Na stavbě největších dalekohledů se podílí Čech

Petr Kubala  |  Vesmír
Zdroj: gmto.org

V rozsáhlém rozhovoru s Tomášem Chýlkem se podíváme pod pokličku stavby dalekohledu Discovery Channel a na budoucí chloubu americké astronomie Giant Magellan Telescope.

Tomáš Chýlek vystudoval katedru přesné mechaniky a optiky na strojní fakultě ČVUT a katedru mechaniky na Old Dominion University ve Virginii. Byl zaměstnán jako konstruktér ve Vývojové a provozní základně výzkumných ústavů v Běchovicích, výzkumný asistent NASA v Langley ve Virginii, šéfkonstruktér klapek ve firmě Velan v Montrealu, hlavní strojní inženýr u dalekohledu UKIRT a JCMT na Mauna Kea na Havaji, opto-mechanik a konstruktér čtyřmetrového dalekohledu DCT v Arizoně.

V současné době působí jako strojní inženýr při vývoji a konstrukci 25metrového Gigantického Magellanova dalekohledu GMTO v Pasadeně v Kalifornii. A právě o dalekohledech jsme se bavili v následujícím rozhovoru.

Tomáš Chýlek
Tomáš Chýlek

Jak jste se vůbec dostal ke stavbě největších světových dalekohledů?

Astronomie byla mým koníčkem už od dětství. Trávil jsem dny a noci ve hvězdárnách na Petříně, ve Rtyni v Podkrkonoší, Ondřejově, a také se snažil stavět svůj dalekohled. Došlo to tak daleko, že jsem v roce 1986 absolvoval obor přesné mechaniky a optiky na strojní fakultě ČVUT. Pak se otevřely hranice a já jsem vyjel do USA na postgraduální studium, které mi nabídla financovat jedna ze škol, kam jsem žádal o přijetí. Vlastně mi udělali standardní nabídku, tj. že mě zároveň se studiem zaměstnají na půl úvazku.

Tak jsem vzal ženu a nově narozenou dceru a za pochybovačných poznámek z našeho okolí jsme odjeli. Bylo to z počátku těžké, nemohl jsem si moc vybírat a trvalo dost dlouho, než jsem se dostal nazpět k astronomii. V roce 2000 jsem pracoval v kanadském Montrealu a jedna z hvězdáren na Havaji hledala někoho se zkušenostmi nejen v laboratorním prostředí, ale i s praxí v průmyslu. Odjel jsem na Havaj na konkurs, ke kterému pozvali skupinu zájemců, a ten konkurs jsem překvapivě vyhrál.

Vzhledem k tomu, že to byl britský dalekohled, potřebovali také někoho se zkušenostmi s metrickými a zároveň americkými jednotkami měření. Tomu jsem asi ideálně vyhovoval, proto jsme zanedlouho, opět za skeptických poznámek všech okolo, balili kufry a letěli na druhou stranu zeměkoule. Nastoupil jsem jako hlavní inženýr k čtyřmetrovému dalekohledu UKIRT a patnáctimetrové anténě JCMT.

Shodou okolností jsem nedávno viděl inzerát, že se UKIRT nabízí k prodeji a k využití komukoli, kdo zároveň nabídne i zajímavý program. Nevíte o někom, kdo by chtěl čtyřmetrový dalekohled v podstatě za hubičku? Doufám, že se někdo najde, jinak by se budova dalekohledu musela podle dohody s havajským státem zbourat a místo uvést do původního stavu.

To by bylo poprvé v historii, co by se něco takového velkému a plně funkčnímu dalekohledu stalo. Britská státní pokladna ale poté, co země vstoupila do ESO, nemá prostředky ani zájem provozovat další dalekohled střední třídy.

Discovery Channel

Nedávno jsme na VTM psali o dalekohledu Discovery Channel (DCT), na jehož stavbě jste šest let pracoval. Čím se DCT liší od jiných podobně velkých dalekohledů?

