Кредитний імідж: Університет Арізони
Понад 30 років тому доктор Роджер Енджел приїхав до університету Арізони, притягнутий сприятливими умовами для астрономічного спостереження в районі Тусон, штат Арізона: кілька телескопів зручно поруч, і, звичайно, погода чудово помірна. Але зараз Енджел пропонує побудувати телескоп у місці, дещо віддаленішому і не зовсім такому приємному: полярний кратер на Місяці.
Відомий своїми інноваціями у легких дзеркалах телескопа та адаптивній оптиці, тепер Енджел очолює групу вчених із США та Канади, які досліджують можливість побудови інфрачервоної обсерваторії глибокого поля біля одного з місячних полюсів за допомогою телескопа з рідким дзеркалом (LMT ).
Ця концепція є однією з 12 пропозицій, які почали отримувати фінансування в жовтні минулого року від Інституту передових концепцій NASA (NIAC). Кожен отримує 75 000 доларів за шість місяців досліджень, щоб зробити початкові дослідження та визначити проблеми в розвитку. Проекти, які пройдуть це протягом першої фази, мають право на цілих 400 000 доларів більше за два роки.
ЛМТ виготовляються шляхом віджиму світловідбиваючої рідини, як правило, ртуті, на мископодібній платформі для формування параболічної поверхні, ідеально підходить для астрономічної оптики. Ісаак Ньютон спочатку запропонував цю теорію, але технологія фактичного створення такого пристрою була розроблена лише нещодавно. Сьогодні використовується лише декілька ЛМТ, включаючи 6-метровий ЛМТ у Ванкувері, Канада, та 3-метрову версію, яку NASA використовує для своєї обсерваторії орбітального сміття в Нью-Мексико.
На Землі ЛМТ обмежені розміром приблизно 6 метрів в діаметрі, оскільки власне генерований вітер, що надходить від обертання телескопа, порушує поверхню. Крім того, як і інші телескопи на Землі, ЛМТ піддаються атмосферному поглинанню та спотворенням, що значно скорочує дальність і чутливість інфрачервоного спостереження. Але Місяць без атмосфери, каже Ангел, забезпечує ідеальне місце для цього типу телескопа, одночасно подаючи тяжкість, необхідну для формування параболічного дзеркала.
Потенціал ЛМТ на Місяці полягає в тому, щоб зробити дуже великий телескоп. Для ознайомлення, космічний телескоп Хаббл має дзеркало 2,4 метра, а космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), розроблений для запуску в 2011 році, матиме 6-метрове дзеркало. Концепція пропозиції NIAC від ангела - це 20-метрове дзеркало, але завдяки дослідженню, проведеному командою до цього часу, вони тепер розглядають створення дуже великих дзеркал, і 100 метрів є найкращим варіантом. Вони також розглядають менші ЛМТ. "Ми, очевидно, не можемо піти на Місяць і зробити спочатку 100-метрове дзеркало", - сказав Енджел. "Ми дивимось послідовність розмірів шкали 2 метри, 20 метрів і 100 метрів, і дивимося, який потенціал є для кожного". Ангел вважає, що двометровий телескоп можна було виготовити без присутності людини на Місяці і створити його як робототехнічний телескоп, подібно до того, як зараз працюють наукові інструменти на марсоходах.
Обмеження рідкого дзеркала полягає в тому, що воно вказує лише прямо вгору, тому воно не схоже на стандартний телескоп, який можна вказувати в будь-якому напрямку та відслідковувати предмети на небі. Він дивиться лише на область неба, яка знаходиться безпосередньо над головою.
Отже, наукова мета ЛМТ - не дивитися на все небо, а зайняти одну область космосу та інтенсивно дивитися на неї. Цей тип астрономії був дуже "вигідним", як описав його Енджел, з точки зору багатства інформації, яка була зібрана. Однією з найпродуктивніших наукових зусиль космічного телескопа Хаббла були його фотографії "Глибоке поле".
