Кредит на изображението: Университет на Аризона
Преди повече от 30 години д-р Роджър Ейнджъл дойде в Университета на Аризона, привлечен от благоприятните условия за астрономически наблюдения в района на Тусон, Аризона: няколко телескопа са удобно наблизо и, разбира се, времето е чудесно умерено. Но сега Ангел предлага да се построи телескоп на място, което е малко по-отдалечено и не толкова благоприятно: полярен кратер на Луната.
Известен със своите иновации в леките телескопни огледала и адаптивната оптика, Ангел сега ръководи екип от учени от САЩ и Канада, които проучват възможността за изграждане на инфрачервена обсерватория с дълбоко поле близо до един от лунните полюси с помощта на телескоп с течни огледала (LMT ).
Тази концепция е едно от 12-те предложения, които започнаха да получават финансиране миналия октомври от Института за напреднали концепции на НАСА (NIAC). Всеки получава 75 000 долара за шестмесечни изследвания, за да направи първоначални проучвания и да идентифицира предизвикателствата в развитието. Проектите, които преминават през първата фаза, отговарят на условията за още 400 000 долара за две години.
LMT се правят чрез въртене на отразяваща течност, обикновено живак, върху платформа с форма на купа, за да образуват параболична повърхност, идеална за астрономическа оптика. Първоначално Исак Нютон предложи теорията, но технологията за успешно създаване на такова устройство е разработена едва наскоро. Днес се използват само шепа LMT, включително 6-метров LMT във Ванкувър, Канада и 3-метрова версия, която НАСА използва за своята орбитална обсерватория за отломки в Ню Мексико.
На Земята LMT са ограничени по размер до около 6 метра в диаметър, тъй като самогенерираният вятър, който идва от въртенето на телескопа, нарушава повърхността. Освен това, подобно на други базирани на Земята телескопи, LMT са обект на атмосферно поглъщане и изкривяване, което значително намалява обхвата и чувствителността на инфрачервеното наблюдение. Но луната без атмосфера, казва Ангел, осигурява идеалното място за този тип телескоп, като същевременно осигурява гравитацията, необходима за образуването на параболичното огледало.
Потенциалът на LMT на Луната е да направи много голям телескоп. За справка, космическият телескоп Хъбъл има 2,4-метрово огледало, а космическият телескоп Джеймс Уеб (JWST), който се разработва за изстрелване през 2011 г., ще има 6-метрово огледало. Концепцията за предложението на NIAC на Angel е 20-метрово огледало, но с изследванията, които екипът е направил досега, те сега се стремят към създаването на много големи огледала, като 100 метра са най-големият вариант. Те обмислят и по-малки LMT. „Очевидно не можем да отидем на Луната и първо да направим 100-метрово огледало“, каза Ангел. „Разглеждаме поредица от мащаби от 2 метра, 20 метра и 100 метра и гледаме какъв е потенциалът за всеки един от тях. Ангел вярва, че 2-метровият телескоп може да бъде направен без човешко присъствие на Луната и да бъде настроен като роботизиран телескоп, подобно на научните инструменти на марсоходите, които работят в момента.
Ограничението на течното огледало е, че то сочи само нагоре, така че не е като стандартен телескоп, който може да бъде насочен във всяка посока и да проследява обекти в небето. Гледа само областта на небето, която е точно над главата.
И така, научната цел на LMT е да не гледа цялото небе, а да вземе една област от пространството и да я погледне интензивно. Този тип астрономия е била много „печеливша“, както я описа Ангел, по отношение на богатството на събраната информация. Някои от най-продуктивните научни усилия на космическия телескоп Хъбъл са снимките му „Дълбоко поле“.