Máte pravdu v tom, že dalekohled DCT je hodně odlišný od typického astronomického „čtyřmetru“. Jeho odlišnost souvisí do velké míry od toho, jak byl financován. DCT byl a je plně placen ze soukromých prostředků, proto jeho využití není vázané na pevný pozorovací program na rok i více dopředu, jak by bylo typické pro jiné dalekohledy. Operátoři mají relativní svobodu jak jej využít podle okamžité situace. Například když se objeví nová kometa, asteroid, supernova apod.

Dalekohled je vybaven velmi flexibilními přístroji, které se střídají automaticky, zatímco výměna přístrojů u klasických velkých dalekohledů je otázkou třeba celého dne. Vzhledem k tomu, že majitel dalekohledu – Lowell Observatory – je historicky zaměřený na objekty slunečního systému, má DCT takové parametry, aby tomu co nejlépe vyhovoval. Tedy například větší rychlost pohonu, jenž umožní sledovat komety a asteroidy, které se nepohybují siderickým pohybem.

Dále jsme se snažili navrhnout dalekohled s co největším zorným polem, a proto má DCT na rozdíl od jiných dalekohledů ve stejně kategorii neobyčejně velké sekundární zrcadlo. Má v průměru 1,5 m, zatímco skoro stejně velký UKIRT měl průměr sekundárního zrcadla kolem 60 cm.

Stavba dalekohledu Discovery Channel. Zdroj: Tomáš Chýlek
Stavba dalekohledu Discovery Channel. Zdroj: Tomáš Chýlek

DCT se také liší od řady podobných dalekohledů – a tady se musím pochlubit – tím, že hned po získání tzv. „prvního světla“ se ukázalo, že téměř vše funguje tak jak má. Včetně kvality obrazu, hned první noc a bez jakýchkoli dalších korekcí mimo běžné zaostření. Neočekávaně dobrý byl i úhlový obraz hvězdy pod jednu vteřinu.

Teprve později jsme se začali učit, jak hlavní zrcadlo pomocí všech mechanismů deformovat a kompenzovat tak výrobní, mechanické a tepelné efekty tak, aby bylo dosaženo očekávané kvality zobrazení hvězd 0,5–0,6 úhlové vteřiny. To je zároveň limit seeingu na hoře Happy Jack, kde je dalekohled umístěn.

Tomáš Chýlek (vlevo) a známý programátor Petr Kukol.  V pozadí je přístrojový rotátor v Cassegrainově ohnisku dalekohledu DCT. Primární zrcadlo je úplně nahoře. Zdroj: Tomáš Chýlek
Tomáš Chýlek (vlevo) a známý programátor Petr Kukol. V pozadí je přístrojový rotátor v Cassegrainově ohnisku dalekohledu DCT. Primární zrcadlo je úplně nahoře. Zdroj: Tomáš Chýlek

Giant Magellan Telescope

V současné době pracujete na projektu Giant Magellan Telescope (GMT), jaká je tam vaše úloha?

GMT je obrovský a dlouhodobý projekt a já jsem jenom jedním z celé rady inženýrů, kteří se na něm podílejí. Oficiální titul je „strojní inženýr dalekohledu“, ale kdo ví, co se z toho ještě vyvine. Jsem tam jenom pár měsíců a sotva jsem se stačil usadit.

Sešla se tady společnost nejlepších konstruktérů dalekohledů z celého světa, takže se cítím velice poctěn, že se na takovém programu mohu podílet. Nakonec i Česká republika si může říct – GMT je navrhován i českým inženýrem. Rozdíl je v tom, že u DCT jsem měl více méně volnou ruku k navrhování a prosazování věci podle svého, zatímco u GMT jsem jenom jedním inženýrem ve velkém týmu. Ovšem stále stojí za to se podílet se na něčem tak unikátním.

V jaké fázi se dnes nachází stavba GMTO?

