Kuvahyvitys: Arizonan yliopisto
Yli 30 vuotta sitten tohtori Roger Angel tuli Arizonan yliopistoon, jonka vetävät suotuisat olosuhteet tähtitieteelliseen havainnointiin Tucsonilla, Arizonan alueella: useita kaukoputkia on kätevästi lähellä, ja tietenkin, sää on ihanan maltillinen. Mutta nyt Angel ehdottaa rakentavan kaukoputken sijaintiin, joka on jonkin verran kauempana oleva ja ei aivan niin leuto: polaarikraatteri kuuhun.
Angel, joka tunnetaan innovaatioistaan kevyissä kaukoputkipeileissä ja adaptiivisessa optiikassa, johtaa nyt tutkijaryhmää Yhdysvalloista ja Kanadasta, jotka selvittävät syvyyskentän infrapuna-observatorion rakentamisen mahdollisuuksia lähelle yhtä kuun napaista nestemäisen peiliteleskoopin (LMT) avulla. ).
Tämä konsepti on yksi 12: sta ehdotuksesta, jotka saivat rahoitusta NASA: n edistyneiden käsitteiden instituutista (NIAC) viime lokakuussa. Jokainen saa 75 000 dollaria kuuden kuukauden tutkimukselta alkuperäisten tutkimusten tekemiseksi ja kehityksen haasteiden tunnistamiseksi. Hankkeet, jotka saavat sen läpi ensimmäisen vaiheen, ovat tukikelpoisia jopa 400 000 dollarilla enemmän kahden vuoden aikana.
LMT: t valmistetaan pyörittämällä heijastavaa nestettä, yleensä elohopeaa, kulhonmuotoiselle alustalle parabolisen pinnan muodostamiseksi, joka sopii täydellisesti tähtitieteelliseen optiikkaan. Isaac Newton ehdotti alun perin teoriaa, mutta tekniikka tällaisen laitteen onnistuneeksi luomiseksi on vasta äskettäin kehitetty. Vain kourallinen LMT: itä käytetään nykyään, mukaan lukien 6-metrinen LMT Vancouverissa, Kanadassa ja 3-metrinen versio, jota NASA käyttää Orbital Debris Observatoryssaan New Mexico.
Maapallolla LMT: ien koko on rajoitettu noin 6 metriin, koska kaukoputken pyörimisestä tuleva tuulen aiheuttama tuuli häiritsee pintaa. Lisäksi kuten muutkin maapallolla sijaitsevat kaukoputket, LMT: t ovat alttiina ilmakehän absorptioille ja vääristymille, mikä vähentää huomattavasti infrapunahavainnon etäisyyttä ja herkkyyttä. Mutta ilmakehävapaa kuu, Angel sanoo, tarjoaa täydellisen sijainnin tämän tyyppiselle teleskoopille samalla kun se toimittaa parabolisen peilin muodostumiseen tarvittavan painovoiman.
LMT: n potentiaali kuuhun on tehdä erittäin suuri kaukoputki. Vertailun vuoksi Hubble-avaruusteleskoopilla on 2,4 metrin peili, ja James Webbin avaruusteleskoopilla (JWST), jota kehitetään käynnistämään vuonna 2011, on 6 metrin peili. Enkelin NIAC-ehdotuksen idea on 20 metrin peili, mutta tutkimusryhmän tähän mennessä tekemässä tutkimuksessa he etsivät nyt erittäin suurten peilien luomista, 100 metrin ollessa iso päävaihtoehto. He harkitsevat myös pienempiä LMT: itä. "Emme tietenkään voi mennä kuuhun ja tehdä ensimmäisenä 100 metrin peiliä", Angel sanoi. "Tarkastelemme 2 metrin, 20 metrin ja 100 metrin mittakaavakokoja ja katsomme, mikä on jokaiselle potentiaali." Enkeli uskoo, että 2 metrin kaukoputki voitaisiin tehdä ilman ihmisen läsnäoloa kuulla, ja se voitaisiin asentaa robotti kaukoputkeen, aivan kuten Marsin kiskojen tieteelliset instrumentit toimivat nyt.
