Hvordan Lunar Liquid Mirror Telescopes fungerer

Siden den blev repareret i 1993, NASAs Hubble -rumteleskop har overrasket forskere og borgere ens med sit syn på universet, herunder glimt af de længst kendte galakser. Spejlet i Hubble, imidlertid, er relativt lille på 94,5 tommer (næsten 8 fod) på tværs, en begrænsning, der har tilskyndet NASA til at tænke større. James Webb -rumteleskopet, planlagt til en lancering i 2013, vil prale af et 20 fods spejl, der er i stand til at levere syv gange det lysopsamlingsområde på Hubble.

Men NASA overvejer også en mere spændende løsning - en særlig type reflekterende teleskop, der bruger en væske, ikke glas, som det primære spejl. Kendt som en flydende spejl teleskop (LMT) , det ville ikke se rummet fra Jordens bane, som Hubble gør. I stedet, det ville kigge ind i universet fra månens overflade. Teleskopet ville være alt fra 66 fod til 328 fod bredt, hvilket gør det til det største teleskop, man kender. Det ville samle 1, 736 gange mere lys end Hubble og trænge ind i universets dybder for at se genstande næsten lige så gamle som Big Bang.

Denne artikel vil forklare, hvordan et flydende spejlteleskop fungerer. Det vil se på strukturen og funktionen af ​​en LMT, men det vil gøre det i lyset af en månebaseret indsættelse. Hvordan i alverden bygger man et teleskop på månen? Hvor svært bliver det at bygge en LMT på månen? Og vigtigst af alt, hvilke muligheder kan et måneteleskop give?

I et fly hangar i Columbus, Ohio, omkring 80 tons stål, elektronik og kryogent udstyr er ved at komme sammen-og deponere en ounce aluminium i en hviskende tynd belægning på et kæmpe teleskopspejl.

Se denne video fra NASA Brain Bites for at lære, hvordan du kan se den internationale rumstation fra jorden.

1. Hvad er et flydende spejlteleskop?
2. Det store Zenith -teleskop
3. Hvad er et månens flydende spejlteleskop?
4. Hvad ser månens flydende spejlteleskop?

Hvad er et flydende spejlteleskop?

I princippet, et LMT er ikke anderledes end et normalt reflekterende teleskop. Tjek hvordan teleskoper fungerer for en grundig forklaring af teleskoper. Her er en hurtig opsummering.

EN reflekterende teleskop bruger spejle til at se fjerne objekter. Et primært spejl samler lys fra objektet, mens et sekundært spejl fokuserer billedet til okularet. I en konventionel reflektor, det primære spejl er lavet ved omhyggeligt at slibe og polere glas til den ønskede form, normalt en parabel. Når glasset er klargjort, en proces kendt som aluminisering gør det reflekterende. Aluminisering indebærer fordampning af aluminium i et vakuum, forårsager, at der afsættes en metalfilm på omkring 100 nanometer tyk på glasset. Fejl i spejlproduktionen kan påvirke, hvordan teleskopet fungerer. Dette var problemet med Hubble:Kurven i sit primære spejl var slukket med bare en brøkdel af et hårs bredde, som fik lys til at reflektere væk fra spejlets centrum, fører til uskarpe billeder.

Et flydende spejlteleskop, som navnet antyder, bruger en væske, ikke aluminiseret glas, som sit primære spejl. Væsken, som regel kviksølv , hældes i et roterende fad. Rotationen skaber to grundlæggende kræfter, der virker på kviksølv - tyngdekraft og inerti . Tyngdekraften trækker ned på den flydende overflade, mens inerti trækker væsken sidelæns ved kanten af ​​fadet. Som resultat, væsken danner en ensartet og perfekt parabel, den ideelle reflekterende overflade til et teleskop. Bedst af alt, den flydende spejloverflade forbliver glat og fejlfri med lidt eller ingen vedligeholdelse. Hvis væsken forstyrres, tyngdekraften og inerti vil påvirke væsken for at bringe den tilbage til sin oprindelige tilstand.

