Телескопы и приборы для оптической космологии. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Дьяченко В.В. САО РАН

Основные направления исследований в оптике Параметры Вселенной Крупномасштабная структура Вселенной Состав Вселенной: Темная энергия Темная материя «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Немного истории. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Темные времена … 1609 г. Земля – шар. Земля – не центр Вселенной. От 1609 (телескоп) до ~ 1900 гг. Солнце – одна из множества звезд. Новые планеты и малые тела в Солнечной системе. От ~ 1900 до ~ 1950 гг. Галактика не одна. Морфология галактик. Закон Хаббла. От ~ 1950 гг. – наше время… До этого вся космология в оптике! Крупномасштабная структура Вселенной. Во Вселенной есть скрытая масса. Эволюция Вселенной. Вселенная расширяется ускоренно. Почему-то.

Приемники излучения. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа вторая половина XIX в.: глаз. XIX - конец XX в.: фотопластинка. 30е гг. XX в. - конец XX в.: ФЭУ Конец XX в. - наше время: ПЗС

Большие телескопы начала XXI века «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Общая площадь к настоящему времени – около 1000 кв.м.

Применение сплошных тонких или облегченных активных зеркал Использование адаптивных вторичных зеркал Использование лазерной техники для достижения дифракционного предела Размеры (~8 м) близки к предельным из-за технологических проблем Типичные инструменты – VLT, Subaru, Gemini N&S, Magellan Стоимость инструментов ~ 100 M$ Вводятся в строй с конца 90-х Телескопы с «классическими сплошными зеркалами». «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Шаровое скопление NGC6934 – без АО (0.6) (слева) и с ее использованием (0.09) (справа). Применение адаптивной оптики на Gemini North.

Главное зеркало состоит из сегментов с D=1-2 м Несущественны ограничения по размеру Являются прообразом ELT Практические проблемы с согласованной работой всех сегментов 10-м телескопы Keck I и Keck II в работе с 1993 и 1996 гг. GTC на о. Ла-Пальма Цена ~ 100 M$ Телескопы с сегментированными зеркалами. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

ESO – VST 2.5 m с 16k* 16k мозаикой на 1 кв.гр. Проблема с ГЗ, ввод в строй в 2005 г. CFHT 3.6 m – MegaPrime / MegaCam c 18k*20k мозаикой на 1 кв.град. Испытан в конце 2002 г. VISTA – оптический/ИК 4-м телескоп с полем > 2 кв.град. Оптика для VST и VISTA – с участием России (ЛЗОС) Широкоугольные телескопы для обзоров. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

VLTI – 4 8 м VLT + (1-4) 1.8m AT с базой до 200 м и угловым разрешением ~ Keck I,II интерферометр – база 85 м LBT – 2 x 8.4 м телескопа на единой монтировке с базой 23 м Интерферометрические комплексы. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Пучки, собранные двумя и более телескопами, отъюстированы так точно, что каждая световая волна может быть выделена и объединена со своей другой частью. Выигрыш в угловом разрешении пропорционален не диаметру зеркала, а расстоянию между телескопами. Поле зрения каждого из телескопов в интерферометре VLTI составляет 2 угловые секунды. Используя различные длины и ориентации базовых линий, можно добиться углового разрешения, которое получалось бы от одного телескопа с диаметром объектива, равным наибольшей длине базы, метров для четырех 8-метровых телескопов и 200 метров для трех 1,8-метровых вспомогательных телескопов. Интерферометр VLTI. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Новые оптические и структурные схемы всегда позволяли снизить вес и стоимость крупных телескопов. Снижение стоимости телескопов. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Диаметр = 30 м 492 сегментов по 1,4 метра Диапазон длин волн: 0.31–28 мкм. Место: Мауна-Кеа, Гавайи. Первый свет (в планах) – 2018 г. Участники – университеты США, AURA, ACURA, NOAO Гигантские телескопы будущего. TMT «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Диаметр = 39.3 м (первоначально 50 м) Тип монтировки: альт- азимутальная. Разрешение: arcsec Стоимость ~ 1050 MEu Начало строительства – 2012 г. Место – Cerro Armazones, Чили Участники – Финляндия, Швеция, Ирландия, Испания, Великобритания E-ELT. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Giant Magellan Telescope. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Диаметр = м (7 сегментов по 8.4 м) Первый свет (в планах) – 2018 г. (один сегмент уже готов!) Место: Las Campanas Observatory, Чили Площадь собирающей поверхности: 368 кв. м. Рабочий спектральный диапазон - 320–25000 нм