Щоб мати можливість дивитись лише на одну зону простору, увімкнення Ангела та його команди шукають один з місячних полюсів, де найкраще розташувати цей телескоп. Як і на полюсах Землі, погляд прямо вгору від полюсів на Місяці завжди забезпечує те саме позагалактичне поле зору. "Якщо ми підемо на Північний або Південний полюс Місяця, ми будемо весь час зображати один проміжок неба, і це дозволяє вам зробити надзвичайно глибоку інтеграцію, набагато глибшу навіть, ніж глибоке поле Хаббла". Поєднайте це з великим діафрагмою, і цей телескоп забезпечив би глибину спостереження, яка б не відповідала жодному телескопу на Землі або в космосі. "Це - ніша чи особлива сила цього телескопа", - сказав Енджел.
Інша перевага рідких дзеркал полягає в тому, що вони дуже недорогі порівняно з процесом виготовлення стандартного дзеркала, створюючи, поліруючи і випробовуючи великий, жорсткий шматок скла, або створюючи менші шматочки, які потрібно відшліфувати, протестувати, а потім дуже з’єднати разом точно. Крім того, LMT не потребують дорогих кріплень, опор, систем стеження або купола.
"Очікується, що загальна вартість телескопа Джеймса Вебба перевищить мільярд доларів, а ціна на дзеркалі лише близько чверті мільйона доларів", - сказав Енджел. "Це дзеркало становить 6 метрів, тож якщо ми віднесемо цю технологію до ще більших дзеркал у просторі, ми врешті-решт розберемо банк, і ми не зможемо собі їх дозволити за допомогою сучасної технології виготовлення відшліфованого дзеркала та піднімаючи його до космосу ».
Хоча 2-метровий телескоп був би прототипом, він все одно був би астрономічно цінним. "Ми могли б зробити те, що є безкоштовним для космічного телескопа" Спітцер "та телескопа Вебба, оскільки двометровий телескоп на Місяці заповнить територію між цими двома телескопами". 20-метрове дзеркало забезпечило б роздільну здатність в 3 рази більше, ніж JWST, і, інтегруючи або залишаючи «затвор» відкритим на тривалий період, як рік, можна було переглянути об'єкти, що стають в 100 разів слабкішими. 100-метрове дзеркало надасть дані, які не входять у діаграми.
Одне з викликів при розробці LMT на Місяці - це створити підшипники, щоб плавно і з постійною швидкістю обертати платформу. Повітряні підшипники використовуються для ЛМТ на Землі, але без повітря на Місяці це неможливо. Енджел та його команда дивляться на кріогенні левітаційні підшипники, схожі на те, що використовуються для поїздів магнітної левітації для отримання руху без тертя за допомогою магнітного поля. Енгель додав: "Як бонус, при низьких температурах на Місяці ви можете це зробити, не витрачаючи енергії, тому що ви можете зробити надпровідний магніт, який дозволяє зробити левітаційний підшипник, який не потребує постійного введення електричної енергії. "
Ангел назвав підшипники критичною складовою телескопа. "Якщо на Місяці немає повітря для створення вітру, немає обмежень розміру або досягнення точності, яка потрібна вам, доки підшипник буде нормальний", - сказав Енджел.
Одне з розвитку проекту з моменту отримання фінансування NIAC - це розташування телескопа. У початковій пропозиції команда Ангела виступала за південний полюс Місяця в кратері Шеклтона. Але північний полюс насправді пропонує краще поле зору для позагалактичних спостережень, вони зрозуміли, і Енґел чекає даних місячного орбіти SMART-1 Європейського космічного агентства, який нещодавно розпочав обстеження полярних областей Місяця.
"У полярних регіонах є кілька кратерів, де сонце ніколи не освітлює і ніколи не нагріває землю", - сказав Енджел. «Там надзвичайно холодно, не надто далеко над абсолютним нулем. Замість того, щоб будувати телескоп в таких ворожих умовах, ми намагалися б побудувати телескоп на піку будь-якого з полюсів, де майже постійно було б сонячне світло. Це забезпечило б сонячну енергію і умови були б кращими для людей, які там живуть. Все, що вам потрібно зробити, - це поставити циліндричний екран Mylar навколо телескопа, щоб сонце не потрапило на нього, і воно охолоне так само, як і в нижній частині кратерів. "
За допомогою інфрачервоного спостереження життєво важливим є холодний телескоп, щоб можна було бачити холодніші та слабші предмети у просторі. Ідеальним є наявність телескопа біля абсолютного нуля (0 градусів Кельвіна, -273 ° C, -460 F). Оскільки ртуть за тих температур замерзне, ще одним завданням для проекту є пошук потрібної рідини для віджимання дзеркала. Деякі з кандидатів - це етан, метан та інші невеликі вуглеводні, як рідини, які були знайдені на Титані зондом Гюйгенса, який приземлився на найбільший місяць Сатурна 14 січня.