Je to takový závod mezi třemi institucemi o to, kdo bude první. V Evropě ESO vyvíjí svůj 39metrový ELT a kousek od nás v Pasadeně pracuje Caltech na 30metrovém TMT. Náš dalekohled je sice nejmenší, ekvivalentní průměr primárního zrcadla je „jen 25 metrů“, ale zato doufám, že budeme první v provozu!

Vrchol hory, kde bude dalekohled umístěn (Las Campanas v Chile), byl nedávno srovnán do roviny a upraven k prvnímu výkopu základu. Velikost stavební plochy, kterou dalekohled a všechny budovy nakonec zaberou, odpovídá třem fotbalovým hřištím.

Napřed se budou stavět inženýrské sítě a budovy observatoře – to se začne zhruba v horizontu jednoho roku. V Pasadeně v současné době procházíme různými oponentními a schvalovacími řízeními, jednáními s dodavateli, uzavíráme smlouvy, pracujeme na kompletním trojrozměrném počítačovém modelu a koncepčních i detailních výkresech. Zároveň se snažíme inspirovat těmi nejúspěšnějšími a nejprověřenějšími konstrukcemi dalekohledů, jaké existují.

Když si ale uvědomíte, že největší doposud postavené dalekohledy mají primární zrcadlo velké okolo deseti metrů, tak je to obrovský skok konstruovat najednou něco skoro třikrát většího.

Porovnejte velikost dalekohledu GMT s postavou vlevo. Zdroj: gmto.org
Porovnejte velikost dalekohledu GMT s postavou vlevo. Zdroj: gmto.org

Říkáte, že GMT bude postaven dříve než E-ELT. Kdy bychom mohli dle současných plánů očekávat „první světlo“?

To se zdá jako jednoduchá otázka, ale odpověď je z několika důvodů velmi komplikovaná. Zaprvé neexistuje žádný předpis, který by vymezoval co to vlastně „první světlo“ je. Proto si každý projekční tým nového dalekohledu kreativně přizpůsobuje, co pro jejich dalekohled tento termín bude znamenat.

Zadruhé žádný dalekohled snad ještě nebyl postaven včas podle původních záměrů. Typické zpoždění pro velké dalekohledy je nejméně jeden rok. Například DCT měl zpoždění asi dva roky oproti tomu, co se odhadovalo úplně na začátku projektu. Nakonec se oficiálně tvrdí, že dalekohled byl postaven „před termínem“, jenže nikomu se už neřekne, jak byl v průběhu prací termín posouván. Dále se u DCT první světlo odehrálo bez sekundárního zrcadla, které ještě nebylo hotové, a s vypůjčenou kamerou namontovanou provizorně v primárním ohnisku.

Podle našeho nejnovějšího oficiálního plánu pro GMT se finální uvedení do provozu včetně adaptivní optiky – tedy ve chvíli, kdy by GMT měl mít plánované rozlišení 10× lepší než Hubble – očekává ve čtvrtém čtvrtletí roku 2022. Vy jste se ale ptal na první světlo, což je něco jiného. To úplně první světlo z prvních, tedy s jedním nebo jen s několika osmimetrovými segmenty primárního zrcadla a s minimálními nároky na kvalitu obrazu, je možné očekávat někdy v půlce roku 2019, až bude vlastní nosná konstrukce dalekohledu kompletní. Oficiální první světlo bude tedy vyhlášeno někdy mezi těmito dvěma daty.

GMT má poměrně nezvyklou konstrukci. Obří dalekohledy se dnes běžně skládají z menších asi metrových segmentů (například GTC, E-ELT) ale GMT bude sestaven ze sedmi osmimetrových segmentů. Jaké má tato řešení výhody oproti třeba E-ELT a jaké naopak nevýhody? Není výroba tak velkých zrcadel drahá a technický náročná?

Nevím, jestli máte úplně pravdu. Pokud vím, tak z malých segmentů je jenom Keck na Havaji, SALT v Africe, Hobby-Eberly v Texasu a GTC na Kanárských ostrovech. Zrcadla všech ostatních velkých dalekohledů jsou monolity – buď tlusté žebrované, nebo tenké menisky.

