Jätteteleskop från Lund

Astronomerna har på sina ritbord teleskop som får dagens jättar att krympa till lilleputtklassen. De drömmer om att kunna se stjärnornas ljus med hjälp av en spegelyta som är hundra gånger större än de största teleskopen har i dag. Ljus som det i dag kan ta ett helt år att samla ska det gigantiska ögat få in på en enda natt.

I sina vildaste drömmar ser astronomerna framför sig ett teleskop med en spegel på 100 meter i diameter. Det kallas Overwhelmingly Large, eller OWL – Ugglan, och ritas av Europeiska sydobservatoriet, ESO. Ytan är tio gånger större än den sammanlagda ytan på alla hittills byggda spegelteleskop i världen.

Då är Lundastronomernas 50-meters ”Euro50” en mindre anspråksfull variant. Den har Torben Andersen, professor i astronomi, med kolleger från Lunds universitet skissat på sedan 1991.

– Vi tror att ett 50 meter stort teleskop är det största som går att bygga till ett rimligt pris, säger Torben Andersen.

Blir till i samarbete

Prislappen på det lundensiska förslaget uppskattas till ungefär 750 miljoner dollar (ca 8 miljarder kronor), en summa som gör att det säkerligen inte blir många sådana byggen i världen.

– Jag gissar att man kommer att bygga ett eller måhända två nya jätteteleskop på jorden, och i så fall ett på norra och ett på södra halvklotet. Vi blir alltså så småningom tvungna att slå oss samman med andra grupper och bilda ett internationellt konsortium som sedan ska enas om ett gemensamt projekt.

Förutom Ugglan konkurrerar Lundateleskopet med två amerikanska 30- till 50-metersteleskop: det kaliforniska CELT (California Extremely Large Telescope) och GSMT, ett Arizonabaserat bygge som också är på projekteringsstadiet. Fast det kaliforniska teleskopet har redan funnit en privat finansiär inom datorindustrin. Och svenskarna inledde i somras ett samarbete med Spanien. Då kan man fila på projektet ytterligare, och till sist kanske någon finner teleskopet värt att satsa pengar på, hoppas Torben Andersen.

Gränsen för det möjliga nådd

För bara 50 år sedan tyckte man sig ha nått gränsen för hur stora rymdögon som är möjliga att bygga över huvud taget. Året var 1948 och det nyaste tillskottet – Haleteleskopet på Palomarberget i Kalifornien – stod färdigt att börja samla ljus från de mest avlägsna stjärnorna i sin drygt fem meter stora spegel.

Haleteleskopet var då inte bara det yttersta som ingenjörskonsten kunde sträcka sig till. Länge trodde man att luftrörelser i atmosfären skulle sätta stopp för möjligheten att få fram ännu skarpare bilder. I 25 år stod Haleteleskopet i ensamt majestät, om än med något haltande optiska egenskaper, tills ryssarna bestämde sig för att överskugga det med en ännu större spegel.

På Pastukhovberget i Kaukasus ställdes 1975 ett 6 meter stort teleskop, BLA – Bolshoj Teleskop Azimutalny. Den stora spegeln var dock vindögd och 1978 fick man tillverka en ny, som 1992 ersattes av en ännu nyare spegel.

Det ryska teleskopet lyckades dock aldrig bli den astronomiska sensation som man hoppats på. Men den medförde flera briljanta tekniska innovationer som banade väg för vidare utveckling.

Misslyckanden med stora teleskop och svårigheterna att få bukt med atmosfärens störande effekter ledde till att sedan länge smidda alternativa planer gick i uppfyllelse: ett rymdteleskop började ta form på 1970-talet. Även detta teleskop fick ett något suddig blick när det till slut sändes upp i april 1990. Men felet rättades så småningom till. Med rymdteleskopet Hubble svävande 600 kilometer ovan jorden får man fortfarande fram de skarpaste bilderna i världen: 0,1 bågsekunder i upplösning (1 bågsekund är storleken på en apelsin sedd på 10 kilometers håll).