"Але ці рідини не є блискучими, тому ви повинні з'ясувати, як осадити блискучий метал, як алюміній, прямо на поверхню рідини", - сказав Енджел. "Зазвичай, коли ми робимо астрономічний телескоп, ми робимо дзеркала зі скла, яке не дуже відбивається, і тоді ви випаровуєте алюміній або срібло на скло. На Місяці нам доведеться випаровувати метал на рідину, а не на скло ».
Це одне з ключових напрямків дослідження в рамках премії NIAC. У початкових дослідженнях команді Ангела вдалося випарувати метал на рідину, хоча ще не при необхідних холодних температурах. Однак, вони підбадьорюють нинішні результати.
Команда Ангела нетипова для проекту NIAC, оскільки це міжнародна співпраця, і NIAC не фінансує міжнародних партнерів. "Буває, що світові експерти з виготовлення прядильних рідких дзеркальних телескопів знаходяться в Канаді, тому було дуже важливо, якщо ми думаємо робити це на Місяці, щоб ми їх привезли", - сказав Енджел. "На щастя, вони прийшли за власним квитком, так би мовити, і схвильовані проектом".
Канадські члени команди - Еманно Борра з університету Лаваль у Квебеку, який досліджував та будував ЛМТ з початку 1980-х років, та Пол Хіксон з Університету Британської Колумбії, який за допомогою Борри побудував 6-метровий ЛМТ у Ванкувер. Серед інших співробітників - Кі Ма з Техаського університету в Х'юстоні, який є фахівцем з кріогенних підшипників, Воррен Девісон з Університету Арізони, який є фахівцем з машинобудування в телескопах, і аспірант Суреш Сіванандам.
NIAC був створений у 1998 році для того, щоб вимагати від людей та організацій поза космічним агентством революційних концепцій, які могли б сприяти місіям НАСА. Концепції-переможці вибираються тому, що вони "підштовхують межі відомої науки та техніки" та "показують відповідність місії NASA", повідомляє NASA. Очікується, що на розробку цих концепцій піде як мінімум десятиліття.
Ангел каже, що отримати нагороду NIAC - це чудова можливість. "Ми, безсумнівно, напишемо пропозицію щодо ІІ фази (фінансування NIAC)", - сказав він. «Ми виявили на І фазі, які є найважливішими проблемами цього проекту та які практичні кроки ми повинні зробити зараз. Ми відкрили кілька запитань, і ми можемо зробити кілька простих тестів, щоб побачити, чи є якісь стопори шоу. "
Найбільша перешкода в здійсненні Місячної інфрачервоної обсерваторії реальністю - це, швидше за все, повністю з рук Ангела. "Місяць - дуже цікаве місце для занять наукою", - сказав Ангел. "Однак НАСА передбачає значне залучення ресурсів до повернення на Місяць". Безумовно, для побудови великих 20 або 100 метрів телескопів потрібно було б бути присутнім на Місяці. - Отже, - продовжував Енджел, - вдавившись до вашої науки в тому напрямку, ти стаєш хвостом дуже великої собаки, над якою ти абсолютно не маєш контролю?
Ангел сподівається, що НАСА та США зможуть зберегти імпульс Візії для космічних досліджень та повернутися на Місяць. "Я думаю, що в кінцевому підсумку виїзд у космос - це те, що люди мають бажання робити і робитимуть колись", - сказав Енджел. "Коли це відбувається, важливо робити цікаві речі, як тільки ми потрапимо туди. Ми повинні знати, чому ми покинули поверхню цієї планети, щоб піти на Місяць. Ми досліджуємо, так, але можемо досліджувати не тільки Місяць, але і використовувати це як місце для проведення наукових досліджень поза Місяцем. Я думаю, що це щось таке, що у великій картині має відбутися ».
Ненсі Аткінсон - позаштатна авторка і посол Сонячної системи НАСА. Вона живе в штаті Іллінойс.