Оптические спектрографы высокого разрешения Телескоп Спектр. R min R max d coll (mm) 9.8 Keck HIRES HET HRS Subaru HDS VLT2 UVES GeminiS HROS * BTA NES BTA LYNX * Hale coude WHT UES * CTIO Echelle спектрографов на телескопах диаметром до 3.5м включительно «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Телескоп Спектр. R min R max d coll 9.8 KeckII DEIMOS KeckII ESI KeckII LRIS HET LRS Subaru FOCAS VLT1 FORS VLT2 FORS VLT2 FLAMES * 8.2 VLT3 VIMOS * + 37 спектрографов на телескопах диаметром до 3.5м Оптические спектрографы низкого и умеренного разрешения «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Телескоп Камера Поле 9.8 KeckII DEIMOS KeckII ESI 2x8 9.8 KeckII LRIS 6x Subaru SUPRIME VLT1 FORS VLT2 FORS GeminiN GMOS GeminiS GMOS MMT Minicam камер на телескопах диаметром до 3.5м Камеры прямого зрения «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Телескоп Камера Поле 8.3 Subaru IRCS Subaru CIAO GeminiN NIRI 30,50, GeminiS FlamingosI GeminiS GNIRS 8.1 GeminiS NICI 6.5 MMT Flamingos Baade PANIC Baade WIRC камер на телескопах диаметром до 3.5м Камеры прямого зрения (ИК). «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Оптическая космология. Результаты наблюдений. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Хаббл. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Mount Wilson Observatory 2.5-м телескоп Хукера. Вселенная не ограничивается нашей Галактикой. Первое построение морфологии галактик. Закон о постоянном возрастании скорости удаления галактик с расстоянием до них.

Морфология галактик по результатам Хаббла. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Mount Wilson Observatory 2.5-м телескоп Хукера. E0E7 эллиптические галактики: относительно равномерное распределение звёзд без явного ядра. Цифра - эксцентриситет галактики. E0 практически шарообразны, с увеличением номера развивается уплощение. Число показывает форму проекции на плоскость наблюдения, а не реальную форму галактики. S0 линзообразные галактики дискообразной формы с явно выраженным центральным балджем, но без наблюдаемых рукавов. Sa, Sb, Sc, Sd спиральные галактики. Буква показывает, насколько плотно расположены рукава. SBa, SBb, SBc, SBd спиральные галактики с перемычкой в которых центральный балдж пересекает яркий бар, от которого отходят рукава. Irr неправильные галактики, которые не могут быть отнесены ни к одному из перечисленных классов. IrrI показывают остатки спиральной структуры, IrrII имеют совершенно неправильную форму. Расширение: Система де Вокулёра

Красное смещение и закон Хаббла. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Красное смещение: z = ( – 0 ) / 0 Закон Хаббла: cz = H 0 D, где z - красное смещение галактики, D - расстояние до неё, H 0 – коэффициент пропорциональности (km/s/Mpc). Значение постоянной Хаббла – в нынешнюю эпоху. Закон Хаббла справедлив для любого наблюдателя, независимо от его положения и направления измерений. Расширение Вселенной происходит однородно и изотропно.

