Obrazový kredit: University of Arizona
Pred viac ako 30 rokmi prišiel na univerzitu v Arizone Dr. Roger Angel, nakreslený priaznivými podmienkami pre astronomické pozorovanie v oblasti Tucson v arizonskej oblasti. V blízkosti je niekoľko ďalekohľadov a počasie je samozrejme úžasne mierne. Teraz však Angel navrhuje postaviť ďalekohľad na mieste, ktoré je trochu vzdialenejšie a nie celkom také hrozné: polárny kráter na Mesiaci.
Známy pre svoje inovácie v ľahkých ďalekohľadových zrkadlách a adaptívnej optike, Angel teraz vedie tím vedcov z USA a Kanady, ktorí skúmajú uskutočniteľnosť výstavby diaľkového infračerveného observatória blízko jedného z lunárnych pólov pomocou kvapalinového zrkadlového ďalekohľadu (LMT) ).
Táto koncepcia je jedným z 12 návrhov, ktoré začali dostávať finančné prostriedky v októbri v októbri od Inštitútu pre pokrokové koncepcie NASA (NIAC). Každý z nich dostane 75 000 dolárov na šesťmesačný výskum, aby urobil počiatočné štúdie a identifikoval výzvy vo vývoji. Projekty, ktoré sa dostanú do prvej fázy, sú oprávnené na viac ako 400 000 dolárov v priebehu dvoch rokov.
LMT sa vyrábajú zvlákňovaním reflexnej kvapaliny, obvykle ortuti, na platforme v tvare misky, aby sa vytvoril parabolický povrch, ideálny pre astronomickú optiku. Isaac Newton pôvodne navrhoval túto teóriu, ale technológia na úspešné vytvorenie takéhoto zariadenia bola úspešne vyvinutá len nedávno. V súčasnosti sa používa iba niekoľko LMT, vrátane 6-metrovej LMT vo Vancouveri v Kanade a 3-metrovej verzie, ktorú NASA používa pre svoje observatórium orbitálneho rušenia v Novom Mexiku.
Na Zemi sú rozmery LMT obmedzené na priemer asi 6 metrov, pretože vlastne generovaný vietor, ktorý pochádza z rotácie ďalekohľadu, narušuje povrch. Podobne ako iné ďalekohľady založené na Zemi, aj LMT sú vystavené atmosférickej absorpcii a skresleniu, čo výrazne znižuje dosah a citlivosť infračerveného pozorovania. Ale mesiac bez atmosféry, Angel hovorí, poskytuje ideálne miesto pre tento typ ďalekohľadu a dodáva gravitáciu potrebnú na vytvorenie parabolického zrkadla.
Potenciál LMT na Mesiaci je vytvoriť veľmi veľký ďalekohľad. Hubbleov vesmírny teleskop má napríklad zrkadlo 2,4 metra a vesmírny teleskop James Webb (JWST), ktorý sa vyvinul na spustenie v roku 2011, bude mať zrkadlo 6 metrov. Koncepcia návrhu Angel NIAC je 20 metrov zrkadlo, ale s výskumom, ktorý tím doteraz vykonal, sa teraz snaží vytvoriť veľmi veľké zrkadlá, pričom 100 metrov je veľká alternatíva. Uvažujú aj o menších LMT. "Zrejme nemôžeme ísť na Mesiac a urobiť zo 100 metrov zrkadla prvú vec," povedal Angel. „Pozeráme sa na postupnosť mierok 2 metre, 20 metrov a 100 metrov a pozeráme sa na to, aký je ich potenciál.“ Angel verí, že 2-metrový ďalekohľad by mohol byť vyrobený bez prítomnosti človeka na Mesiaci, a bol postavený ako robotický ďalekohľad, podobne ako vedecké nástroje na Mars roveroch, ktoré v súčasnosti fungujú.
Obmedzenie tekutého zrkadla spočíva v tom, že smeruje iba priamo nahor, takže to nie je ako štandardný ďalekohľad, ktorý môže byť nasmerovaný v ľubovoľnom smere a sledovať objekty na oblohe. Pozerá sa iba na oblasť oblohy, ktorá je priamo nad hlavou.
Vedeckým cieľom LMT teda nie je pozerať sa na celú oblohu, ale zaberať jednu oblasť vesmíru a intenzívne sa na ňu pozerať. Tento typ astronómie je veľmi „ziskový“, ako to opísal Angel, pokiaľ ide o množstvo získaných informácií. Medzi najproduktívnejšie vedecké snahy Hubbleovho vesmírneho teleskopu patria fotografie „Deep Field“.
