Historie vzniku dalekohledu

Historie ondřejovského dvoumetrového dalekohledu se začala psát vlastně už krátce po druhé světové válce. Tehdy se ukázalo, že starší přístroje někdejší Fričovy soukromé hvězdárny, obohacené za války jen dvojitým astrografem o průměru 20 cm (reflektor), respektive 11cm (refraktor), už nestačí stále novým a náročnějším požadavkům a mladá nastupující generace vědců se začala dožadovat přístrojů, které by lépe umožnily podílet se na mezinárodním výzkumu.

Ani zdaleka však nebylo hned zřejmé, že by se měl stavět právě velký zrcadlový dalekohled, tak zvaný reflektor. Možností i nápadů bylo více. V roce 1956 se na poradě ČSAV výběr zúžil na čtyři základní alternativy:

1. Astrograf o průměru 50 cm a ohniskové délce 6m
2. Reflektor o průměru 200 cm pro spektrografii
3. Širokoúhlá Schmidtova komora 120 – 80 – 240 cm
4. Reflektor Cassegrain o průměru 120 cm pro fotometrii.

Od samého počátku se předpokládalo, že se dalekohled bude používat většinou, ne-li výhradně, pro spektroskopii, a že tedy bude používat především ohnisko coudé. Proto původní zakázka zněla na Cassegrainovo a coudé ohnisko, a teprve později ji objednavatelé rozšířily i na primární ohnisko (k případnému studiu velmi slabých zdrojů).

V roce 1959 projekt schválila vláda. Ve stejné době však tehdejší Sovětský svaz objednal u firmy Zeiss rovněž dvoumetrový dalekohled pro observatoř v ázerbajdžánském Šemachu. Vzhledem k tomu, že firma Zeiss nebyla schopna souběžně zpracovávat dvě odlišné objednávky (a také částečně z důvodu efektivity), došlo na poslední chvíli v české objednávce k několika úpravám, aby český dalekohled měl více prvků společných se šemašským dvoumetrem. Tak vznikla, mezi jiným, i převodovka pro sledování Měsíce a planetek, neboť Měsíc a planetky se po obloze pohybují po jiných drahách a jinou rychlostí než hvězdy.

Objednávka obsahovala i požadavek na stavbu kopule o průměru 18 metrů, tři spektrografy a pozorovací plošinu, s níž je možné dostat se ke Cassegrainovu ohnisku nezávisle na tom, v jaké poloze se dalekohled nachází.

Stavba začala v roce 1959. Veliké potíže činilo postavit betonový základ kopule. Pracovníci firmy Zeiss vznesly požadavek, aby odchylka kruhové stavby při průměru 18 metrů činila od ideálního kruhu nanejvýš 4 cm. S obtížemi se podařilo dosáhnout přesnosti 8 mm, což je jistě úspěch pozoruhodný. Je třeba si uvědomit, že stavebníci museli nejprve vyrobit dřevěnou formu, která již měla splňovat vznesené požadavky, a teprve tu pak "vylévat" betonem. Kromě toho i beton sám ještě nějakou dobu "pracuje", až do úplného zatvrdnutí.

Stavba dalekohledu skončila v roce 1966 a ke slavnostnímu uvedení do provozu došlo v srpnu 1967 při příležitosti XIII. kongresu Mezinárodní astronomické unie v Praze.
 

Některé zajímavé technické údaje

Kopule dalekohledu váží celkem 195 tun a je vyrobena ze železných nosníků pokrytých zvenku hliníkovými pláty a zevnitř dřevěnými deskami. Meziprostor je zaplněn pěnovým polystyrenem. Tato poměrně složitá sendvičová struktura zajišťuje to, že kopule má velmi dobré izolační vlastnosti. Prostor uvnitř se během dne neohřívá, takže večer po otevření štěrbiny nedochází ani k orosení dalekohledu ani ke vzniku nepříjemných turbulentních proudů v okolí kopule. Mimochodem, štěrbina dalekohledu je široká kolem pěti metrů a každé křídlo má hmotnost téměř deset tun. Při otevírání či zavírání je tak potřeba dát do pohybu skoro dvacet tun. To mají na starosti samozřejmě motory, ale když například vypadne proud nebo vyhoří pojistky, jsou k dispozici i kliky k ručnímu uzavírání. Každé křídlo se zavírá nezávisle a tak při ručním zavírání mají dva lidé o zábavu postaráno nejméně na dvacet minut. Zavírat ručně štěrbinu při blížící se bouřce, s vědomím toho, že na dalekohled může každým okamžikem začít pršet a že je tedy potřeba maximálně spěchat, je práce opravdu otrocká.