Ernesto Capocci , en italiensk astronom, var den første person til at beskrive, hvordan en LMT kunne fungere i 1850. Han tænkte på ideen efter at have læst om eksperimenter, ledet af Isaac Newton og andre, involverer spindevæsker. I begyndelsen af ​​det 20. århundrede, den amerikanske fysiker R.W. Wood byggede faktisk det, Capocci havde beskrevet 50 år tidligere. Woods LMT indeholdt et centimeters lag kviksølv placeret i et roterende fad. Han var i stand til at observere månen, men bemærkede, at billedet var forvrænget. Moderne astronomer lærte, at billedkvaliteten af ​​en LMT blev stærkt forbedret, hvis der blev brugt et tyndere lag kviksølv, så dagens LMT'er bruger et lag på 1 millimeter kviksølv.

Den største fordel ved en LMT er dens relativt lave pris. Flydende teleskoper koster meget mindre at bygge end polerede aluminiumsspejle af lignende størrelse. For eksempel, Det store Zenith -teleskop bar en pris på 1 million dollars. Et sammenligneligt glas spejlteleskop ville koste 100 gange så meget at bygge. Og LMT'er koster mindre at vedligeholde, hovedsagelig fordi det flydende spejl ikke skal rengøres, justeret eller aluminiseret.

Selvfølgelig, der er nogle ulemper. Kviksølv er ekstremt giftigt, så at arbejde med det udgør nogle langsigtede sundhedsrisici. Ikke kun det, fadet, der holder kviksølv, kan kun vippes så langt, før væsken spildes ud. Dette begrænser visningen af ​​en LMT, som kun kan se lige op.

Det store Zenith -teleskop

Den største LMT på Jorden er Stort Zenith -teleskop i British Columbia. Dens snurrende flydende spejl er næsten 20 fod på tværs og vejer tre tons, hvilket gør det til det tredjestørste teleskop i Nordamerika. Fadet, der holder kviksølv, er fremstillet af sekskantede segmenter, der er limet sammen for at danne en skal. Hvert stykke har en skumkerne med høj densitet dækket af glasfiber. For at give skallen en konkav form, det opvarmes i en stor ovn. En væg ved spejlkanten forhindrer kviksølv i at spilde.

En stålstol og 19 justerbare puder understøtter fadet. Truss, på tur, understøttes af rustfrit stål luftleje designet kun til det store Zenith -teleskop. Et luftleje er en særlig type leje, der bruger en tynd film af trykluft som smøremiddel omkring akslen, der vender spejlet. Normale lejer, der bruger oliesmøremidler, er mindre effektive, fordi de producerer vibrationer og ustabile rotationer, der forringer billedkvaliteten. Som en nulfriktionsløsning, et luftleje eliminerer disse problemer, fører til en perfekt glat, vibrationsfri rotation. En indbygget børsteløs DC-motor drejer luftlejespindlen og kan rotere en belastning op til 10 tons med cirka 10 omdrejninger i minuttet.

Seks støtteben fastgør det primære spejl til en ring øverst i teleskopet. Ringen understøtter detektoren og et mindre brydningsobjektiv, der hjælper med at fokusere billedet. Detektoren indeholder en ladningskoblet enhed (CCD), som samler fotoner af lys og konverterer dem til billedelementer, eller pixels. Disse pixels overføres til en computerskærm og deles sammen for at danne et billede, der kan manipuleres og forbedres for at forbedre billeddetaljerne. Computeren er ikke placeret i teleskopets observatoriestruktur, men i en nærliggende bygning.

Det eneste problem med Large Zenith Telescope - et problem, det deler med alle jordbundne teleskoper - er dets placering. Selv i 1 højde, 295 fod, atmosfæren beskytter stadig sit syn på himlen. Hvis et flydende spejlteleskop kunne placeres på månen, hvor der ikke er nogen atmosfære til at blokere ultraviolet, infrarød og andre former for energi, det kunne give endnu mere spektakulære resultater. Men, som vi vil se i det næste afsnit, at bygge en LMT på månen præsenterer sine egne udfordringer.

Hvad er et månens flydende spejlteleskop?

Et flydende spejlteleskop bygget på månens overflade er en månens flydende spejlteleskop (LLMT) . Det er virkelig ikke anderledes end det store Zenith -teleskop beskrevet i det sidste afsnit, bortset fra at den valgte væske skal have de helt rigtige egenskaber, hvis den skal forblive flydende i månens hårde klima. Kviksølv virker ikke, fordi frysepunktet er -101,966 ° F (-74,43 ° C). Den lave temperatur på månen kan nå -153 ° C (-243 ° F), så kviksølv ville størkne, hvilket gør det til et uacceptabelt valg for det primære spejl.