Filozofie GMTO je taková, že je třeba se držet dostupných a ověřených technologií. Když se totiž podíváte pozorně na samotný dalekohled, uvidíte, že je to vlastně sedm nezávislých osmimetrových dalekohledů včetně osmi sekundárních zrcadel dohromady na jedné montáži. Zároveň ale každý dalekohled pracuje nezávisle a ke kombinaci obrazů že všech zrcadel dochází až v konečně fázi.

Tím pádem je umožněno postupné oživování dalekohledu – nejdříve budeme uvádět do provozu jeden osmimetr, pak druhý, třetí a tak dále. A to všechno už bylo realizováno a ověřeno na řadě jiných, stejně velkých dalekohledech. Třeba LBT (Large Binocular Telescope) v Arizoně mají na jedné montáži dva desetimetry.

Zrcadla se budou do provozu uvádět postupně. Zdroj: gmto.org
Zrcadla se budou do provozu uvádět postupně. Zdroj: gmto.org

Tím je eliminován ten obrovský risk vznikající z toho, že se snažíte stavět dalekohled a zároveň vyvíjet úplně nové nepoznané technologie – a tomu se my snažíme vyhnout. Dalekohledy z malých segmentů jsou desetimetrové – otázka je, jestli můžete takovou konstrukci extrapolovat na 30 nebo 39 metrů. ELT a TMT budou potřebovat nějakých 800 respektive 500 segmentů – jak rychle je někdo bude schopen vyrábět?

Primární zrcadlo DCT byl tenký meniskus a odlití a vyleštění takového čtyřmetrového zrcadla trvalo více než tři roky, 1,5metrový sekundár skoro rok. Co se týče výběru našeho borosilikatového zrcadla pro GMTO, odpověď je stejná. Je to nejjednodušší, nejlevnější a hlavně mnohokrát ověřená technologie. V Mirror Lab na Univerzitě v Arizoně v Tucsonu jsou už schopni jeden osmimetrový disk odlít a vyleštit rychlostí zhruba jednoho za rok a kousek. Jeden segment je už hotový, teď pracují na druhém a třetí se bude chystat k odlití, což znamená, že všech sedm dostaneme dodaných tak, abychom plynule navázali s montáží do dalekohledu.

Jakým způsobem se na takto velkém dalekohledu řeší aktivní a adaptivní optika?

GMT bude mít relativně tlustá primární zrcadla z borosilikatového skla s odlitými žebry ve tvaru buněk včelího plástu. Výhoda je v tom, že žebrovaní už nemusíte frézovat zvlášť, a to šetří spoustu času a rizika. Mechanika uložení stejně velkých zrcadel už je ověřena z mnoha projektů, z poslední doby například dvou 6,5m Magellanových dalekohledů působících delší dobu v Chile a taktéž 10m LBT dalekohledu v Arizoně.

Zrcadlo lze kvůli tloušťce montovat výhradně ze zadní strany pomocí systému napodobující dvojitý hexapod a také aktivně deformovat několika sty podpůrnými mechanismy. Takový systém dobře kompenzuje nedokonalosti výroby zrcadla a mechanické a teplotní vlivy na jeho tvar.

U aktivní optiky je ideální tenký meniskus, jako má Subaru, Gemini nebo DCT, ale nevýhoda je ve vyšší ceně a zejména v pomalejší produkci. Kdyby výroba každého zrcadla pro GMT trvala stejně dlouho jako pro DCT (a to je o třídu menší dalekohled), bylo by všech sedm zrcadel k dispozici příliš pozdě.

Co se adaptivní optiky týče, GMTO bude mít jednu kompletní sestavu klasických sekundárních zrcadel a jednu sestavu s adaptivní optikou. To je velice komplexní záležitost, máme na to celé oddělení, které vyvíjí pouze adaptivní optiku. Všech sedm sekundárních zrcadel bude velice tenkých s několika sty motory přilepenými na zadní straně, které budou zdrojem velice malých, ale rychlých deformací, aby se tak kompenzovalo chvění atmosféry. Konečná kvalita obrazu po zpracování adaptivní optikou se očekává někde kolem 0,25 úhlové vteřiny ohraničující kruh 80 % energie celého obrazu pro vlnovou délku 500 nm.