Hlavní, primární zrcadlo dalekohledu, má průměr dva metry a ohniskovou dálku 9 m. V tak zvaném coudé ohnisku přitom je délka ohniska 64 m. Zrcadlo se nachází v tubusu o průměru asi 2.4 m (a délce samozřejmě těch 9 metrů) a hmotnosti 25 tun. Protizávaží váží 27 tun, tj. o něco více, nachází se však na jakési "páce", díky níž je celý přístroj přesně vyvážený. Všechny pohyblivé části dalekohledu váží dohromady 84 tun. Přesto se dalekohled pohybuje za hvězdami překvapivě snadno. Umožňuje to zvláštní hydraulický pohon. Pod velký čep kulového tvaru se žene pod tlakem několika desítek atmosfér hydraulický olej. Tím se celý dalekohled nepatrně nadzvedne a olej protéká vzniklou mezerou a vrací se zpět do tlakových čerpadel, zatímco dalekohled klouže po tenkém olejovém filmu prakticky bez tření. Toto hydraulické zařízení se nachází pouze v hodinové ose, která umožňuje pohyb dalekohledu ve směru východ–západ, tj. pohyb za hvězdami. Deklinační osa (podle níž dalekohled najíždí do různých výšek, tj. sklápí se ve směru nahoru–dolů) je vybavena standartním ložiskem.

Důležitým problémem, který je třeba řešit od samého začátku stavby velkého přístroje, je přenost vibrací z otáčející se kopule na dalekohled. Lépe by snad bylo použít slovo "nepřenos", neboť dalekohled samozřejmě nesmí vibrovat; naopak, je nezbytné, aby sledoval objekt co nejpřesněji. Naproti tomu kopule se při otáčení chvěje a vibruje - je tedy nutné nějak zabránit tomu, aby se tyto vibrace přenášely na dalekohled. Zejména v případě ondřejovského přístroje, kde se pozorovatelům otáčí nad hlavami skoro 200 tun, je tento problém nanejvýš aktuální. Lze jej vyřešit dvěma způsoby.

Za prvé se kopule neotáčí stále, ale jenom přerušovaně. Štěrbina je široká pět metrů a skýtá tedy dostatečnou rezervu pro dvoumetrový dalekohled, aby mohl sledovat hvězdu nějakou dobu bez nutnosti otáčet s kopulí. Teprve ve chvíli, kdy dalekohled začíná mířit okrajem tubusu do kopule místo do štěrbiny, otočí se kopule o tři metry, takže se dalekohled ocitne opět v krajní poloze vůči štěrbině, ale z druhé strany. Má tedy opět k dispozici tři metry, o které se může otočit, aniž by bylo nutné hnout s kopulí.

Za druhé, dalekohled je ukotven v masivním pískovém loži. Písek, jak známo, výrazně tlumí všechny seismické otřesy a je proto vhodným materiálem k podobné stavbě. Při stavbě betonového pilíře dalekohledu stavebníci vykopali jámu hlubokou kolem 4 metrů, kterou vysypali 30 centimetrů silnou vrstvou písku. Na něm teprve postavili betonový pilíř dalekohledu. Jáma je tak hluboká, že dosahuje až na souvislý žulový masiv skálního podloží. V místech, kde by se měla betonová stavba kopule stýkat s betonovým pilířem dalekohledu, tj. v podlahách, jsou obě stavby odděleny deset centimetrů širokou mezerou. Těmito opatřeními jsou obě stavby dokonale odděleny a na dalekohled nepřechází prakticky žádné otřesy, ačkoliv se celá betonová budova při otáčení kopule citelně chvěje.
 

Čištění zrcadla

Je zřejmé, že omývání zrcadla je záležitostí velmi piplavou a zdlouhavou, ale tubus je naštěstí dost prostorný na to, aby se do něj vešli tři lidé a práci si rozdělili. Ve třech je možné dalekohled omýt za jedno dopoledne.

Uvádí se, že mezi jednotlivými pokoveními je možné dalekohled umýt jednou až dvakrát. Při dalším omytí by došlo k neodstranitelnému poškození ochranné vrstvy a dalekohled by velmi rychle "oslepl".

