk European Southern Observatory on 14 Euroopa riiki ning Brasiiliat ühendav astronoomiaalaste uurimistööde ühendus. Tegelikult koosneb jutuks olev VLT-teleskoop kaheksast teleskoobist, millest nelja peapeegli läbimõõt on 8,2 m ja nelja ülejäänu tavateleskoobi oma 1,8 m. Need suured teleskoobid võivad töötada igaüks eraldi, kuid neid võib ühendada ka üheks, valguse interferentsil põhinevaks hiigelteleskoobiks. Piltlikult on siis tegu justkui kogu mäetippu katva tohutu teleskoobiga, millega näeb neli miljardit korda paremini kui palja silmaga!
Hiljem on tehtud suuremaidki üksikteleskoope ja praegu on suurima peegliga, sõltuvalt arvutusmetoodikast, kas Kanaaridel La Palma mäetipus asetsev Gran Telescopio Canaris või Lõuna-Aafrikas olev SALT ehk Southern African Large Telescope. Kummagi peegli diameeter on üle 10 m ja neile lähedase suurusega on veel paar teleskoopi. Need ehitised on tõesti suured, näiteks SALT koos teda katva kupliga on kui suur 10-12korruseline maja.

Hiiglane suruti kokku
Kui VLT-teleskoobi peeglid on lihvitud õigesse kujusse ühest hiiglaslikust klaasplokist (titaanlik täppistöö), siis kümnemeetriste teleskoopide peeglid koosnevad mitmetest tükkidest. Kõik peeglitükid on ühesugused ja üheskoos moodustavad sfäärilise pinna, mille kumerust on võimalik arvuti abil timmida, jälgimaks uuritavat objekti justkui ühe peegliga.
Kui enam kui kümme aastat tagasi hakati unistama uue põlvkonna teleskoopidest, tekkis ESOl soov ehitada sajameetrise peegliga teleskoop, pannes selleks kõrvuti terve hulga väiksemaid peegleid. Projekt sai nimeks OWL (Overwhelmingly Large Telescope), ehk siis vapustavalt suur teleskoop. Selle kaitsekupli kõrgus oleks olnud poole Eiffeli torni kõrgune ja peegli pindala palju suurem kui kõigi seni valmistatud teleskoobipeeglite pinnad kokku.
Põhimõtteliselt oleks OWLi ehitamine olnud ka võimalik, kuid täpsemaid arvutusi tehes ilmnes, et selle maksumus läheb liiga suureks. Siis kärbiti projekti algul poole väiksemaks ning seejärel veel natuke. Sellega muutus ka projekti nimi E-ELTiks ehk European Extremely Large Telescope. Kuid ka see kärbitud versioon tuleb muljetavaldav – peegli läbimõõduks tuleb 39,3 meetrit.
Hind langes siiski mitte nii palju, umbes 1,3 miljardilt natuke üle miljardi peale, kuid valmis saab see nüüd hoopis kiiremini. E-ELT ehitamiseks löödi käed ESOs 2012. aasta juunis ja 2014. aasta jaanipäeva paiku tehti Tšiilis üle 3000 m kõrguse Cerro Armazonesi mäel juba õhkimistöid, et valmistada ette ehitusplats. Esimesed vaatlused loodetakse teha 2020ndate aastate algul.
Miljard eurot tundub palju, kuid rahvusvahelise koostööprojektina, jagatuna kümmekonna aasta peale, ei ole see enam nii masendav.

