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超大型望遠鏡（ELT ）は建設中の天文台です。 [ 1 ]完成すれば、世界最大の光学および中間赤外線超大型望遠鏡になります。欧州南天天文台（ESO）の一部であり、チリ北部のアタカマ砂漠にあるセロ・アルマゾネス山の頂上に位置し、パラナル天文台の既存施設から23km離れています。
この設計は、直径 39.3 メートル (130 フィート) の分割主鏡と直径4.25メートル (14フィート)の副鏡を備えた反射望遠鏡で構成されています。望遠鏡には、補償光学、6 つのレーザーガイドスターユニット、およびさまざまな大型科学機器が装備されています。[ 2 ] [ 3 ]この観測所の設計は、人間の目の 1 億倍の光を集め、これは 2025 年時点で存在する最大の光学望遠鏡の約 10 倍の光に相当し、大気による歪みを補正する能力があります。ハッブル宇宙望遠鏡の約 250 倍の集光面積を持ち、ELT の仕様によると、ハッブルの画像よりも 15 倍鮮明な画像を提供します。[ 4 ]
このプロジェクトは当初、欧州超大型望遠鏡（E-ELT）と呼ばれていましたが、2017年に名称が短縮されました。[ 5 ] ELTは、他の恒星の周りの惑星、宇宙最初の銀河、超大質量ブラックホール、宇宙の暗黒セクターの性質を詳細に研究し、他の恒星の周りの原始惑星系円盤内の水や有機分子を検出することで、天体物理学の知識を進歩させることを目的としています。[ 6 ] 2011年に計画されたとおり、この施設は2014年から2025年までの11年間で建設される予定でした。[ 7 ]
2012年6月11日、ESO理事会は、望遠鏡建設予定地での土木工事開始に関するELT計画を承認した。望遠鏡本体の建設は、一部の加盟国の政府との最終合意待ちとなっている。[ 8 ] ELT建設予定地での建設工事は2014年6月に開始された。[ 9 ] 2014年12月までに、ESOは総資金の90%以上を確保し、望遠鏡の建設開始を承認した。最初の建設段階の費用は約10億ユーロと見積もられている。 [ 10 ] 2017年5月26日、望遠鏡の礎石が式典で据えられ、ドームの主要構造と望遠鏡の建設が開始された。[ 11 ] [ 12 ]望遠鏡は2023年7月に開発と建設の中間地点を通過し、完成と初観測は2029年3月に予定されている。 [ 13 ] [ 3 ] [ 14 ]
2010年4月26日、欧州南天天文台（ESO）理事会は、計画中のELTの基準サイトとしてチリのセロ・アルマゾネスを選定した。 [ 16 ]検討されていた他のサイトには、アルゼンチンのサルタ州セロ・マコン、カナリア諸島のロケ・デ・ロス・ムチャチョス天文台、北アフリカ、モロッコ、南極のサイトなどがあった。 [ 17 ] [ 18 ]
初期の設計では、直径42メートル（140フィート）、面積約1,300平方メートル（14,000平方フィート）の分割式主鏡と、直径5.9メートル（19フィート）の副鏡が採用されていました。しかし、2011年に全体サイズを13%縮小して978平方メートルとし、主鏡の直径を39メートル（130フィート）、副鏡の直径を4.2メートル（14フィート）とする案が提示されました。 [ 2 ]これにより、想定コストは12億7,500万ユーロから10億5,500万ユーロに削減され、望遠鏡の完成時期を早めることができると見込まれています。副鏡の小型化は特に重要な変更点です。4.2メートル（14フィート）であれば複数のメーカーが製造可能であり、軽量化された鏡ユニットによって副鏡支持スパイダーに高強度材料を使用する必要がなくなります。[ 19 ]： 15