Aby bol Angel vždy schopný pozerať sa iba na jednu oblasť vesmíru, vedie Angel a jeho tím k hľadaniu najlepšieho miesta pre tento ďalekohľad k jednému z mesačných stĺpov. Rovnako ako pri póloch Zeme, pozeranie priamo z pólov na Mesiaci vždy poskytuje rovnaké extragalaktické zorné pole. "Ak pôjdeme na severný alebo južný pól Mesiaca, budeme si stále predstavovať jednu oblohu oblohy, a tak vám umožní vykonať extrémne hlbokú integráciu, oveľa hlbšiu dokonca ako Hubbleovo hlboké pole." Skombinujte to s veľkým otvorom a tento ďalekohľad by poskytoval hĺbku pozorovania, ktorá by nebola porovnateľná s akýmkoľvek ďalekohľadom na Zemi alebo vo vesmíre. "To je výklenok alebo zvláštna sila tohto ďalekohľadu," povedal Angel.
Ďalšou nevýhodou tekutých zrkadiel je to, že sú veľmi lacné v porovnaní s procesom výroby štandardných zrkadiel vytváraním, leštením a testovaním veľkého, tuhého kúska skla alebo vytváraním menších kúskov, ktoré sa musia leštiť, testovať a potom veľmi dobre spojiť. presne. LMT tiež nepotrebujú drahé držiaky, podpery, sledovacie systémy ani kupolu.
"Očakáva sa, že celkové náklady na Telescope James Webb prekročia miliardu dolárov, pričom cenovka len na zrkadle bude asi štvrtina milióna dolárov," uviedol Angel. „Toto zrkadlo je 6 metrov, takže ak prispôsobíme túto technológiu na ešte väčšie zrkadlá v priestore, nakoniec sa nám podarí rozbiť banku a nebudeme si ich môcť dovoliť súčasnou technológiou výroby lešteného zrkadla a dostať to do vesmíru. “
Aj keď by 2-metrový ďalekohľad bol prototypom, stále by bol astronomicky cenný. "Mohli by sme robiť veci, ktoré dopĺňajú vesmírny teleskop Spitzer a Webb Telescope, pretože dvojmetrový ďalekohľad na Mesiaci vyplnil územie medzi týmito dvoma ďalekohľadmi." 20-metrové zrkadlo by poskytlo rozlíšenie 3-krát väčšie ako JWST a integráciou alebo ponechaním „uzávierky“ na dlhú dobu, napríklad rok, by sa dali zobraziť objekty, ktoré stokrát slabšie. 100 metrové zrkadlo by poskytlo údaje, ktoré sú mimo grafov.
Jednou z výziev pri vývoji LMT na mesiaci je vytvorenie ložísk, ktoré hladko a konštantne točia platformu. Vzduchové ložiská sa používajú pre LMT na Zemi, ale bez vzduchu na mesiaci to nie je možné. Angel a jeho tím sledujú kryogénne levitačné ložiská, podobné tým, ktoré sa používajú pre vlaky s magnetickou levitáciou, aby pomocou magnetického poľa získali pohyb bez trenia. Angel dodal: „Ako bonus môžete pri nízkych teplotách na Mesiaci to urobiť bez vynaloženia akejkoľvek energie, pretože môžete vytvoriť supravodivý magnet, ktorý vám umožní vyrobiť levitujúce ložisko, ktoré nevyžaduje nepretržitý prísun elektrickej energie. "
Angel označil ložiská za kritickú súčasť ďalekohľadu. "Bez vzduchu na Mesiaci, ktorý by vytváral vietor, nie je žiadne obmedzenie veľkosti ani dosiahnutie presnosti, ktorú požadujete, pokiaľ je ložisko v poriadku," povedal Angel.
Jedným z vývoja projektu od získania financovania NIAC je umiestnenie ďalekohľadu. V pôvodnom návrhu podporil Angelov tím v južnom póle mesiaca v kráteru Shackleton. Severný pól však v skutočnosti ponúka lepšie zorné pole na extragalaktické pozorovanie, uvedomili si, a Angel očakáva údaje z lunárneho obežníka SMART-1 Európskej vesmírnej agentúry, ktorý nedávno začal skúmať polárne oblasti mesiaca.
"V polárnych oblastiach sú niektoré krátery, kde slnko nikdy nesvieti a nikdy nezahrieva zem," uviedol Angel. „Je tu veľmi chladno, nie príliš vysoko nad nulou. Skôr než postaviť ďalekohľad v takýchto nepriateľských podmienkach by sme sa pokúsili postaviť ďalekohľad na vrchol jedného z pólov, kde by slnečné žiarenie bolo takmer nepretržite. To by poskytlo slnečnú energiu a podmienky by boli lepšie pre ľudí, ktorí tam žijú. Všetko, čo musíte urobiť, je umiestniť valcovú obrazovku Mylar okolo ďalekohľadu, aby nedochádzalo k tomu, aby ju slnečné lúče niekedy zasiahli, a ochladí sa rovnako ako v spodnej časti kráterov.