Peeglid seeriatoodanguna
Suur mosaiikpeegel valmistatakse 798st kuusnurksest peeglist, kusjuures iga läbimõõt on 1,4 m. Suur peapeegel peegeldab kujutise abipeeglile, abipeeglist saadud peegelpilti saab seejärel mitmete uurimisseadmetega töödelda. Ka abipeegel on suur, läbimõõdult kuus meetrit. Seegi pannakse kokku väiksematest peeglitest.
Peapeegli valgust koguv ala on tohutu, 978 m2, ehk siis umbes neli tenniseväljakut. Peapeegli koostamine väiksematest on tark tegu, sest teleskoopi saab hakata kasutama juba enne selle lõplikku valmimist. Tulemused muutuvad aina paremaks, mida enam peegleid mosaiiki lisandub.
Tükkidest tehtud sfäärilise peegli negatiivne külg on aga see, et see ei peegelda valgust väga täpselt ühte ja samasse punkti. Selle tõttu on kahe suure sfäärilise peegli kohta vaja abiks veel kolmandat, ühest klaaskehast väga täpselt lihvitud, valguse kulgemist korrigeerivat peeglit. Selle üliõhukese, läbimõõduga 2,5 m peegli valmistamine on üks suuremaid pähkleid kogu teleskoopide komplekti projekteerimisel ning valmistamisel.
Vastavalt tänapäevasele praktikale on see täpsustav peegel aktiivses kasutuses, arvuti poolt juhituna kõrvaldab ta atmosfäärimõjudest tingitud valguse värelusi. Kuna peegel ise on üliõhuke ja sellel on 5000 liigutatavat punkti, siis peegli pinda saab muuta tuhat korda sekundis (!). Seega kiiremini kui atmosfäär suudab häirida temast läbi kulgevat valguskiirt. Tänu sellisele adaptiivsele optikale oleks kogu teleskoopide kompleks nagu avakosmoses – atmosfäär ei takista vaatlusi kuigi oluliselt.
Peegli töö juhtimine nõuab suurt arvutivõimsust, aga sellist arvutit pole praegu veel olemaski. Kuid nagu see on olnud VLT ja teistegi suurte teadusprojektide puhul, tuleb nüüdki loota, et ka arvutid arenevad kiires ennaktempos üha võimsamateks. See lootus ei ole veel kordagi alt vedanud, tegelikkus on aina positiivselt üllatanud.
Tõsine väljakutse on ka suure hulga peeglite seeriatoodanguna valmistamine. Tootmise taktiks võib kujuneda peegel päevas, puhkepäevi välja arvates võib ainuüksi nende valmistamine võtta aega ligi neli aastat.

Püritakse mäetippu
Kui algsed mõtted hakkasid 2006. aasta lõpus reaalseteks muutuma, hakati kohe otsima ka teleskoobile sobivat paika. Kuna lõunataevas on põhjataevast tunduvalt ahvatlevam – on ju Linnutee kese seal –, siis oli selge, et uus hiiglane peab saama koha kuhugi lõunapoole.
Kõige parem paik oleks olnud Antarktika, kuid teleskoobi paigaldamine sinna oleks läinud väga kalliks ning selle kasutamine ning hooldamine veelgi kallimaks. Nõnda valiti lõpuks Cerro Armazonese mägi Tšiilis. See oli sobiv kompromiss tänu käepärasele asukohale ja headele vaatlusoludele. Ka VLT paikneb Cerro Armazoneselt umbes 20 kilomeetri kaugusel ning nõnda saab tema infrastruktuuri kasutada nii E-ELTi ehitamise ajal kui ka hiljem.

Ruutkilomeetrine raadioteleskoop
Kui E-ELT vaatleb kosmost infrapunavalguse lainepikkustel, lootuses leida silmaga eristatavaid objekte, siis teine ehitamisel olev hiidteleskoop püüab kosmosest tulevaid raadiolaineid.
Osa universumi objektidest saadab välja rohkem raadio- kui valguslaineid, samas raadiolained levivad kosmoses olevatest gaasidest ka paremini läbi. Erinevatel lainepikkustel saadud tulemused täiendavad üksteist, seepärast pole ime, et astronoomid tahavad suure silma kõrvale ka suurt kõrva.
Algul oli mõte koostada eraldi seisvatest üksikutest paraboolantennidest koosnev üks hiiglasuur vaatluskompleks, mis ühtekokku oleks olnud läbimõõdult üle kilomeetri. Nimeks anti talle SKA ehk Square Kilometre Array. Selle asukohaks pakuti kas Austraaliat või Lõuna-Aafrikat, kuid arutelude ja kaalumiste kompromissi tulemusena otsustati see jagada nende kahe vahel. Otsuse positiivne külg on see, et nii moodustub poolt maakera hõlmav süsteem, st eri mandritel paiknevad osad toimivad üheskoos kui üks terviklik teleskoop.

Interferomeetria alged
Tavalise teleskoobi puhul määrab läbimõõt selle, kui väikesi objekte sellega näha saab. Ka paraboolraadioteleskoobi puhul määrab suurus selle täpsuse. Seepärast on põhimõte väga lihtne – teleskoobi lahutusvõime suurendamiseks tuleb see teha võimalikult suur.
1950ndatel aastatel avastati, et kui ühendada kahe teineteisest eemal asetseva raadioteleskoobi signaalid, saadakse tulemusena vaatlustäpsus, mis vastab sellisele täpsusele, mis saadakse antenniga, mille läbimõõt oleks sama suur kui nende kahe vaheline vahemaa.
Alguses oli signaalide ühendamisega suuri raskusi ja alles 1970ndatel jõuti arvutiteni, mis suutsid läbi keeruliste matemaatiliste tehete jõuda signaalide ühendamiseni. Siis ehitatigi näiteks Ühendriikides paiknev kuulus kompleks VLA (Very Large Array), mille 27 paraboolantenni paiknevad New Mexico kõrbemaastikul.
Praegusaja suurim raadioteleskoop on Tšiilis paiknev 66st ülitäpsest antennist koosnev ALMA (Atacama Large Millimetre Array). See asus tööle 2013. aasta märtsis, pärast kümmekond aastat kestnud ehitamist.
Valguslainete signaalide ühendamine on keerulisem ja õnnestub edukalt vaid väiksemas mõõtkavas, nagu näiteks VLT puhul. Seevastu raadioteleskoope saab ühendada üheks tervikuks kas või paljudest maakera eri kohtadest – ja sellel uue raadioteleskoobi olemus põhinebki.