Nestemäisen peilin rajoitus on, että se osoittaa vain suoraan ylöspäin, joten se ei ole kuin tavallinen kaukoputki, joka voidaan osoittaa mihin tahansa suuntaan ja seurata taivaan kohteita. Se tarkastelee vain taivaanaluetta, joka on suoraan yläpuolella.
Joten LMT: n tieteellinen tavoite on olla katsomatta koko taivasta, vaan ottaa yksi avaruusalue ja katsoa sitä intensiivisesti. Tämäntyyppinen tähtitiede on ollut erittäin "kannattavaa", kuten Angel kuvaili sitä kerätyn tiedon runsauden suhteen. Jotkut Hubble-avaruusteleskoopin tuottavimmista tieteellisistä ponnisteluista ovat olleet sen "Deep Field" -valokuvat.
Pystyäksesi tarkastelemaan vain yhtä avaruusaluetta ajaa Angelin ja hänen tiiminsä etsimään yhtä kuun navoista tämän kaukoputken parhaaseen sijaintiin. Kuten maapallon napoilla, suoraan kuun navoilta katsominen tarjoaa aina saman galaktisen näkökentän. "Jos siirrymme kuun pohjoiseen tai etelänapaan, kuvaamme jatkuvasti yhden taivaanpisteen ja niin, että voit tehdä erittäin syvän integraation, paljon syvemmälle jopa Hubble Deep Field -kentän." Yhdistä tämä suureen aukkoon, ja tämä kaukoputki tuottaa tarkkailusyvyyden, joka olisi vertaansa vailla minkään maan päällä tai avaruudessa olevan teleskoopin kanssa. "Se on tämän kaukoputken markkinarako tai erityinen vahvuus", Angel sanoi.
Toinen nestemäisten peilien ylösalaisuus on, että ne ovat erittäin edullisia verrattuna standardipeilin valmistusprosessiin luomalla, kiillottamalla ja testaamalla iso, jäykkä lasiesine tai luomalla pienempiä kappaleita, jotka on hiottava, testattava ja sitten liitettävä toisiinsa. tarkasti. LMT: t eivät myöskään tarvitse kalliita kiinnikkeitä, tukia, seurantajärjestelmiä tai kuplia.
"James Webbin teleskoopin kokonaiskustannusten odotetaan ylittävän miljardin dollarin, ja pelkän peilin hintalappu on noin neljännesmiljoona dollaria", Angel sanoi. ”Tämä peili on 6 metriä, joten jos skaalaamme tämän tekniikan entistä suuremmiksi avaruuden peileiksi, lopulta aiomme rikkoa pankin, ja meillä ei ole varaa heille nykyisellä tekniikalla tehdä kiillotettu peili ja saada se avaruuteen. ”
Vaikka 2 metrin kaukoputki olisi prototyyppi, se olisi silti tähtitieteellisesti arvokas. "Voisimme tehdä asioita, jotka eivät sisällä Spitzerin avaruusteleskooppia ja Webbin teleskooppia, koska kuun 2 metrin kaukoputki täyttäisi alueen näiden kahden kaukoputken välillä." 20 metrin peili tarjoaisi kolminkertaisen tarkkuuden kuin JWST, ja integroimalla tai suljettaessa “suljin” pitkään, esimerkiksi vuodeksi, voidaan katsoa 100 kertaa heikompia kohteita. 100 metrin peili tarjoaisi tietoja, jotka ovat karttojen ulkopuolella.