ESOの事務局長は2011年のプレスリリースで、「新しいE-ELT設計により、大胆な科学目標を達成できるだけでなく、建設をわずか10～11年で完了できることも保証できる」とコメントした。[ 20 ] ESO評議会は2011年6月に改訂された基本設計を承認し、2011年12月に建設提案の承認を期待していた。[ 20 ]その後、2012年初頭に初期作業を開始するための資金が2012年度予算に計上された。[ 21 ]このプロジェクトは2012年6月に予備承認を受けた。[ 8 ] ESOは2014年12月に建設開始を承認し、名目予算の90%以上の資金が確保された。[ 10 ]
5 枚の鏡を備えたアナスティグマートの設計段階は、ESO の予算内で全額資金提供されました。2011 年に基本設計が変更され (主鏡のサイズが 42 m から 39 m に縮小されるなど)、2017 年に建設費は 11 億 5000 万ユーロ (第一世代の機器を含む) と見積もられました。[ 22 ] [ 23 ] 2014 年に、運用開始は 2024 年に計画されました。[ 12 ]実際の建設は 2017 年 5 月 26 日に正式に開始され、[ 24 ]技術的な最初の光は 2029 年 3 月に計画されています。[ 14 ] [ 13 ]最初の科学観測は 2030 年 12 月に計画されています。[ 14 ]
ESOは、実現可能性調査の結果、提案された直径100m （328フィート）の超大型望遠鏡（Overwhelmingly Large Telescope）は15億ユーロ（10億ポンド）の費用がかかり、複雑すぎると結論付けた後、現在の設計に焦点を当てました。現在の製造技術と道路輸送の制約の両方により、単一のミラーは1枚あたり約8m （26フィート）に制限されます。現在使用されている次に大きい望遠鏡は、ケック望遠鏡、グラン・テレスコピオ・カナリアス、南アフリカ大型望遠鏡で、それぞれ小さな六角形のミラーを組み合わせて、直径10m （33フィート）強の複合ミラーを作っています。ELTは同様の設計を使用しており、入射光の大気による歪みを補正する技術、いわゆる適応光学を使用しています。[ 25 ]
40メートル級の鏡は、太陽系外惑星の大気の研究を可能にする。[ 26 ] ELTは、Astronet Science Vision and Infrastructure RoadmapやESFRI Roadmapなどの研究インフラに関する欧州の計画活動において最優先事項である。[ 27 ]この望遠鏡は2014年にフェーズBの研究を受け、その中には「主鏡セグメント、適応型第4鏡、機械構造などの主要要素のプロトタイプの設計と製造に関する産業界との契約、(...) 8つの機器の概念研究」が含まれていた。[ 28 ]
ELTは合計5枚のミラーを用いた斬新な設計を採用する。[ 32 ]最初の3枚のミラーは湾曲（非球面）で、10分角の視野（満月の幅の3分の1）にわたって優れた画像品質を実現する3枚ミラーのアナスティグマート設計を形成する。4枚目と5枚目のミラーは平面で、それぞれ大気による歪みを補正する適応光学（ミラー4）と、画像安定化のための傾き補正（ミラー5）を提供する。4枚目と5枚目のミラーは光を望遠鏡構造の両側にある2つのナスミス焦点ステーションのいずれかに横方向に送り、複数の大型機器を同時に搭載できるようにする。
39.3メートル（129フィート）の主鏡は、それぞれ約1.45メートル（4.8フィート）の六角形のセグメント798個で構成され、厚さは50mm（2.0インチ）です。[ 33 ]鏡を常に清潔で高い反射率に保つため、2つのセグメントは毎日再コーティングされ、交換されます。
エッジセンサーは、主鏡セグメントの隣接するセグメントに対する位置を常に測定します。2394個の位置アクチュエータ（各セグメントに3個）はこの情報を使用してシステムを調整し、風、重力、温度変化、振動などの外部要因による変形に対して全体の表面形状が変化しないようにします。[ 34 ]
2017年1月、[ 29 ] ESOは、4608個のエッジセンサーの製造契約を、フランスのFogale社[ 35 ]とドイツのMicro-Epsilon社[ 36 ]で構成されるFAMESコンソーシアムに授与した。これらのセンサーは、数ナノメートルの精度で相対位置を測定することができ、これは望遠鏡で使用された中で最も高精度である。