Aafrika versus Austraalia
SKA hange sai hoo sisse 1990ndate alguses ja kohe hakati otsima kohta uuele teleskoobile. See pidi olema võimalikult kaugel kõigist võimalikest raadiohäirete põhjustajaist, kuid samas olema enam-vähem hästi ligipääsetav. Lisaks pidi asukoht olema kõrbeline ja tasane. Lõpuks jäid valikusse vastakuti Lõuna-Aafrika ja Austraalia ning ja mõlemale poole ehitati katseantennid. Mõlemad püüdsid hanget vedavat organisatsiooni veenda oma paremuses.
Tulemusena sündiski otsus paigaldada antennid mõlemale kontinendile, nii et mõlemal tekiks oma tuumik ja sinna juurde kuuluv eri lainepikkustel töötav osa. Arenduse käigus kumbagi tuumikut laiendatakse, mistõttu lõpptulemus saab olema isegi palju parem kui algne idee ette nägi.
Samas hind seeläbi muidugi tõusis. „Kahenabaline” SKA läheb maksma üle 1,5 miljardi euro, kuid see tuleb jaotada umbes kümne aasta peale.
Keskus saab olema Lõuna-Aafrika keskosas paikneval Karoo kõrgplatool, kus asetseb ka eespool mainitud SALT-teleskoop. Austraalias laiendatakse maa lääneosas paiknevat Murchisoni raadioobservatooriumi ja SKA-antennid paigaldatakse sinna.

Kolme tüüpi nutiantennid
SKA kasutatav sagedusala ulatub 70st MHz-st 30ne GHz-ni, mis tähendab, et selle kasutatavad lainealad ulatuvad analoogtelevisiooni ja raadio VHF-alast WLAN-võrkude ja satelliitside poolt kasutatava SHF-mikrolainealani. Pikemate lainepikkuste vastuvõtmiseks on dipoolantennid, lühemate jaoks paraboolantennid. Sellesse vahemikku jääv laineala kaetakse 250 nutiantenniga. Nutiantenn tähendab seda, et kogu antennide kogumi signaalid ühitatakse, mis nõuab suurt arvutivõimsust ning selle juurde vastavaid algoritme. Samas saab iga antenni eraldi elektriliselt suunata, mis võimaldab jälgida taevalaotuse eri suundi ühel ja samal ajal.
Ega teisedki antennid ole jäetud nutikuseta: näiteks dipoolantennid võivad toimida üheskoos kui üks suur kari. Paraboolantennid valmistatakse komposiitmaterjalidest ja nad varustatakse mitmesuguste vastuvõtjatega, nii et nad võivad teha vaatlusi üheaegselt erinevatel lainepikkustel jne. Peaaegu kõik paraboolantennid ja kesklainepikkustel töötavad antennid paigaldatakse Lõuna-Aafrikasse. Originaalse, üle kilomeetrise antennikogumi äärmistest osadest moodustatakse suur spiraal, mis ulatub otsapidi naaberriikidesse ning mille läbimõõduks saab olema 3000 kilomeetrit.
Ka Austraaliasse ehitatakse paraboolantenne, mida tahetakse kasutada kiiresti liikuvate nähtuste/objektide avastamiseks. Austraaliasse tuleva keskuse tähtsaim osa moodustub tuhandetest ja tuhandetest pooleteistmeetristest dipoolantennidest, mis on mõeldud pikkadele lainepikkustele. Eriti tahetakse seda kasutada taevaruumi kaardistamiseks.
Niiviisi Aafrikas ja Austraalias olevad SKAd täiendavad teineteist ja samas võivad toimida ka eraldi. Kuid neid võib ka liita üheks ja siis moodustub hiiglaslik, läbimõõdult ligikaudu 6000 kilomeetrini ulatuv raadioteleskoop.
SKA saab olema väga tundlik ja täpne. Selle juures on rõhutamist väärt tema võime toimida ühel ja samal ajal erinevatel lainepikkustel, kusjuures temaga saab vaadelda taevast nii panoraamselt kui keskenduda mõnele üksikobjektile. Väikseimad üksikobjektid, mida saab vaadelda, võivad ulatuda vaid 0,05 kaaresekundini.
Ehitamisega alustatakse 2016. aastal. Esimese asjana paigaldatakse Lõuna-Aafrikasse 190 paraboolantenni (eelnevalt on seal juba 64 katseantenni) ja Austraaliasse 60 paraboolantenni (mis ühendatakse 36 olemasoleva testantenniga) ning 50 dipoolantennide kogumit, mis on moodustunud umbes 10 000 väikesest antennist. Kasutusse võetakse SKA aastal 2020, samas selle laiendamist jätkatakse.
Ehitamise teises järgus paigaldatakse Aafrika lõunaossa Namiibiasse, Botswanasse, Sambiasse, Mosambiiki, Keeniasse, Ghanasse, Madagaskarile ning Mauritiusele ühtekokku 3000 antenni. Peale selle rajatakse Lõuna-Aafrikasse veel 250st jaamast koosnev kesklainealal töötav üksus. Ka Austraalias tõuseb dipoolantennijaamade üldarv 250ni.