Přeprava dokončeného primárního zrcadla DCT na Arizonské univerzitě. Modrý kryt chrání optickou plochu. Zdroj: Tomáš Chýlek
Přeprava dokončeného primárního zrcadla DCT na Arizonské univerzitě. Modrý kryt chrání optickou plochu. Zdroj: Tomáš Chýlek

Složité a velké ocelové konstrukce s velkými a drahými zrcadly jsou ale choulostivé. Máte nějaký zajímavý příklad?

Máte pravdu. Na jedné straně pracujeme s obrovskými ocelovými konstrukcemi a budova pro GMTO bude vysoká jako Petřínská rozhledna a dalekohled skoro stejně. Zároveň ale jde o ty nejjemnější mechanismy a optiku vyleštěnou na přesnost několika nanometrů. Když jsem měl možnost navštěvovat existující velké dalekohledy po světě, byl jsem překvapen, kolik z nich má nějaký problém s optickou plochou.

Trávíte-li tisíce a tisíce hodin jednotvárným leštěním, pravděpodobnost, že dojde k něčemu nežádoucímu, se zvyšuje. Operátor lešticího stroje zapomene zvednout nástroj, něco spadne z výšky (optické plochy se testují z interferometrických věží umístěných desítky metrů nad zrcadlem), probrousíte se velkou bublinou nebo prasklinou ve skle apod.

Například primární zrcadlo UKIRT má na svém optickém povrchu asi pěticentimetrový kráter jako následek nezdařeného pokusu o pokovení. DCT přišlo o první exemplář sekundárního zrcadla, když se fréza, která vykrajovala žebra ze zadní strany, probořila skrz a vyloupla tak asi čtvrtmetrový kráter. Nic už samozřejmě nešlo zachránit. Na vině byl s největší pravděpodobností tupý nástroj a bylo to navíc v noci bez přítomnosti obsluhy.

Já sám jsem nešťastně „uloupnul“ kus sekundárního zrcadla při demontáži, naštěstí na zadní ploše – mám ten kus schovaný jako suvenýr. V jiném případě jsme použili kapku běžného minutového lepidla k dočasnému upevnění přípravků z boku zrcadla a byli překvapení, když se při odstranění místo lepidla odloupnul malý kráter skla, zatímco lepidlo drželo jako v televizní reklamě.

Prakticky všechny takové krátery a poškození je potřeba následně vybrousit až na dno (podobně jako kaz u zubaře) a povrch skla nakonec vyleptat kyselinou. Trhliny ve skle mají totiž nepříjemnou vlastnost, že s časem samy rostou.

Nejvíce jsme ale byli zaskočení, když jsme zjistili, že primární zrcadlo pro DCT se sice podařilo vybrousit velmi přesně, ale s optickou osou posunutou a nakloněnou skoro o 9 mm. Následně bylo potřeba překonstruovat celé uložení zrcadla, a když se teď pozorný návštěvník observatoře zadívá na všechny ty záhadné tyče pod zrcadlem, všimne si, že je to „nějak šikmo“. Kvalitu obrazu ani nic jiného to ale neovlivňuje.

Dalekohledy a jejich budoucnost

Jaké profese se uplatní při výrobě takto velkých dalekohledů?

Jako při každém velkém vědeckém projektu je to hodně vědeckých a inženýrských profesí v závislosti na fázi projektu. U zrodu dalekohledu stojí astronomové, kteří napíšou a obhájí vědecké zdůvodnění, proč by zrovna takový dalekohled byl potřebný. Potom se najímá postupně spousta inženýrů, techniku, manažerů, účetních… až po uklízečky. Hodně velký díl práce odvedou dodavatelé a subdodavatelé a tam ani nevíte, kdo všechno na tom osobně pracuje.

