Źródło zdjęcia: University of Arizona
Ponad 30 lat temu dr Roger Angel przybył na uniwersytet w Arizonie, przyciągany przez sprzyjające warunki do obserwacji astronomicznych w rejonie Tucson w Arizonie: kilka teleskopów znajduje się w pobliżu, a pogoda jest cudownie umiarkowana. Ale teraz Angel proponuje zbudowanie teleskopu w miejscu nieco bardziej odległym i nie tak balsamicznym: kraterze polarnym na Księżycu.
Znany ze swoich innowacji w zakresie lekkich zwierciadeł teleskopów i optyki adaptacyjnej, Angel kieruje teraz zespołem naukowców z USA i Kanady, którzy badają wykonalność budowy Obserwatorium Podczerwieni Głębokiego Pola w pobliżu jednego z biegunów księżycowych za pomocą Lustrzanego Teleskopu Lustra (LMT) ).
Ta koncepcja jest jedną z 12 propozycji, które zaczęły otrzymywać fundusze od NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC). Każda z nich otrzymuje 75 000 $ na półroczne badania, aby przeprowadzić wstępne badania i zidentyfikować wyzwania w rozwoju. Projekty, które przejdą przez pierwszą fazę, mogą otrzymać nawet 400 000 USD więcej w ciągu dwóch lat.
LMT są wytwarzane przez wirowanie odbijającej cieczy, zwykle rtęci, na platformie w kształcie misy, aby utworzyć paraboliczną powierzchnię, idealną dla optyki astronomicznej. Isaac Newton pierwotnie zaproponował teorię, ale technologia umożliwiająca skuteczne stworzenie takiego urządzenia została dopiero niedawno opracowana. Obecnie używana jest tylko garstka LMT, w tym 6-metrowy LMT w Vancouver w Kanadzie oraz 3-metrowa wersja, której NASA używa w Obserwatorium Orbital Debris w Nowym Meksyku.
Na Ziemi, LMT mają ograniczony rozmiar do około 6 metrów średnicy, ponieważ samoczynnie generowany wiatr, który powstaje podczas obracania się teleskopu, zakłóca powierzchnię. Ponadto, podobnie jak inne teleskopy ziemskie, LMT podlegają absorpcji i zniekształceniom atmosferycznym, co znacznie zmniejsza zasięg i czułość obserwacji w podczerwieni. Ale księżyc bez atmosfery, mówi Angel, stanowi idealne miejsce dla tego typu teleskopu, zapewniając jednocześnie grawitację niezbędną do powstania lustra parabolicznego.
Potencjał LMT na Księżycu polega na stworzeniu bardzo dużego teleskopu. Dla porównania, Kosmiczny Teleskop Hubble'a ma zwierciadło o długości 2,4 metra, a Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST) opracowany do wypuszczenia w 2011 roku będzie miał zwierciadło o długości 6 metrów. Koncepcja propozycji Angel NIAC to 20-metrowe lustro, ale dzięki dotychczasowym badaniom zespół stara się teraz stworzyć bardzo duże lustra, przy czym 100 metrów to duża opcja. Rozważają również mniejsze LMT. „Oczywiście nie możemy lecieć na księżyc i zrobić z lustra 100 metrów lustra” - powiedział Angel. „Przyglądamy się sekwencji rozmiarów 2, 20 i 100 metrów i sprawdzamy, jaki potencjał ma każdy z nich”. Angel uważa, że 2-metrowy teleskop mógłby być wykonany bez obecności człowieka na Księżycu i ustawiony jako robotyczny teleskop, podobnie jak obecnie działają instrumenty naukowe łazików marsjańskich.
Ograniczeniem płynnego zwierciadła jest to, że wskazuje ono tylko prosto w górę, więc nie jest jak standardowy teleskop, który można skierować w dowolnym kierunku i śledzić obiekty na niebie. Patrzy tylko na obszar nieba bezpośrednio nad głową.
Zatem naukowym celem LMT jest nie patrzenie na całe niebo, ale zajęcie jednego obszaru przestrzeni i spojrzenie na niego intensywnie. Ten rodzaj astronomii był bardzo „opłacalny”, jak to określił Angel, pod względem bogactwa zgromadzonych informacji. Jednymi z najbardziej produktywnych wysiłków naukowych Kosmicznego Teleskopu Hubble'a były jego zdjęcia z „głębokiego pola”.
Aby móc przez cały czas patrzeć tylko na jeden obszar przestrzeni, kieruj Angel i jego zespół do jednego z księżycowych biegunów, aby znaleźć najlepszą lokalizację dla tego teleskopu. Podobnie jak na biegunach Ziemi, patrzenie prosto w górę z biegunów na Księżycu zawsze zapewnia takie samo pozagalaktyczne pole widzenia. „Jeśli pójdziemy na biegun północny lub południowy księżyca, będziemy cały czas wyobrażać sobie jedną plamę nieba, co pozwala na niezwykle głęboką integrację, znacznie głębszą nawet niż Głębokie Pole Hubble'a”. Połączmy to z dużą aperturą, a ten teleskop zapewni głębokość obserwacji, której nie dorówna żaden teleskop na Ziemi ani w kosmosie. „To nisza lub szczególna siła tego teleskopu” - powiedział Angel.