Mis kasu neist hiiglastest on?
Astronoomid püsivad vaevu kahe jalaga maas, kui hakkavad kirjeldama SKA ja E-ELT võimalusi.
SKA abil loodetakse eeskätt saada selgusele, kuidas moodustuvad mustad augud, mõista, mis on pime energia, kuidas õieti toimib gravitatsioon ja kus sünnivad Universumi magnetväljad.
SKA vaatlustäpsus on nii suur, et see suudab esimese vaatlusinstrumendina eristada struktuure, mis sündisid mitmeid tuhandeid miljoneid aastaid tagasi pärast Suurt Pauku. Samuti sellele eelnevast ajast, millest ei ole mingeid tähelepanekuid, kuid sel ajal juhtus väga palju – siis sündisid esimesed tähed, galaktikad ja mustad augud.
SKA abil saab luua ka kolmemõõtmelise kaardi varasest Universumist. See omakorda võib olla suureks sammuks edasi kosmoloogias, et aidata leida Universumi algaegadel toimunud muutusi kirjeldavaid mikrolainelisi taustakiirgusi.
E-ELT abil on võimalik avastada ligi 10 000 korda nõrgemaid objekte ja loodetavasti palju täpsemalt kui praegu.
Saadud tulemused aitavad paremini mõista tähtede arengut ning eriti seda, kuidas Universumi algaegadel tähed moodustusid. E-ELT abil loodetakse kaardistada sadu ja sadu tähti ja teha meie päikesesüsteemist väljapoole jäävate planeetide spektrite uuringuid, mis tõenäoliselt aitavad leida elu kandvaid planeete.
E-ELT suudab eristada kosmiliste vahemaade mõõtmiseks kasutatavaid kirkamaid tähti sada korda kaugemalt kui praegu kasutatavad teleskoobid ja lõpuks mõõta ka seda, kui kiiresti universum paisub.
Üheskoos – või ka eraldi – võivad need hiiglased meile kinkida selliseid avastusi, milliseid me ei oska praegu isegi ette kujutada.
Mõlemast teleskoobist on ka selge kõrvalkasu, sest need soodustavad tehnika arengut. Eelkõige peaks siit kasu tõusma materjalide tehnoloogias.
Teine valdkond, mis on juba praeguseks saanud kasu suurtest teadushangetest, on massiivsete teadusandmete kogumine, talletamine ning töötlemine nii tehniliselt kui programmiliselt. Näiteks SKA arvatakse tootvat ühes ööpäevas nii palju toorinfot, et sellega saaks täita 15 miljonit 64gigabaidist mälukaarti. Paraboolantennidest tulev infovoog ületab umbes kümnekordselt kogu interneti andmemahu ja dipoolantennide oma veel kümme korda enam – see oleks siis üle saja korra enam kui kogu nüüdisaja interneti maht. Ja see saab arvatavasti olema veelgi suurem, sest uurijatel on tavaks pigistada uurimiseks mõeldud seadmeist välja kaugelt enam kui kavandatud.

KUI kunagi peaks neile hiiglastele tehtama laiendusi või täiendusi, siis võib küllaltki tõenäoliselt juhtuda nii, et neid ei ehitata enam Maale. Kuu tagakülg on häiretest vaba ja seetõttu eriti hea koht nii raadio- kui optilistele teleskoopidele. Kusagil 2050. aasta paiku võib sinna minek ja seal toimetamine olla täiesti reaalne.

Lisa kommentaar

Turvaküsimus: *