2017年5月、ESOは主鏡のセグメントに関する追加契約を2件締結した。1件はドイツのSchott AG社に発注され、同社は798個のセグメントのブランクと、表面のセグメント形状ごとに1つずつ、計133個のメンテナンス用セグメントセットを製造する。ELTが稼働開始後、このメンテナンス用セットにより、表面に一時的な隙間を残さずに、セグメントを順番に取り外し、交換、再コーティングすることが可能になる。これらのセグメントは、チリにある既存の超大型望遠鏡の鏡と同じ、低膨張セラミックであるZerodurで鋳造された。
もう一方のセグメントの契約は、Safran Electronics & Defenseの子会社であるフランスの Safran Reosc [ 37 ]に授与されました。Sacht からミラーブランクを受け取り、7 年という期限に間に合うように、1 日あたり 1 つのミラーセグメントを研磨します。このプロセスでは、各セグメントの表面の不規則性が 7.5 nm の二乗平均平方根を超えることがなくなるまで研磨されます。その後、Safran Reosc はマウント、テスト、および納品前のすべての光学テストを完了します。これは ELT 建設の契約としては 2 番目に大きく、ESO がこれまでに締結した契約としては 3 番目に大きいものです。
主鏡のセグメント支持システムユニットは、CESA（スペイン）[ 38 ]とVDL（オランダ）によって設計および製造されています。ESOと締結された契約には、その製造に関する詳細かつ完全な指示とエンジニアリング図面の提供も含まれています。さらに、支持部をELTガラスセグメントに統合するために必要な手順の開発、セグメントアセンブリの取り扱いと輸送、およびそれらの運用と保守も含まれています。[ 39 ]
2023年7月時点で、ミラーセグメントブランクとその支持構造の70%以上が製造され[ 3 ]、2024年初頭までに数十個のセグメントが研磨された[ 40 ] 。
副鏡の製造は、非常に凸面かつ非球面であるため、大きな課題となる。また、直径4.25メートル（13.9フィート） 、重量3.5トン（7,700ポンド）と非常に大きく、光学望遠鏡に用いられる副鏡としては史上最大、そしてこれまでに製造された凸面鏡としても最大となる。
2017年1月、[ 29 ] ESOは鏡のブランクの製造契約をSchott AGに発注し、Schott AGは同年後半にゼロデュールから鋳造した。2017年5月、[ 41 ] Schott AGは鏡のより大きな主鏡部分の製造契約も受注した。
柔軟な二次鏡と三次鏡が正しい形状と位置を維持するようにするためには、複雑な支持セルも必要です。これらの支持セルはSENERによって提供されます。[ 42 ]三次鏡と同様に、二次鏡は32点で支持され、14点は縁に沿って、18点は背面に取り付けられます。アセンブリ全体はヘキサポッドに取り付けられ、数分ごとにサブマイクロメートル精度で位置合わせできます。二次鏡の変形は、三次鏡、四次鏡、または五次鏡の誤差に比べて、最終画像への影響ははるかに小さくなります。[ 43 ]
二次鏡の成形済みガラスセラミックブランクは、Safran Reosc によって研磨およびテストされています。[ 44 ] [ 45 ] [ 3 ]鏡は光学面全体で 15 ナノメートル (1 メートルの 15 億分の 15) の精度で成形および研磨されます。
2024年初頭までに、この鏡は最終的な精度に近づいていると報告された。[ 40 ]
ゼロデュールから鋳造された直径4.0メートル（13.1フィート）の凹面三次鏡は、この望遠鏡の珍しい特徴となるだろう。VLTやNASA/ESAハッブル宇宙望遠鏡を含む現在の大型望遠鏡のほとんどは、ベラ・C・ルービン天文台を除いて、2枚の湾曲鏡を使用して像を形成している。これらの場合、光を都合の良い焦点に導くために、小型の平面三次鏡が導入されることがある。しかし、ELTでは三次鏡も湾曲面になっている。これは、3枚の鏡を使用することで、2枚の鏡の設計よりも広い視野にわたってより優れた最終的な画像品質が得られるためである。[ 29 ]