Възможността да гледате само една област от пространството по всяко време кара Ангел и неговия екип да търсят най-доброто място за този телескоп към един от лунните полюси. Както при полюсите на Земята, гледането право нагоре от полюсите на Луната винаги осигурява едно и също извънгалактическо зрително поле. „Ако отидем на Северния или Южния полюс на Луната, ще изобразяваме едно парче небе през цялото време и това ви позволява да направите изключително дълбока интеграция, много по-дълбока дори от дълбокото поле на Хъбъл. Комбинирайте това с голяма апертура и този телескоп ще осигури дълбочина на наблюдение, която би била несравнима с нито един телескоп на Земята или в космоса. „Това е нишата или особената сила на този телескоп“, каза Ангел.
Друго предимство на течните огледала е, че те са много евтини в сравнение с процеса на изработване на стандартно огледало чрез създаване, полиране и тестване на голямо, твърдо парче стъкло или създаване на по-малки парчета, които трябва да бъдат полирани, тествани и след това съединени заедно. точно. Освен това LMT не се нуждаят от скъпи стойки, опори, системи за проследяване или купол.
„Общата цена на телескопа Джеймс Уеб се очаква да надхвърли един милиард долара, като цената само на огледалото е около четвърт милион долара“, каза Ангел. „Това огледало е 6 метра, така че ако мащабираме тази технология до още по-големи огледала в космоса, в крайна сметка ще счупим банката и няма да можем да си ги позволим чрез настоящата технология за изработване на полирано огледало и издигайки го в космоса.'
Въпреки че 2-метровият телескоп ще бъде прототип, той все още ще бъде астрономически ценен. „Можем да правим неща, които са безплатни за космическия телескоп Spitzer и телескопа Webb, тъй като 2-метровият телескоп на Луната ще запълни територията между тези два телескопа. 20-метрово огледало би осигурило разделителна способност 3 пъти по-голяма от JWST и чрез интегриране или оставяне на „затвора“ отворен за дълги периоди, като година, обектите, 100 пъти по-слаби, могат да се видят. Огледало от 100 метра ще предостави данни, които са извън графиките.
Едно от предизвикателствата при разработването на LMT на Луната е да се създадат лагери, които да въртят платформата плавно и с постоянна скорост. Въздушните лагери се използват за LMT на Земята, но без въздух на Луната, това е невъзможно. Ангел и неговият екип разглеждат криогенни лагери за левитация, подобни на това, което се използва за влакове с магнитна левитация, за да получат движение без триене чрез използване на магнитно поле. Ангел добави: „Като бонус, с ниските температури на Луната можете да направите това, без да изразходвате никаква енергия, защото можете да направите свръхпроводящ магнит, който ви позволява да направите левитационен лагер, който не изисква непрекъснато въвеждане на електрическа енергия. ”
Ангел нарече лагерите критичен компонент на телескопа. „Без въздух на луната, който да създава вятър, няма ограничение за размера или достигането на точността, която ви е необходима, стига лагерът да е наред“, каза Ангел.
Една от еволюцията на проекта след получаването на финансирането от NIAC е местоположението на телескопа. В първоначалното предложение екипът на Ангел предпочиташе южния полюс на Луната в кратера Шакълтън. Но северният полюс всъщност предлага по-добро зрително поле за извънгалактично наблюдение, разбраха те и Ангел очаква данни от лунната орбита SMART-1 на Европейската космическа агенция, която наскоро започна да изследва полярните региони на Луната.
„В полярните региони има някои кратери, където слънцето никога не осветява и никога не нагрява земята“, каза Ангел. „Там е изключително студено, не много над абсолютната нула. Вместо да построим телескопа при такива враждебни условия, ние ще се опитаме да построим телескопа на върха на всеки от полюсите, където ще има слънчево греене почти непрекъснато. Това ще осигури слънчева енергия и условията ще бъдат по-добри за живеещите там. Всичко, което трябва да направите, е да поставите цилиндричен Mylar екран около телескопа, за да попречите на слънцето да го удари и той ще се охлади точно както в дъното на кратерите.