For nylig, forskere har opdaget en klasse væsker, der muligvis gør en LLMT mulig. De er kendt som ioniske væsker , og de har disse vigtige egenskaber:

• De er flydende ved temperaturer under -213 ° F (-136 ° C).
• De består udelukkende af ioner.
• De besidder intet damptryk ved stuetemperatur eller derunder, hvilket betyder, at de ikke fordamper.
• De er meget viskøse.

Mest vigtigt, ioniske væsker kan belægges med materialer, der giver dem høj refleksivitet. Et ionisk væske, der viser løfte, er 1-ethyl-3-methyli-

midazoliumethylsulfat, kommercielt kendt som ECOENG 212 . ECOENG 212 kan belægges i sølv, gør det meget reflekterende. Dens refleksivitet kan forbedres endnu mere ved først at deponere en film af chrom, efterfulgt af sølv. ECOENG 212 har et frysepunkt på -144 ° F (-98 ° C), imidlertid, så den stadig kunne størkne i månens bitre kolde temperaturer. I betragtning af at der er millioner af ioniske væsker, forskere føler sig sikre på, at de vil finde en anden kandidat med en bedre fryseprofil.

De bliver også nødt til at finde en anden måde at understøtte det primære spejl på. Luftlejet, der bruges i Large Zenith Telescope, fungerer ikke på månen, fordi der ikke er luft til at fodre systemet. En løsning ville være et superleder magnetisk leje. Et sådant leje er baseret på den samme teknologi, der bruges i maglevkøretøjer, som bruger et magnetfelt til at svæve et køretøj over en føringsbane. I dette tilfælde, magnetfeltet skaber en nul-friktionspude mellem spindlen og dens hus.

Selvfølgelig, alle disse materialer skal sendes med raket til månen og samles der. Selv hvis man tager det i betragtning, et flydende spejlteleskop udgør langt færre logistiske problemer end et konventionelt reflekterende teleskop af glas. Spejlet, fordi det er flydende, vil simpelthen blive båret i en kande og opbevaret, indtil teleskopinfrastrukturen er klar. Derefter vil en astronaut hælde væsken i fadet for at danne det primære spejl. Truss -systemet, der bruges til at understøtte fadet og spejlet, kan forudbygges og indsættes robotisk, dens rammer udfolder sig som en paraply, der åbnes. Men at bruge en robot til at bygge en LMT på månen ville kræve, at instrumentet forbliver ret lille. Som vi vil se i det næste afsnit, LMT forestillet af astronomer og NASA ingeniører er alt andet end lille.

Hvad ser månens flydende spejlteleskop?

Et flydende spejlteleskop placeret på månen har øjeblikkeligt en stor fordel i forhold til et jordbundt teleskop:Det er fri for atmosfærisk forvrængning, som påvirker himmelske billeder. Af samme grund, det er også i stand til at detektere flere former for elektromagnetisk energi. De fleste typer elektromagnetisk stråling, undtagen synligt lys og radiobølger, absorberes af Jordens atmosfære. På månen, som slet ikke har nogen stemning, et teleskop ville blive udsat for hele spektret af elektromagnetisk stråling - gammastråler, Røntgenstråler, ultraviolet lys, synligt lys, infrarød stråling, mikrobølger og radiobølger.

Et teleskop, der anvender en ionisk væske som sit primære spejl, ville være særligt følsom over for synligt lys og infrarød stråling. Dette ville være vigtigt for at observere universets fjerneste objekter, der bevæger sig hurtigt væk fra Jorden. Doppler-effekten får dem til at skabe stråling i den længere bølgelængde, infrarød del af spektret.

Størrelse er også en nøglefaktor. I miljøet med lav tyngdekraft på månen, det er meget lettere at bygge store strukturer. Teamet, der designer LLMT, mener, at det kan bygge et primært flydende spejl, der er 66 fod til 328 fod bredt. Et sådant spejl ville kunne observere objekter 100 til 1, 000 gange svagere end den næste generation af teleskoper - herunder James Webb -rumteleskopet - er i stand til. Det betyder, at astronomer kunne bruge instrumentet til at kigge dybere ind i rum og tid end nogensinde før. For første gang, vi kunne være i stand til at opdage de meget tidlige faser af universet lige efter Big Bang, udvide vores forståelse af, hvordan det nydannede univers opførte sig.