二次鏡（設計上の特徴を多く共有している）と同様に、三次鏡もわずかに変形可能で、定期的にずれを補正できるようになっている。両方の鏡は32点に取り付けられ、背面に18点、縁に14点が配置されている。[ 43 ]
2023年7月現在、三次鏡は鋳造され、研磨中である。[ 3 ]
2.4メートル（7.9フィート）の四元鏡は、厚さ2mm （0.08インチ）の平面適応鏡です。最大5,000個のアクチュエータにより、表面は毎秒1,000回再調整できます。[ 33 ]これまで作られた適応鏡の中で最大となった変形鏡[ 46 ] [ 47 ]は、6つのコンポーネント花弁、制御システム、およびボイスコイルアクチュエータで構成されています。地球の大気の乱流によって引き起こされる画像の歪みは、主望遠鏡にかかる風によって引き起こされる変形と同様に、リアルタイムで補正できます。ELTの適応光学システムは、適応光学なしでこれまでに達成された最高のシーイング条件と比較して、解像度を約500倍向上させます。[ 47 ]
AdOpticaコンソーシアム[ 48 ]は、下請け業者としてINAF （イタリア国立天体物理学研究所）と提携し、四元鏡の設計と製造を担当している[ 49 ] 。6枚の花弁はドイツのSchott社で鋳造され、Safran Reosc社で研磨された[ 50 ] [ 51 ] 。
2023年7月現在、6枚の花びらはすべて完成し、支持構造への統合作業が進められています。[ 3 ]四元鏡と連携して動作する適応光学システム用の6つのレーザー光源も完成し、テスト中です。
2.7メートル×2.2メートル（8.9フィート×7.2フィート）の5次鏡は、補償光学を用いて像を精緻化するために使用されるティルトミラーです。このミラーには、ELT機器に到達する前に風、大気乱流、望遠鏡自体によって引き起こされる摂動を補正する高速ティルトシステムが組み込まれています。[ 52 ]
2024年初頭の時点で、6つの構成要素である花びらが製造され、ろう付けされて1つのユニットになっている。[ 40 ]
望遠鏡架台はメイン構造と呼ばれ、それ自体が巨大なエンジニアリングプロジェクトです。主な目標は、運用中に望遠鏡を指向すること、光路の変形（再現性のあるものと再現性のないもの両方）を最小限に抑えること、そして通常の運用時と地震発生時の両方で安全性を保証することです。[ 53 ] [ 54 ]
最下部、基礎の上には、振動と地震を遮断する層があります。これは、ゴム製の防振ベアリング、スプリング、そして大きな地震に対応するためのロックシステムで構成されています。その上に、望遠鏡が設置される大きなコンクリートブロック（ピラー）があります。これは、防振がピラーと望遠鏡の間にある一般的な大型望遠鏡とは異なります。これにより、20,000トンという非常に大きな地震質量が得られ、地震遮断効果を高め、架台の共振を回避し、望遠鏡上の計測機器に伝わる地震加速度を制限します。
コンクリート製の桟橋の上には方位軸レールが設置されています。その上には、垂直軸を中心に回転し、静水圧軸受で支えられた方位軸機構があります。さらにその上には、望遠鏡を水平から垂直に傾けることができる高度軸機構があり、これも静水圧軸受で支えられています。回転質量は約3,700トンで、方位角方向は±2度/秒、仰角方向は±1度/秒の速度で追尾できます。
方位角と仰角はどちらも極めて高い精度で測定・制御する必要があるため、各軸には光学式テープ読み取り装置とダイレクトドライブ式電動モーターが搭載されている。両システムとも冗長構成となっており、可用性を高めている。