Pri infračervenom pozorovaní je studený teleskop nevyhnutný na to, aby bolo možné vidieť chladnejšie a slabšie predmety vo vesmíre. Ideálne by bolo mať teleskop na takmer absolútnej nule (0 stupňov Kelvina, -273 ° C, -460 ° F). Pretože pri týchto teplotách ortuť zamrzne, ďalšou výzvou pre tento projekt je nájsť tú správnu tekutinu, ktorá sa točí do zrkadla. Niektorí z kandidátov sú etán, metán a ďalšie malé uhľovodíky, ako napríklad kvapaliny, ktoré našli na Titáne Huygensova sonda, ktorá 14. januára pristála na Saturnovom najväčšom mesiaci.
"Ale tieto tekutiny nie sú lesklé, takže musíte zistiť, ako uložiť lesklý kov, ako je hliník, priamo na povrch kvapaliny," povedal Angel. „Normálne, keď vyrábame astronomický teleskop, vyrábame zrkadlá zo skla, ktoré sa veľmi neodráža a potom na sklo vyparíte hliník alebo striebro. Na Mesiaci by sme museli kov odparovať skôr na tekutinu ako na sklo. “
To je jedna z kľúčových oblastí výskumu v rámci ceny NIAC. V počiatočných štúdiách bol Angelov tím schopný odpariť kov na tekutinu, aj keď ešte pri požadovaných nízkych teplotách. Výsledky sú zatiaľ povzbudené.
Angelov tím je pre projekt NIAC atypický tým, že ide o medzinárodnú spoluprácu a NIAC nefinancuje medzinárodných partnerov. "Stáva sa, že všetci svetoví experti na výrobu spriadacích ďalekohľadov s tekutým zrkadlom sú všetci v Kanade, takže bolo celkom dôležité, že ak uvažujeme o tom, že to urobíme na Mesiaci, privedieme ich," uviedol Angel. "Našťastie prišli na svoj vlastný lístok, aby som tak povedal, a projekt ich nadchne."
Kanadskými členmi tímu sú Emanno Borra z Laval University v Quebecu, ktorý skúma a stavia LMT od začiatku 80. rokov, a Paul Hickson z University of British Columbia, ktorý s pomocou Borry postavil 6 metrov LMT v Vancouver. Ďalšími spolupracovníkmi sú Ki Ma na Texaskej univerzite v Houstone, ktorý je odborníkom na kryogénne ložiská, Warren Davison z Arizonskej univerzity, odborník na strojárstvo v teleskopech, a postgraduálny študent Suresh Sivanandam.
NIAC bol vytvorený v roku 1998 s cieľom získať revolučný koncept od ľudí a organizácií mimo vesmírnej agentúry, ktoré by mohli rozvíjať misie NASA. Výherné koncepty sa vyberajú preto, že „posúvajú hranice známej vedy a techniky“ a „ukazujú význam pre misiu NASA“ podľa agentúry NASA. Očakáva sa, že rozvoj týchto koncepcií bude trvať najmenej desať rokov.
Angel hovorí, že získanie ceny NIAC je skvelá príležitosť. „Nepochybne napíšeme návrh na fázu II (financovania NIAC),“ uviedol. „Počas fázy I sme zistili, aké sú najdôležitejšie problémy tohto projektu a aké praktické kroky by sme mali podniknúť teraz. Otvorili sme niekoľko otázok a môžeme urobiť niekoľko jednoduchých testov, aby sme zistili, či existujú nejaké zarážky alebo nie. “
Najväčšou prekážkou pri realizácii lunárneho infračerveného observatória je, s najväčšou pravdepodobnosťou, úplne mimo Angelových rúk. "Mesiac je veľmi zaujímavé miesto pre vedu," povedal Angel. "Je to však založené na značnom záväzku zdrojov NASA vrátiť sa na Mesiac." Na stavbu veľkých ďalekohľadov s dĺžkou 20 alebo 100 metrov by určite musela byť na Mesiaci posádka. „Takže,“ pokračoval Angel, „zasiahnutím svojej vedy týmto smerom sa stanete chvostom veľmi veľkého psa, nad ktorým nemáte absolútne žiadnu kontrolu“?
Angel dúfa, že NASA a USA dokážu udržať tempo vízie pre vesmírny výskum a vrátiť sa na Mesiac. "Nakoniec si myslím, že pohyb do vesmíru je niečo, čo ľudia musia urobiť a niekedy urobia," povedal Angel. „Keď sa to stane, je dôležité mať zaujímavé veci, ktoré sa majú urobiť, len čo sa tam dostaneme. Musíme vedieť, prečo sme nechali povrch tejto planéty ísť na Mesiac. Preskúmame to, áno, ale môžeme preskúmať nielen mesiac, ale použiť ho ako miesto na vykonávanie vedeckého výskumu za mesiacom. Myslím si, že by sa malo niečo stať. “
Nancy Atkinson je spisovateľ na voľnej nohe a veľvyslanec NASA Solar System Ambassador. Žije v Illinois.