Model dalekohledu DCT. Zdroj: Tomáš Chýlek
Model dalekohledu DCT. Zdroj: Tomáš Chýlek

Z jakých soukromých zdrojů je stavěn GMT a lze nějak odhadnout podíl soukromých a státních prostředků na stavbu?

GMT je stavěn soukromou neziskovou nadací „Carnegie Observatories“, kterou kdysi založil ze svých prostředků americký miliardář Andrew Carnegie spolu s dalšími vědeckými a uměleckými institucemi, jako je Carnegie Hall v New Yorku, Carnegie Mellon University a mnoho dalších. Dalekohled je financován nejen z peněz jeho dědictví, ale i dary a příspěvky jednotlivců a soukromých i veřejných organizací – Harvard University, Smithsonian Institutions a další americké i zahraniční soukromé i státní univerzity. Soukromých darů se zatím sešlo asi za sto miliónů dolarů.

Jenže kromě soukromých a státních financí, které jste zmínil, jsou ještě významné „veřejné“ finance, které nepatří ani do jedné kategorie. Jsou to příspěvky různých nevládních institucí a škol, které mohou původně pocházet ze soukromých i veřejných zdrojů. Zajímavé ale je, jak málo je v rozpočtu GMT přímých státních peněz. Například na začátku tohoto roku GMT odmítla nabídnuté pravidelné příspěvky 250 000 dolarů ročně od americké vládní instituce National Science Foundation, protože se zjistilo, že tyto peníze by byly spojeny s příliš velkou státní byrokracií.

Vypočítalo se, že na splnění všech administrativních podmínek, které byly na tyto peníze vázány, by se spotřebovalo prakticky stejně velké množství peněz, aniž by něco zbylo na vlastní projekt. V tomto ohledu to má evropský ELT jednodušší, neboť je financován příspěvky ze státních rozpočtů členských zemí.

Jakým směrem se podle vás bude ubírat stavba obřích dalekohledů někdy po roce 2030? Jak budou vypadat budoucí dalekohledy?

Když se podíváte do minulosti, zjistíte, že průměr zrcadel v dalekohledech se historicky měnil skoky. Jakoby se vždy uvedl do provozu násobně větší dalekohled než ten předešlý a takový náhlý skok bylo pak potřeba nějakou dobu vydýchat.

První velký dalekohled moderní doby byl postaven na Mt. Wilson v Kalifornii v roce 1917 s primárním zrcadlem 2,5 metru. Držel prvenství třicet let, až do roku 1948, kdy byl dokončen pětimetr na Mt. Palomaru taktéž v Kalifornii. Ten byl největším dalekohledem dalších zhruba třicet let až do ruského šestimetru BTA na Kavkaze. Tomu první místo vydrželo až do roku 1993, kdy přišel skok v podobě desetimetrového dalekohledu Keck I. na Havaji. Keck I. byl sice překonán v roce 2009 GTC dalekohledem na Kanárských ostrovech, ale o pouhých 40 centimetrů, takže spadal stále do stejně kategorie.

Vidíte, jak se pravidelně opakuje období náhlého skoku následovaný desetiletími, kdy se žádný zásadně větší dalekohled neobjevil? Jak se rýsuje budoucnost, další velký skok z kategorie desetimetrů na kategorii třicetimetrů se odehraje někdy kolem roku 2020. GMT je v této chvíli ve vývoji jasně napřed a bude postupně následován TMT a ELT. Ale zatímco GMT a TMT jsou z větší části financovány soukromými zdroji, jak je to v Americe běžné, ELT závisí na státních financích členských zemí ESO. A jak vidíme v posledních letech, státní pokladny mají úplně jiné starosti než nějaké obří dalekohledy.

Pokud vše zdárně dopadne, očekávám, že zase nastane doba „vstřebávání“ nové techniky – asi tak 30 let – a to už si zase řekneme v roce 2050.

Nejčtenější