仰角アセンブリ内には、環境の影響や向きの変化に関わらず、5 つの主鏡を適切な形状と位置合わせに保持するように設計された、複雑なアクティブミラーサポートシステムがあります。[ 55 ] [ 56 ]このシステムは、ミラー M4 の補償光学を使用して大気歪みを補正するために使用されるレーザーガイドスターの 発射と受信に必要な光学系もサポートします。
ELTドームは地上から高さ80メートル（260フィート）、直径93メートル（305フィート）[ 57 ]で、望遠鏡用に建設されたドームとしては史上最大です。ドームの総質量は約6,100トン（13,400,000ポンド）、望遠鏡の架台とチューブ構造の総可動質量は約3,700トン（8,200,000ポンド）です。
観測用のスリットとして、ドームには一対の大きな引き戸が備え付けられている。この引き戸は41メートル（135フィート）の開口部を提供する。
ESOは、望遠鏡の主要構造物とともに、アスタルディとチモライ[ 59 ]と指名された下請け業者であるイタリアのEIEグループ[60]からなるイタリアのACeコンソーシアムと建設契約を締結した[58]。調印式は2016年5月25日にドイツのミュンヘン近郊ガルヒングにあるESO本部で行われた[ 61 ]。
ドームは、悪天候時や日中、望遠鏡に必要な保護を提供するものです。ドームについては、いくつかのコンセプトが評価されました。最終的な設計は、コンクリート製の支柱の上に回転するほぼ半球形のドームで、湾曲した横開き式のドアが付いています。これは、コスト削減を目的とした、以前の設計からの再最適化です。[ 62 ]
契約締結から1年後、2017年5月に最初の礎石を据える式典が行われ、敷地はACeに引き渡され、ドームの主要構造の建設が始まった。2025年4月現在、ドームは完成し、扉の設置作業が進められている。[ 63 ] [ 64 ]
天体観測性能の観点から、ドームは 1 度の天頂回避軌跡を追尾し、5 分以内に新しいターゲットにプリセットできることが求められます。そのためには、ドームが2 度/秒の角速度で加速して移動できることが必要です (線速度は約5 km/h または 4.6 ft/sで、速歩きに相当)。[ 65 ]ドームは、望遠鏡が開いているか閉じているかに関わらず、望遠鏡が自由に位置を調整できるように設計されており、天頂から地平線から 20 度までの範囲での観測も可能です。
ELTドームは開口部が非常に大きいため、望遠鏡の鏡（副鏡を除く）を風の直接的な影響から保護するために、風防が必要となります。風防は、設置に必要な容積を最小限に抑えるように設計されています。開口部の幅全体にわたる4枚の球状ブレードを望遠鏡の開口部の前に上下させることで、風を遮断することができます。
ドームの設計は、ドーム内の換気を十分に確保し、ドームシーイングによって望遠鏡の性能が制限されないように配慮されています。そのため、ドームにはルーバーが備え付けられており、風防はルーバーがその機能を十分に発揮できるように設計されています。
ドーム内外の気流、および望遠鏡を保護する上でのドームと風防の有効性を研究するために、計算流体力学シミュレーションと風洞実験が実施されている。
防水性だけでなく気密性も設計要件の一つであり、日中の空調負荷を最小限に抑える上で極めて重要である。ドームの空調は、望遠鏡を翌晩の観測に向けて熱的に準備するだけでなく、望遠鏡の光学系を清潔に保つためにも必要となる。
日中の望遠鏡の空調は非常に重要であり、現在の仕様では、ドームが12時間かけて望遠鏡と内部空間を10 ℃（18 °F）冷却することが認められている。
ELTは、他の恒星を周回する惑星である太陽系外惑星を探査します。これには、周回する惑星によって摂動を受けた恒星の揺れを間接的に測定することによって地球質量程度の惑星を発見することだけでなく、より大きな惑星を直接画像化すること、そしておそらくはそれらの大気の特性を明らかにすることも含まれます。[ 66 ]この望遠鏡は、地球型系外惑星の画像化を試みます。[ 2 ]