История определения постоянной Хаббла. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Измерения внегалактических расстояний и космологические тесты. Цефеиды: зависимость период – светимость. Цефеиды - стандартные свечи. Методы измерений расстояний в видимой части спектра и ИК: Вариации поверхностной яркости (ограничения: поглощение пылью, наличие неслучайной структуры) Сверхновые типа Ia Сверхновые типа II Гравитационное линзирование. Космологические тесты : Соотношение красное смещение – звездная величина. Подсчет галактик. Соотношение угловой диаметр – красное смещение. Сопоставление временных шкал. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Обсерватория на горе Паломар. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Инструменты: Телескоп Хейла м (1949) Телескоп Сэмюэла Осчина - 1,22 м (1948)

Обзоры обсерватории Паломар. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 POSS I Паломарский 1,22 м телескоп. ( ) 937 пар пластинок. +90 о δ -27 о ; 0 h α 24 h Предельная звездная величина V 22 m. Разрешены галактики до B 15 m Первый большой каталог галактик – начало космографии. POSS II Паломарский 1,22 м телескоп.( ) Добавлен ИК фильтр. По сравнению данных POSS I и POSS II открыто более 100 сверхновых. Наиболее обширный обзор! QUEST (Palomar Quasar Equatorial Survey Team) Мозаика из 112 CCD - поле зрения 4 о x4 о.

Относительные скорости галактик и скрытая масса. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа Fritz Zwicky 18-дюймовый Паломарский телескоп: Наблюдаемая масса скопления (полученная по суммарным светимостям галактик и их красному смещению) значительно ниже массы скопления, рассчитанной исходя из собственных скоростей членов скопления (полученных по дисперсии красного смещения) в соответствии с теоремой о вириале ( средняя по времени потенциальная гравитационная энергия гравитационно связанной системы частиц U= -2E, где E - средняя по времени кинетическая энергия движения частиц системы): суммарная наблюдаемая масса скопления оказалась в 500 раз ниже расчётной.

Обзоры. 2DF. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Телескоп 3.9 м AAO (Australian Astronomical Observatory): гг. До 400 спектров в двухградусном поле. Предельная звездная величина B 19 m.5 Спектральный каталог около галактик с красным смещением и спектральными типами. Спектры более квазаров. Среднее красное смещение z = 0.11 ( 500 Mpc) Распределение плотности нерелятивистской материи (барионная материя + темная материя + массивные нейтрино). Обнаружение барионных акустических осцилляций. Получены пределы на вклад массивных нейтрино в темную материю.

Обзоры. 6DF. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Телескоп 1.2 м AAO (Australian Astronomical Observatory): гг. Одновременная регистрация до 150 спектров в шестиградусном поле. Около спектров. Поиск крупномасштабных отклонений в скоростях галактик. Спектры галактик. Распределение энергии в спектрах галактик со старым звездным населением. Ближний ИК диапазон. Обзор охватывает объекты, лежащие близко к плоскости Галактики.

2MASS (Two Micron All-Sky Survey). «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Телескопы: два1.3 м телескопа (Fred Lawrence Whipple Observatory – северный, Cerro Tololo - южный): гг. Три ИК фильтра: J (1.25 μm), H (1.65 μm), K s (2.17 μm). Основные задачи: Поиск галактик в области неба, скрытой нашей Галактикой от наблюдения в диапазоне видимого света. Поиск коричневых карликов. Систематический поиск звёзд малой массы, наиболее типичных представителей населения галактик, но из-за малой светимости недоступных наблюдению в диапазоне видимого света. 2MASS Redshift Survey Распределение галактик и темной материи в локальной Вселенной (до z = 0.03).

Автоматический 2.5м рефлектор, 30 матриц ПЗС 2Кх2К в пяти фильтрах, два ряда коротких ПЗС для привязки координат по ярким звездам. Одновременно регистрируется 640 спектров. Sloan DSS «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

SDSS. Принципы работы. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Фотометрия: Texp = 54,1 сек Скорость работы: кв. град./час Разрешение: 120 Mpx Масштаб: 0.396''/px Спектроскопия: Диапазон: А Разрешение: ~2000 Texp ~ 15 мин

SDSS. Спектры. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Спектры квазара (z = 4.16) и галактики (z = )

SDSS. Результаты. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Данные о 2 млн. объектов, включая спектры галактик и квазаров. Измеренные расстояния и известное положение на небе картирование крупномасштабной структуры Вселенной

Диаметр: 2.4 м Запуск: Область длин волн: УФ-ИК HST. Цена: 2500 M$ до запуска Общие расходы на 1999: 6000 M$ MEu «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