V případě ondřejovského dvoumetru byla situace již delší dobu neúnosná a zrcadlo nutně vyžadovalo omytí. Vzhledem k tomu, že celý řídící systém procházel rekonstrukcí, došlo k omytí zrcadla až letos v květnu, po skončení vlastní rekonstrukce. Došlo k omytí nejenom primárního zrcadla, ale i malého rovinného zrcátka, které má za úkol odvádět světlo z tubusu do deklinační osy a odtud do hodinové osy a do coudé ohniska. Výsledek tohoto drobného zásahu byl impozantní: expoziční doby se zkrátily asi pětkrát (!).

Jinou kapitolou je pokovování zrcadla. Vlivem chemických reakcí, zejména oxidací, zrcadlo pozvolna ztrácí odrazivost a pomalu slepne, takže obvykle po čtyřech až pěti letech je nutné znovu zrcadla pokovit. K pokovení se dlouhou dobu používalo stříbro, avšak v moderní době je ve velké většině případů vytlačil hliník. Ten má prakticky stejnou odrazivost a navíc má i tu velkou výhodu, že má vynikající odrazivost v poměrně širokém pásu vlnových délek. Naproti tomu stříbro odráží více "selektivně", jeho odrazivost závisí mnohem více na vlnové délce. Na Ondřejově sledujeme spektra hvězd zejména v oblasti vodíkové čáry Ha, kde je odrazivost hliníku výrazně lepší než odrazivost stříbra.

Při pokovení je nutné nejprve speciálními roztoky omýt starou vrstvu a potom na odraznou plochu napařit ve speciální peci novou vrstvu kovu. Navrch se ještě nanáší velmi tenká ochranná vrstva z vysoce průhledných materiálů na bázi křemičitanů, které oddělí lesklou kovovou vrstvu od atmosférických vlivů a výrazně tím prodlouží životnost čerstvé kovové vrstvy.

Na území České republiky je možné pokovovat zrcadla do rozměru kolem 65 centimetrů, na větší zrcadla chybějí napařovací pece. Je proto nutné vozit na každé pokovení naše zrcadlo do Německa.

Pozorování

Hlavním bodem pracovního programu dalekohledu je studium Be hvězd. Jedná se o horké hvězdy se závojem, čili mladé hvězdy s typickou povrchovou teplotou od deseti tisíc stupňů nahoru, které jsou obklopené mlhovinou. Ta je buď zbytkem mlhoviny, z níž daná hvězda relativně nedávno (před několika miliony či desítkami milionů let) vznikla nebo ji tvoří plynný disk obklopující hvězdu. Ten pak vznikl zpravidla v důsledku interakce s jinou blízkou hvězdou a vyskytuje se proto výhradně v blízkých dvojhvězdách (to jsou dvojhvězdy nikoliv blízké ke Slunci, nýbrž dvojice hvězd blízké sobě navzájem). Mlhovina pohlcuje záření blízké horké hvězdy a sama se ohřívá a září, což se ve spektru hvězdy projevuje existencí tak zvaných emisních čar. Jejich studium umožňuje určit teplotu i hustotu mlhoviny, rychlost pohybu plynu i další zajímavé veličiny.

Ondřejovský dalekohled, jako jeden z mála velkých přístrojů, umožňuje tak zvanou vysokodisperzní spektroskopii. To znamená, že světlo hvězdy se rozloží do velmi dlouhého barevného spektrálního pásu. Tím vyvstanou velmi detailně všechny spektrální čáry, případně detaily na těchto čarách. Ostatní světové dalekohledy nerozkládají světlo do tak dlouhých pásů a neumožňují tedy tak detailní studium spekter. Cenou za tuto výhodu je však to, že dalekohledem je možné pozorovat jenom velmi jasné hvězdy. Jak už bylo řečeno, světlo hvězdy se rozloží do dlouhého pásu, tj. na pořízení takového vysokodisperzního světla nějaké slabé hvězdy nestačí ani ondřejovský dvoumetr (pro zasvěcené uvádím, že možný rozsah disperzí na dalekohledu je 4 – 300 angströmů na milimetr). Proto i hvězda jenom o málo slabší než jsou nejslabší hvězdy viditelné očima vyžaduje několikahodinovou expozici. Například expozice hvězdy o jasnosti 6.7 magnitudy trvá asi 3 – 4 hodiny, podle podmínek.