さらに、ELTの観測機器群によって、天文学者は惑星系の形成の初期段階を調査し、形成中の星の周りの原始惑星系円盤内の水や有機分子を検出することができる。したがって、ELTは惑星の形成と進化に関する根本的な疑問に答えることができるだろう。[ 6 ]
ELTは最も遠い天体を観測することで、最初に形成された天体、すなわち原始星、原始銀河、ブラックホールの形成とその関係性を理解するための手がかりを提供する。ブラックホールのような極端な天体の研究は、ELTのパワーによって、コンパクト天体の周囲で起こっているさまざまなプロセスに関連する時間依存現象についてより深い洞察を得られるという恩恵を受けるだろう。[ 66 ]
ELTは、初期銀河の詳細な研究のために設計されています。ELTによるこれらの初期銀河の観測は、これらの天体がどのように形成され進化するのかを理解する上で役立つ手がかりを与えてくれます。さらに、ELTは、宇宙におけるさまざまな元素の時間の経過に伴う変化を記録し、銀河における星形成の歴史を理解するためのユニークなツールとなるでしょう。[ 67 ]
ELTの目標の一つは、宇宙膨張の加速を直接測定できる可能性を探ることである。このような測定は、宇宙に対する我々の理解に大きな影響を与えるだろう。ELTはまた、基本的な物理定数の時間的変化の可能性も探る。このような変化が明確に検出されれば、物理学の一般法則に対する我々の理解に広範囲にわたる影響を与えるだろう。[ 67 ]
この望遠鏡には複数の科学観測機器が搭載されており、数分以内に機器を切り替えることができる。また、望遠鏡とドームは天球上の位置を移動させ、短時間で新たな観測セッションを開始できる。
その機器のうち4つ（第一世代）は日の出時または日の出直後に利用可能となり、他の2つは後日運用を開始する。運用期間中は他の機器も設置できる。[ 69 ]
第1世代には、MICADO、HARMONI、METISの4つの観測機器と、適応光学システムMORFEOが含まれています。
第2世代の観測機器は、MOSAICとANDESで構成されている。
現在稼働している最大の光学望遠鏡の 1 つは、グラン テレスコピオ カナリアスで、口径は10.4 メートル (34フィート)、集光面積は74 m 2 (800 ft 2 )です。計画されている他の超大型望遠鏡には、鏡の直径が25 m (82フィート)、面積が368 m 2 (3,960 ft 2 )のジャイアント マゼラン望遠鏡と、直径30 m (98フィート)、面積が655 m 2 (7,050 ft 2 )の30 メートル望遠鏡があります。これら 2 つの望遠鏡も、ほぼ同じ次世代の地上光学望遠鏡に属します。[ 76 ] [ 77 ]それぞれの設計は、以前の望遠鏡よりもはるかに大きいです。[ 2 ]
ELTのサイズは当初の設計より縮小されました。縮小されたとはいえ、ELTは計画されている他の2つの超大型望遠鏡よりもかなり大きいです。[ 2 ]ハッブル宇宙望遠鏡よりも15倍鮮明な画像を撮影することで、宇宙をより詳細に観測することを目的としていますが、通常は観測時間が非常に限られている宇宙望遠鏡を補完するように設計されています。 [ 26 ] ELTの4.2メートルの副鏡は、ヨーロッパで2番目に大きい光学望遠鏡であるウィリアム・ハーシェル望遠鏡の主鏡と同じサイズです。
理想的な条件下での ELT の角度分解能は 0.005秒角で、これは 2 つの光源が 1 AU離れている場合を200 pc (650 ly)の距離で分離すること、または 2 つの光源が30 cm (12 in)離れている場合を約12,000 km (7,500 mi)の距離で分離することに相当します。0.03 秒角では、コントラストは 10 8になると予想され、系外惑星を探すのに十分です。[ 78 ]人間の肉眼の角度分解能は 1 分角で、これは 2 つの光源が 30 cm 離れている場合を 1 km の距離で分離することに相当します。
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