37 Диаграмма Хаббла по данным HST «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

Глубокие проколы. William Herschel. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 WHDF (William Herschel Deep Field): 4.2 м William Herschel telescope ( ) Фильтры U, B, R, I. Предельная звездная величина B 28 m. Поле 7x7. Зависимость числа галактик от видимой звездной величины (ранняя эволюция галактик) Определение поверхностной корреляционной функции галактик Выбор наиболее удаленных галактик по цветовым индексам

Глубокие проколы. HST. 1. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 HDF N&S (Hubble Deep Field): (1995 – North; South) Северный: Фильтры (центральная длина волны) 300, 450, 606, 814 nm. Предельная звездная величина B 29 m. Удаленные галактики более асимметричны. Множество взаимодействующих и иррегулярных. Новые данные о морфологии и размерах галактик. Новые удаленные объекты (z > 5). Южный: Использование трех инструментов: камеры прямого зрения в видимой и ИК части спектра и спектрограф. Получены фотометрические данные и спектр квазара на z = 2.24

Глубокие проколы. VLT. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 FDF (FORS Deep Field): VLT (1999 – 2000) FORS – спектрограф низкого разрешения + фотометрия: 5 широкополосных фильтров, покрывающих диапазон нм. Предельная звездная величина B 29 m новых объектов. Первичные параметры и эволюция функции светимости для удаленных галактик (z > 3).

Глубокие проколы. Subaru. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 SDF (Subaru Deep Field): Subaru (с 1999) Фотометрия: 5 широкополосных фильтров в видимой части спектра + 2 узкополосных фильтра в ближней ИК области. Выборка галактик на z > 4. Предельная звездная величина B 28 m.5 и K 23 m новых объектов. Обнаружение нескольких объектов на z > 6.

Глубокие проколы. HST. 2. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 HUDF (Hubble Ultra Deep Field): (с 2003) Фотометрия в видимой и ИК частях спектра. Согласование области наблюдений с другими проектами объектов до предельной звездной величины B 30 m. В фильтрах J, H до 27 m.5. Новые кандидаты на z ~ 7-8. (2011) галактика на z 10.

Гравитационные линзы. Принцип. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Возможность определить массу линзирующего объекта «Усиление» света от далекого объекта Временная задержка для разных частей полученного изображения

Гравитационные линзы. Результаты HST. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Справа: скопление галактик Abell Внизу: Крест Эйнштейна = Q (галактика в центре и четыре изображения далекого квазара)

Гравитационные линзы. Результаты HST. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 SDSSJ Двойное гравитационное линзирование. Три галактики на луче зрения. Впервые определена масса карликовой галактики (10 9 M sol ) на космологическом смещении (z=0.6).

Сверхновые типа Ia не имеют одинаковой абсолютной звездной величины, однако абсолютная звездная величина is коррелирует с наклоном (быстрее = слабее). Для компенсации этого эффекта применяется «коэффициент растяжения». Кроме того, проводится коррекция за спектральное красное смещение и межзвездное поглощение. Сверхновые типа Ia как стандартные свечи. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011

High-Z Supernova Search Team & Supernova Cosmology Progect. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Цель: поиск сверхновых типа Ia на больших z. Результаты HZSST (1999), SCP (1998). Телескопы : European Southern Observatory VLT, Keck telescopes, Canada- France-Hawaii telescope, Cerro Tololo Inter-American Observatory, Hubble Space Telescope Модели Эйнштейна-де Ситтера: Во Вселенной доминирует материя:W M =1.0, W L =0.0, Пустая Вселенная: W M =0.0, W L =0.0, Вселенная с доминирующей космологической константой: W M =0.0, W L =1.0. Модель c 30% вкладом материи и 70% вкладом космологической константы: W M =0.3 and W L =0.7

High-Z Supernova Search Team & Supernova Cosmology Progect. «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011 Распределение вероятности по наблюдениям сверхновых типа Ia. W L =0 исключено на уровне > 95%

Спасибо за внимание! «Наблюдательная и теоретическая космология» 15 августа 2011