Men Hubblerekordet håller inte så länge till. För under 1990-talet har astronomerna lyckats fylla jordens höga berg med sina rymdskeppsliknande byggen. Alla trängs på några få av de av astronomerna mest eftertraktade utkikspunkterna på jorden: Mauna Kea, ett 4 200 meter högt berg på Hawaii, Roque des Muchachos, vulkanberget på La Palma, en av de minsta Kanarieöarna, och på 5 000 meters höjd i Atacama-öknen i de chilenska Anderna.

Världens största i dag

De 8 till 10 meter stora teleskopen är en helt ny generation som är byggda efter ungefär samma principer. Från Mauna Kea-toppen på Hawaii spanar ett par tvillingögon, Keckteleskopen, upp mot stjärnhimlen. Med sina speglar med 9,8 meters diameter är de i dag världens största. Grannen på Hawaiiberget är Japans teleskop Subaru, som är det japanska namnet på stjärnbilden Plejaderna. Dess 8,2-meters spegel är bara en decimeter större än Geminiteleskopets som också får dela på himmelsutsikten från Hawaii (bild 1). Geminis tvilling byggdes nyligen färdig på Cerro Pachón i Chile.

Längre norrut i Chile, på Cerro Paranal, står fyra likadana VLT-teleskop (VLT = Very Large Telescope). De har kopplats samman med en underjordisk tunnel där man med tiden hoppas kunna fläta ihop deras fyra ljusknippen så att de tillsammans ska motsvara ett 16-meters teleskop.

Till världens största räknas även det 9,1 meter stora Hobby-Eberlyteleskopet i Texas som har en innovativ och billig design med en spegel som, till skillnad från alla andra teleskop, inte kan förflyttas. Men den ser vad som råkar passera på himlen ovan och snart ställs en förbättrad variant av detta teleskop upp i Sydafrika.

Och flera nya teleskop i den klassen är på väg. Om ett år väntas det första stjärnljuset nå det spanskbyggda Grantecan. Med världens största spegel – 10,4 meter – hamnar det granne med flera nordiska teleskop på vulkanön La Palma. Arizonas Mount Graham berikas år 2004 med LBT, Large Binocular Telescope, siamesiska tvillingteleskop på 8,4 meter var.

Spegeln är i bitar

Numera ser man med tillförsikt på markteleskopens framtid. Förutom att speglarna har blivit allt större, har många tekniska framsteg gjorts. Det är länge sedan man föreställde sig att teleskopen skulle göra hela jobbet själva. I dag utrustas de med ett antal avancerade instrument som dramatiskt förbättrar deras synförmåga.

Redan tidiga fotografiska tekniker i början av förra seklet utökade synfältet från det för ögat synliga ljuset till kortare, dvs blåare, våglängder. Så småningom kunde även infrarött ljus från rymden fastna på fotopappret. I mitten av 1940-talet kom fotomultiplikatorerna som avsevärt kunde förstärka de svagaste ljussignalerna. Dessutom var de elektriska pulserna direkt proportionella mot ljussignalen. Med den s k CCD-tekniken, som började utnyttjas i astronomin på 1980-talet, kan man numera förbättra känsligheten för ljuset tiofalt.

Också själva speglarna anpassas till den ljusvåg som möter dem. Tidigt ute var NOT, Nordiska Optiska Teleskopet, från 1989, vars huvudspegel kontinuerligt omformas för att bäst fokusera ljuset.

De två Keckteleskopen, som i dag är världens största, ser inte ens ut som teleskop. Den stora spegeln liknar en honungskaka och består av 36 sexkantiga segment som kan styras var för sig för att bättre fokusera stjärnljuset.

Men trots att Keck byggdes 4 200 meter över havet är den omgivande luften fortfarande mycket varmare än de temperaturer nära absoluta nollpunkten som råder ute i rymden. Observationerna störs av infraröd värmestrålning. För att slippa detta s k ströljus prövar man en avancerad kylanläggning, och diverse klimatreglerare är något som flertalet av de nybyggda teleskopen utrustats med.