Ovládání dalekohledu a pořizování spekter

Tak takhle pozorování s velkými přístroji už dlouho opravdu nevypadá. Většinu prací zastanou počítače a kamery, takže astronom nemusí už trpět. Astronomové amatéři nebo pracovníci lidových hvězdáren snad mají ještě zkušenosti s těmito hektickými chvílemi, ale astronomové, kteří pracují s ondřejovským dvoumetrem, se již úplně spoléhají na moderní elektroniku.

Večer po setmění přichází astronom s jedním technikem do kopule. Za velkou skleněnou stěnou se skrývá ovládací srdce přístroje, dvojice řídících počítačů — master (mistr, velitel) a slave (otrok). Odděleni skleněnou stěnou od vnitřku kopule startují systém. To trvá, pokud se nevyskytnou nějaké potíže, nanejvýš dvacet minut. Potom odcházejí do coudé ohniska, kde je další dvojice počítačů. Jeden slouží jako terminál k masterovi — ovládají se jím pohyby dalekohledu. Lze na něm zadat souřadnice hvězdy a dalekohled poslušně najede do předepsané polohy. Druhý počítač ovládá spektrograf. Do jeho paměti se také ukládají pořízená spektra — ta se už také řadu let nepořizují na fotografické desky.

Astronom na počítači zadá souřadnice hvězdy, kterou chce pozorovat. Dalekohled se rozjede a najede na danou polohu. Od té chvíle astronom věnuje pozornost jedné ze dvou televizních obrazovek. Jedna slouží jako hledáček. Na tubusu dalekohledu je upevněna kamera, jež přenáší obraz na zmíněnou obrazovku. Dalekohled najede na danou polohu s takovou přesností, že se žádaná hvězda ocitne v zorném poli kamery. Ručně pomocí tlačítek astronom nastaví hvězdu do středu obrazovky, tj. do středu zorného pole hledáčku–kamery. Potom překlopí speciální zrcátko a to mu dovolí dívat se na hvězdu přímo v zorném poli dalekohledu — je to také jediný přímý pohled na hvězdu v průběhu celého pořízení spektra. Opět pomocí tlačítek nastaví hvězdu do středu zorného pole dvoumetru. Pak překlopí zrcátko zpět do nulové polohy. V té chvíli už dopadá paprsek hvězdy do spektrografu. Druhá ze zmíněné dvojice obrazovek a druhá kamera hlídá, zda paprsek padá opravdu přesně do úzké kruhové štěrbiný spektrografu, do tak zvanéh image sliceru (první pád image slicer).

K záznamu pořízeného spektra slouží v současné době detektor zvaný Reticon. Je to, podobně jako známý CCD, elektronický detektor, který mění dopadající světelná kvanta v elektrický náboj, který se kumuluje v jednotlivých elektronických "zrnkách" (pixelech). Po předem stanovené době se jednotlivé náboje v pixelech vyčtou. Velikost těchto nábojů je úměrná množství světelných kvant, která do daného pixelu dopadla. Rozdíl mezi Reticonem a CCD spočívá mimo jiné v tom, že CCD se vyrábějí jako destičky, kde je mnoho pixelů v řadách a sloupcích (jakási matice), zatímco detektor Reticon je jedna jediná řádka pixelů. Je to tak zvaný lineární detektor. V případě ondřejovského přístroje to je 1872 pixelů. Reticon je položený podél dopadajícího pásu spektra a tedy každému pixelu odpovídá nepatrně jiná vlnová délka. Vyčtou-li se tedy jednotlivé pixely, získá se závislost množství dopadnuvšího světla na vlnové délce, tedy požadované spektrum.

Detektor Reticon je potřeba chladit na velmi nízkou teplotu, aby se zamezilo vzniku tak zvaných temných proudů, tj. samovolných nábojů v jednotlivých pixelech. Optimální teplota je asi –110°C. K chlazení se používá kapalný dusík, jehož teplota je však necelých –200°C. Reticon je proto třeba nepatrně zahřívat, což se dělá odporovým drátkem, do něhož se pustí elektrický proud. Tím se drátech zahřeje a zahřívá i Reticon. Dusík je potřeba dolévat do Dewarovy nádoby jednou za den a spotřebuje se ho přitom asi 1.3 litru.