Kolejną zaletą płynnych zwierciadeł jest to, że są one bardzo tanie w porównaniu do procesu tworzenia standardowego lustra poprzez tworzenie, polerowanie i testowanie dużego, sztywnego kawałka szkła lub tworzenie mniejszych kawałków, które muszą być wypolerowane, przetestowane, a następnie bardzo połączone ze sobą dokładnie. Ponadto LMT nie potrzebują drogich mocowań, podpór, systemów śledzenia ani kopuły.
„Oczekuje się, że całkowity koszt teleskopu Jamesa Webba przekroczy miliard dolarów, a cena na samym lustrze to około ćwierć miliona dolarów” - powiedział Angel. „To lustro ma 6 metrów, więc jeśli przeskalujemy tę technologię do jeszcze większych lusterek w kosmosie, w końcu zburzymy bank i nie będziemy w stanie sobie na nie pozwolić dzięki obecnej technologii wytwarzania polerowanego lustra i zabrać go w kosmos. ”
Mimo że 2-metrowy teleskop byłby prototypem, nadal byłby cenny astronomicznie. „Moglibyśmy robić rzeczy, które są komplementarne do Spitzer Space Telescope i Webb Telescope, ponieważ 2-metrowy teleskop na Księżycu wypełniłby terytorium pomiędzy tymi dwoma teleskopami.” 20-metrowe lustro zapewniłoby rozdzielczość 3 razy większą niż JWST, a poprzez zintegrowanie lub pozostawienie otwartej „migawki” na długie okresy, jak rok, można było oglądać obiekty 100 razy słabsze. Lustro o długości 100 metrów dostarczyłoby dane, które są poza planami.
Jednym z wyzwań przy opracowywaniu LMT na Księżycu jest stworzenie łożysk, aby obracać platformę płynnie i ze stałą prędkością. Łożyska powietrzne są używane do LMT na Ziemi, ale bez powietrza na Księżycu jest to niemożliwe. Angel i jego zespół przyglądają się kriogenicznym łożyskom lewitacyjnym, podobnym do tego, co stosuje się w magnetycznych pociągach lewitacyjnych, aby uzyskać beztarciowy ruch za pomocą pola magnetycznego. Angel dodał: „Jako bonus, przy niskich temperaturach na Księżycu możesz to zrobić bez zużywania energii, ponieważ możesz stworzyć magnes nadprzewodzący, który pozwoli ci stworzyć łożysko lewitacyjne, które nie wymaga ciągłego dostarczania energii elektrycznej. ”
Angel nazwał łożyska kluczowym elementem teleskopu. „Ponieważ na Księżycu nie ma powietrza, które mogłoby wytworzyć wiatr, nie ma ograniczeń co do wielkości ani osiągania wymaganej dokładności, o ile łożysko jest w porządku” - powiedział Angel.
Jedną z ewolucji projektu od czasu otrzymania finansowania NIAC jest lokalizacja teleskopu. W początkowej propozycji zespół Anioła faworyzował południowy biegun księżyca w kraterze Shackleton. Uświadomili sobie, że biegun północny faktycznie oferuje lepsze pole widzenia do obserwacji pozagalaktycznych, a Angel czeka na dane z księżycowego orbitera SMART-1 Europejskiej Agencji Kosmicznej, który niedawno zaczął badać polarne regiony Księżyca.
„W regionach polarnych są pewne kratery, w których słońce nigdy nie oświetla i nigdy nie ogrzewa ziemi” - powiedział Angel. „Jest tam wyjątkowo zimno, niewiele powyżej absolutnego zera. Zamiast budować teleskop w tak nieprzyjaznych warunkach, spróbowalibyśmy zbudować teleskop na szczycie jednego z biegunów, gdzie słońce prawie cały czas świeciłoby. Zapewniłoby to energię słoneczną, a warunki byłyby lepsze dla mieszkających tam ludzi. Wszystko, co musisz zrobić, to umieścić wokół teleskopu cylindryczny ekran Mylar, aby słońce nigdy go nie uderzyło i ostygnie tak, jak na dnie kraterów. ”
Podczas obserwacji w podczerwieni zimny teleskop jest niezbędny, aby widzieć zimniejsze i słabsze obiekty w kosmosie. Idealne byłoby posiadanie teleskopu w pobliżu zera absolutnego (0 stopni Kelvina, -273 ° C, -460 F). Ponieważ rtęć zamarza w tych temperaturach, kolejnym wyzwaniem dla projektu jest znalezienie odpowiedniej cieczy do wirowania w lustrze. Niektórzy kandydaci to etan, metan i inne małe węglowodory, takie jak płyny znalezione na Tytanie przez sondę Huygens, która wylądowała na największym księżycu Saturna 14 stycznia.