Går inte att frakta

Det har även byggts nya jätteteleskop med monolitiska speglar, dvs i ett stycke. De största i dag är de fyra VLT-teleskopen med en 8,2-meters spegel var. Att i Frankrike tillverka och sedan frakta VLTs speglar till Cerro Paranal-berget i Chile har varit ett stort äventyr. Torben Andersen drömmer inte ens om att kunna upprepa en sådan bedrift med sin femtiometrare. Helst ska den ställas på vulkanön La Palma, dit många svenska astronomer vallfärdar redan i dag, för att man ska kunna utnyttja de teleskop som redan står där.

– Det skulle nog gå att ta jättepjäsen dit över havet, men uppför berget blir det omöjligt. Och så högt upp är luften alldeles för tunn för helikopterfärder med tung last, säger Torben Andersen. Däremot skulle man kunna gjuta och slipa spegeln på plats.

Enligt Lundaastronomerna skulle detta inte bli dyrare än att tillverka en segmenterad spegel och frakta den till La Palma, och dessutom skulle man slippa problem med skarvarna. Fast man har nu övergivit idén att bygga ett glasbruk och ett spegelsliperi på bergstoppen.

– Nej, det är säkrare att välja en mer konventionell metod. Det tar i alla fall mellan tio och femton år från beslutet att starta tills teleskopet står klart. Och vi vill gärna se det färdigt innan vi hinner pensioneras.

Så det blir en segmenterad spegel, med 585 masstillverkade stycken. De sexkantiga segmenten görs av zerodur, ett spegelmaterial som håller formen och inte utvidgar sig med temperaturen och som både Keck och VLT använde. I och för sig finns det nyare material, t ex kiselkarbid, som är både hårda och styva och framför allt lätta. Men dyra. Och det är mycket som går åt – för att hålla formen får spegeln inte bli tunnare än 70 millimeter – hela 5 000 ton, 5 miljoner kilo kommer teleskopet att väga.

De 585 spegelfragmenten ska formas till en parabol och kommer att styras vart och ett för sig för att bäst fokusera ljusvågen.

– För sitt 100-metersteleskop har Europeiska sydobservatoriet tänkt sig en sfärisk spegel. Det är inte den mest perfekta formen, men den är lättare att framställa än parabolen. Därför har de också en konstruktion med fem mindre extra speglar som ska korrigera för bildfelen.

Miljonfaldig förbättring

Men om det finns så många nya och välfungerande teleskop, varför ska man nu satsa på dessa oberäkneliga bjässar?

– De stora teleskopen kommer att revolutionera astronomin på samma sätt som Galileos första teleskop gjorde för 400 år sedan. Vi har räknat ut att vi kommer att få en miljon gånger bättre bilder jämfört med vad man kan få i dagens största teleskop. Det är nästan obegripligt mycket bättre. Men då måste den tekniska utvecklingen hinna i kapp – både datorerna och annan teknik sträckas ut till sitt yttersta.

Jämfört med en 8-meters spegel kommer det ungefär 40 gånger mer ljus in i 50-metersspegeln. Samtidig ökar skärpan mångfalt.

Den egenskapen är dock inte unik för en 50-metersspegel. Världens största teleskop i dag, som Keck och VLT, ska ju kopplas samman just för att få en bättre upplösningsförmåga. Men för att ställa samman en enda bild av ett objekt i dessa multiteleskop behöver ljuset samlas under en längre tid, natt efter natt under den föränderliga himlen. Med ett jätteteleskop får astronomen en sådan bild med detsamma.

Vad är det ni hoppas få se?

– Alla de varierande himlakropparna och processerna i rymden ska kunna studeras i detalj, t ex snabbt roterande stjärnor eller stjärnbildning i avlägsna galaxer. Vi hoppas också att direkt få observera planeterna kring andra solar, de som vi i dag bara har kännedom om via moderstjärnans vibrerande rörelse, säger Torben Andersen.

Och vad man mest hoppas på är de avtryck som planeternas atmosfärer kan lämna i en analys av strålningen. Måhända är detta det enda sättet att få reda på om dessa planeter omges av syrerik luft och följaktligen kan hysa liv som liknar vårt på jorden.

– Om vi hittar supernovor i alltmer avlägsna galaxer kommer flera av kosmologins gåtor att kunna lösas: hur stort och hur gammalt världsalltet är och vart det är på väg.