Hvornår kan et månens flydende spejlteleskop blive en realitet?

Lige nu, LLMT er stadig et begreb. Projektet har modtaget finansiering fra NASA Institute for Advanced Concepts til en undersøgelse for at vise, hvordan et teleskop på månen kan understøtte astronomi. Dette er vigtigt, fordi månen er det første mål i Vision for Space Exploration, et initiativ, der søger at komme ud over Jordens bane med henblik på menneskelig udforskning og videnskabelig opdagelse. Hvis NASA kan demonstrere, at månens forposter ville være praktisk, med både økonomisk og videnskabelig værdi, så kan offentligheden - og i sidste ende kongressen - være villig til at vise passende økonomisk støtte.

Et månens flydende spejlteleskop er blandt flere projekter, der vil hjælpe NASA med at bevise gennemførligheden af ​​rumforskning. Endnu stadig, den tidligste, den kunne implementeres, er 2020. Indtil da, astronomer bliver nødt til at være tilfredse med flydende spejlteleskoper, såsom det store Zenith -teleskop, der ser himlen fra jorden.

For at finde ud af mere om månens flydende spejlteleskoper, tjek linkene på den næste side.

Masser mere information

Relaterede HowStuffWorks -artikler

• Sådan fungerer teleskoper
• Sådan fungerer Hubble -rumteleskop
• Sådan fungerer stjerner
• Sådan fungerer satellitter
• Sådan fungerer rumstationer
• Sådan fungerer rumelevatorer
• Hvordan rumturisme vil fungere

Flere store links

• UBC startside for flydende spejlteleskop
• Flydende spejle
• Det store Zenith -teleskop
• NASA Orbital Debris Observatory
• NIAC

Kilder

• “Det 4 m lange internationale flydende spejlteleskopprojekt (ILMT), "Af Poels, J., Borra, E., Claeskens, J. F., Jean, C., Manfroid, J., Montfort, F., Moreau, O., Nakos, Th., Surdej, J., Gynger, J. P., van Dessel, E., &Vangeyte, B. ASP Conf. Ser., Vol. 238, 2001. http://www.adass.org/adass/proceedings/adass00/P3-13/
• “Fantastisk nyt spejl afspejler ambitioner for måneteleskop, "Af Ker Than. Space.com, 20. juni kl. 2007. http://www.space.com/businesstechnology/070620_liquid_mirror.html.
• "Afsætning af metalfilm på en ionisk væske som grundlag for et måneteleskop, "Af Borra, Ermanno F .; Seddiki, Omar; Engel, Roger; Eisenstein, Daniel; Hickson, Paul; Seddon, Kenneth R .; Worden, Simon P. Natur. Bind 447:21. juni, 2007.
• "Handy Space Answer Book, "Phyllis Engelbert og Diane L. Dupuis, Synlig blækpresse, Michigan, 1998.
• "Sådan fungerer tingene i dag, "Redigeret af Michael Wright og Mukul Patel, Crown Publishers, New York, 2000.
• Hubble -rumteleskopets websted http://hubble.nasa.gov/index.php
• James Webb -rumteleskopets websted http://www.jwst.nasa.gov/
• ”Flydende spejle kan revolutionere astronomien, ”Af Michael J. Martin. United Press International, 12. oktober kl. 2001. http://www.weeklyscientist.com/ws/articles/liquidmirrors.htm.
• "Spejl, Spejl, på månen …, ”Af JR Minkel. Videnskabelig amerikansk, 21. juni kl. 2007. http://www.sciam.com/article.cfm?articleID=4A58D50D-E7F2-99DF-3223548BB53CD947&sc=I100322.
• “NASA Liquid-Mirror Telescope on Moon Mouth kunne se dybere tilbage i tiden, ”21. juni, 2007. http://www.nasa.gov/centers/ames/news/releases/2007/07_36AR.html.
• "New York Public Library Science Desk Reference, "Redigeret af Patricia Barnes-Svarney, Macmillan, New York, 1995.
• "En plan om at bygge et gigantisk flydende teleskop på månen, ”Af Alexander Gelfand. Kablet, 21. maj kl. 2007. http://www.wired.com/science/space/news/2007/05/liquid_telescope.
• "Fremskridt i retning af månevæske spejlteleskop, "Af Will Dunham. Reuters, 21. juni kl. 2007. http://www.reuters.com/article/scienceNews/idUSN2140065620070621.