С инфрачервеното наблюдение студеният телескоп е жизненоважен, за да можете да виждате по-студени и по-слаби обекти в космоса. Телескопът е близо до абсолютната нула (0 градуса по Келвин, -273 C, -460 F) би било идеално. Тъй като живакът ще замръзне при тези температури, друго предизвикателство за проекта е намирането на подходящата течност за въртене за огледалото. Някои от кандидатите са етан, метан и други малки въглеводороди, като течностите, открити на Титан от сондата Хюйгенс, която кацна на най-голямата луна на Сатурн на 14 януари.
„Но тези течности не са лъскави, така че трябва да разберете как да поставите лъскав метал като алуминий директно върху повърхността на течността“, каза Ангел. „Обикновено, когато правим астрономически телескоп, правим огледалата от стъкло, което не отразява много и след това изпарявате алуминий или сребро върху стъклото. На Луната ще трябва да изпарим метала върху течността, а не върху стъклото.'
Това е една от ключовите области на изследване под наградата NIAC. В първоначалните проучвания екипът на Ангел е успял да изпари метал върху течност, въпреки че все още не е при необходимите ниски температури. Те обаче са окуражени от резултатите до момента.
Екипът на Ангел е нетипичен за проект на NIAC, тъй като е международно сътрудничество и NIAC не финансира международни партньори. „Случва се, че световните експерти по направата на телескопи с въртящи се течни огледала са в Канада, така че беше от съществено значение, ако мислим да правим това на Луната, да ги донесем“, каза Ангел. „За щастие те дойдоха със собствен билет, така да се каже, и са развълнувани от проекта.“
Канадските членове на екипа са Емано Бора от университета Лавал в Квебек, който проучва и изгражда LMT от началото на 1980-те, и Пол Хиксън от Университета на Британска Колумбия, който с помощта на Бора построи 6-метровия LMT в Ванкувър. Други сътрудници включват Ки Ма от Тексаския университет в Хюстън, който е експерт по криогенните лагери, Уорън Дейвисън от Университета на Аризона, който е експерт по машинно инженерство в телескопи, и аспирант Суреш Сиванандам.
NIAC е създаден през 1998 г., за да иска революционни концепции от хора и организации извън космическата агенция, които биха могли да усъвършенстват мисиите на НАСА. Печелившите концепции са избрани, защото те „натискат границите на познатата наука и технологии“ и „показват уместност за мисията на НАСА“, според НАСА. Очаква се разработването на тези концепции да отнеме поне десетилетие.
Ангел казва, че получаването на наградата на NIAC е страхотна възможност. „Несъмнено ще напишем предложение за фаза II (на финансирането от NIAC)“, каза той. „По време на Фаза I идентифицирахме някои от най-критичните проблеми в този проект и какви практически стъпки трябва да предприемем сега. Отворихме някои въпроси и има някои прости тестове, които можем да направим, за да видим дали има някакви спиращи шоута или не.”
Най-голямото препятствие при превръщането на Лунната инфрачервена обсерватория в реалност най-вероятно е напълно извън ръцете на Ангел. „Луната е много интересно място за наука“, каза Ангел. „Въпреки това, това се основава на значителен ангажимент на ресурси от НАСА да се върне на Луната. Разбира се, за да се изградят големите 20 или 100-метрови телескопи, трябва да има присъствие на хора на Луната. „И така“, продължи Ангел, „като насочите науката си в тази посока, вие се превръщате в опашка на много голямо куче, върху което нямате абсолютно никакъв контрол“?
Ангел се надява, че НАСА и Съединените щати могат да запазят инерцията на Vision for Space Exploration и да се върнат на Луната. „Мисля, че в крайна сметка преместването в космоса е нещо, което хората имат желание да направят и някога ще направят“, каза Ангел. „Когато това се случи, е важно да имаме интересни неща за правене, след като стигнем там. Трябва да знаем защо сме напуснали повърхността на тази планета, за да отидем на Луната. Ние проучваме, да, но можем да изследваме не само луната, но и да я използваме като място за научни изследвания отвъд луната. Мисля, че това е нещо, което в голямата картина трябва да се случи.'
Нанси Аткинсън е писател на свободна практика и посланик на Слънчевата система на НАСА. Тя живее в Илинойс.