Supernovorna bör tydligt avtecknas mot det omgivande galaxljuset när upplösningen ökar med hjälp av den nyaste teleskoptekniken. Naturligtvis hoppas alla också på slumpens verkan, den slump som bara möter förberedda hjärnor och låter dem få syn på det oväntade och oförutsagda.

Står och faller med adaptiv optik

Mycket av den nya tekniken är redan utprövad i dag. Men ju större teleskop, desto större utmaningar. Och den mångfaldigt större skalan töjer utmaningarna till randen av det omöjliga.

De nya teleskopen står och faller med s k adaptiv optik, ett system som ska rätta till teleskopbilderna när de förstörs av luftrörelser. För hur högt man än klättrar, och hur torr och stabil luften än är däruppe på teleskopberget, så stör atmosfären ändå observationerna. Stora luftbubblor ovanför teleskopet, kallare eller varmare än omgivningen, fungerar som linser som bryter ljuset på dess väg ner till teleskopspegeln och deformerar vågfronten. Därför blinkar stjärnorna och därför blir bilderna oskarpa.

Adaptiv optik ska korrigera för detta. Teleskopet utrustas med en tunn sekundär spegel som ständigt omformas i takt med att datorn känner av den infallande ljusvågen. Det görs genom att ljusförändringarna mäts från en referensstjärna, en s k guide star, i omedelbar närhet till objektet som man observerar. Förändringarna i vågfronten från referensstjärnan styr sedan den rörliga spegeln som kompenserar för atmosfärens inverkan. Fem hundra gånger i sekunden rättas vågen till genom att spegeln knycklas till åt olika håll med mikrometers precision.

Men man ska ha stor tur för att hitta en ledstjärna på himlen i omedelbar närhet av det objekt som man vill studera. Därför använder astronomerna sig av konstgjorda referensstjärnor som skapas med hjälp av laserljus med bestämd frekvens. När laserljuset når natriumatomerna i luften på 90 kilometers höjd exciteras de och lyser grönt. Datorn analyserar hur den gröna vågfronten varierar när den når marken och styr sekundärspegeln för att kompensera för variationerna.

Mindre bild med större teleskop

Det är först i och med jätteteleskopen som man får den riktigt stora vinsten med adaptiv optik (bild 6). Ljuset möter teleskopet som vågor mot en strand, och bilden av en punkt blir inte punktformig utan får en utsträckning. Men ju större teleskopet är, desto mindre utsträckt blir bilden, och skärpan ökar väsentligt. Utan adaptiv optik sätter luftrörelser en gräns på ungefär 0,5 bågsekunder i bildupplösning.

Med adaptiv optik kan man förbättra skärpan till 0,003 bågsekunder hos ett 50 meters teleskop. Så på sätt och vis hade man rätt för 50 år sedan när man hävdade att luftens rörelser sätter en gräns för vad som är möjligt att se i rymden.

– Det är här som de riktigt allvarliga konstruktionsproblemen dyker upp, säger Torben Andersen. För nästa generation teleskop ser vi den adaptiva optiktekniken som avgörande, och det är här som de största ansträngningarna görs för att hitta den bästa tekniska lösningen. Just nu jobbar drygt hundratalet specialister i världen för att övervinna luftens inverkan. Grunden till denna teknik blev lagd bl a av experter från Star Wars-programmet i USA. De stötte på liknande problem när deras laserpuls som ska sändas högt upp i atmosfären suddades ut på vägen.

För att den adaptiva optiken verkligen ska fungera vill Lundaastronomerna använda sig av 27 grönlysande referensstjärnor. Då går det att korrigera för tre luftskikt på en gång och en större del av himlen får rätt avbildning i teleskopet samtidigt.

Så ordet för dagen är ”multikonjugerad” adaptiv optik: ljuset ska studsa mellan tre korrigeringspeglar. Dessa ska regleras i 70 000 punkter. Det är otroligt mycket som en dator ska hinna med på bråkdelen av en sekund. Inte så märkligt att en datorjätte finansierar teleskopet i Kalifornien.