„Ale te ciecze nie są błyszczące, więc musisz dowiedzieć się, jak osadzić błyszczący metal, taki jak aluminium, bezpośrednio na powierzchni cieczy” - powiedział Angel. „Zwykle, kiedy tworzymy teleskop astronomiczny, wykonujemy lustra ze szkła, które nie odbijają bardzo dużo, a następnie odparowuje się aluminium lub srebro na szkle. Na Księżycu musielibyśmy odparować metal raczej na cieczy niż na szkle. ”
To jeden z kluczowych obszarów badań w ramach nagrody NIAC. W początkowych badaniach zespół Angel był w stanie odparować metal do cieczy, choć jeszcze nie przy wymaganych niskich temperaturach. Zachęca ich jednak dotychczasowe wyniki.
Zespół Anioła jest nietypowy dla projektu NIAC, ponieważ jest to współpraca międzynarodowa, a NIAC nie finansuje międzynarodowych partnerów. „Zdarza się, że światowi eksperci od tworzenia obracających się teleskopów z lustrem ciekłym znajdują się w Kanadzie, więc było bardzo istotne, że jeśli zastanawiamy się nad zrobieniem tego na Księżycu, to przynosimy je” - powiedział Angel. „Na szczęście weszli na swój bilet, że tak powiem, i są podekscytowani projektem”.
Kanadyjskimi członkami zespołu są Emanno Borra z Laval University w Quebecu, który bada i buduje LMT od wczesnych lat 80-tych oraz Paul Hickson z University of British Columbia, który z pomocą Borry zbudował 6-metrowy LMT w Vancouver. Inni współpracownicy to Ki Ma z University of Texas w Houston, który jest ekspertem w dziedzinie łożysk kriogenicznych, Warren Davison z University of Arizona, który jest ekspertem w dziedzinie inżynierii mechanicznej w teleskopach oraz absolwent Suresh Sivanandam.
NIAC został utworzony w 1998 r. W celu pozyskiwania rewolucyjnych koncepcji od ludzi i organizacji spoza agencji kosmicznej, które mogłyby rozwijać misje NASA. Wybrane zwycięskie koncepcje zostały wybrane, ponieważ „przekraczają granice znanej nauki i technologii” oraz „wykazują znaczenie dla misji NASA”, według NASA. Oczekuje się, że opracowanie tych koncepcji zajmie co najmniej dekadę.
Angel mówi, że otrzymanie nagrody NIAC to świetna okazja. „Bez wątpienia napiszemy propozycję fazy II (finansowania NIAC)” - powiedział. „Zidentyfikowaliśmy podczas pierwszej fazy niektóre z najważniejszych problemów w tym projekcie i jakie praktyczne kroki powinniśmy podjąć teraz. Otworzyliśmy kilka pytań i są pewne proste testy, które możemy zrobić, aby sprawdzić, czy są jakieś przeszkody w pokazach, czy nie. ”
Największą przeszkodą w urzeczywistnieniu Obserwatorium Księżycowej Podczerwieni jest najprawdopodobniej całkowicie brak rąk Anioła. „Księżyc jest bardzo interesującym miejscem do nauki” - powiedział Angel. „Opiera się jednak na znacznym zaangażowaniu zasobów przez NASA w powrót na Księżyc”. Z pewnością, aby zbudować duże 20 lub 100-metrowe teleskopy, na Księżycu musiałaby istnieć załoga. „Więc” - kontynuował Angel - „zaczepiając swoją naukę w tym kierunku, stajesz się ogonem bardzo dużego psa, nad którym absolutnie nie masz kontroli”?
Angel ma nadzieję, że NASA i Stany Zjednoczone utrzymają impet Wizji Eksploracji Kosmosu i powrócą na Księżyc. „Myślę, że ostatecznie wyprowadzenie się w kosmos jest czymś, co ludzie pragną i kiedyś zrobią” - powiedział Angel. „Kiedy tak się dzieje, ważne jest, aby mieć ciekawe rzeczy do zrobienia. Musimy wiedzieć, dlaczego opuściliśmy powierzchnię tej planety, aby udać się na Księżyc. Badamy, tak, ale możemy badać nie tylko księżyc, ale wykorzystać to jako miejsce do prowadzenia badań naukowych poza Księżycem. Myślę, że to powinno się zdarzyć na dużym obrazie ”.
Nancy Atkinson jest niezależnym pisarzem i ambasadorem Układu Słonecznego NASA. Ona mieszka w Illinois.