Yksi haasteista LMT: n kehittämisessä kuuhun on laakereiden luominen pyörimään alustaa tasaisesti ja vakionopeudella. Ilmalaakereita käytetään LMT: een maan päällä, mutta ilman ilmaa kuuhun, se on mahdotonta. Enkeli ja hänen tiiminsä tarkastelevat kryogeenisiä levitaatiolaakereita, samanlaisia kuin mitä käytetään magneettisen levitaatiojuniin kitkattoman liikkeen saamiseksi magneettikentän avulla. Angel lisäsi: ”Bonuksena kuun alhaisissa lämpötiloissa voit tehdä sen kuluttamatta mitään energiaa, koska voit tehdä suprajohtavan magneetin, jonka avulla voit tehdä levitaatiolaakerin, joka ei vaadi jatkuvaa sähkövirran syöttämistä. ”
Angel kutsui laakereita teleskoopin kriittiseksi komponentiksi. "Koska kuussa ei ole ilmaa tuulen aikaansaamiseksi, kokoa tai saavutettavaasi tarkkuutta ei ole rajoitettu niin kauan kuin laakeri on kunnossa", Angel sanoi.
Projektin yksi kehitys NIAC-rahoituksen saamisen jälkeen on kaukoputken sijainti. Alkuperäisessä ehdotuksessa enkelin joukkue piti kuun etelänapaa Shackleton-kraatterissa. Mutta pohjoisnapa tarjoaa todellisuudessa paremman näkökentän galaktisen havainnon havaitsemiseksi, he tajusivat, ja Angel odottaa tietoja Euroopan avaruusjärjestön SMART-1-kuun kiertoradalta, joka aloitti äskettäin kuun napa-alueiden kartoittamisen.
"Napa-alueilla on kraattereita, joissa aurinko ei koskaan valaise eikä koskaan lämmitä maata", Angel sanoi. ”Siellä on erittäin kylmä, ei liian kaukana absoluuttisen nollan yläpuolella. Sen sijaan, että rakentaisimme kaukoputkea sellaisissa vihamielisissä olosuhteissa, yritämme rakentaa kaukoputken jommankumman navan huipulle, missä aurinko olisi melkein jatkuvasti. Se tarjoaisi aurinkoenergiaa ja olosuhteet olisivat siellä asuville parempia. Sinun tarvitsee vain asettaa lieriömäinen Mylar-näyttö kaukoputken ympärille estääksesi aurinkoa koskaan lyömästä sitä ja se jäähtyy kuten kraatterien pohjassa. ”
Infrapunahavainnoilla kylmä kaukoputki on elintärkeä, jotta pystymme näkemään avaruudessa kylmempiä ja himmeämpiä esineitä. Jos kaukoputki olisi lähellä absoluuttista nollaa (0 Kelvin astetta, -273 C, -460 F), olisi ihanteellinen. Koska elohopea jäätyy näissä lämpötiloissa, toinen haaste projektille on löytää oikea neste pyörittämään peilistä. Jotkut ehdokkaista ovat etaania, metaania ja muita pieniä hiilivetyjä, kuten nesteet, jotka löysivät Titanilta Huygens-koettimen avulla, joka laskeutui Saturnuksen suurimmalle kuulle 14. tammikuuta.
"Mutta nämä nesteet eivät ole kiiltäviä, joten sinun on selvitettävä, kuinka kiiltävä metalli kuten alumiini voidaan sijoittaa suoraan nesteen pinnalle", Angel sanoi. ”Yleensä kun teemme tähtitieteellistä kaukoputkea, peilit tehdään lasista, mikä ei heijasta kovinkaan paljon, ja sitten haihdutat alumiinin tai hopean lasille. Kuussa meidän olisi haihdutettava metalli nesteen sijasta lasin sijasta. ”
Se on yksi tärkeimmistä NIAC-palkinnon alaisista tutkimusalueista. Alkuperäisissä tutkimuksissa Angelin joukkue on kyennyt haihduttamaan metallin nesteelle, vaikkakaan ei vielä tarpeellisissa kylmissä lämpötiloissa. Tähänastiset tulokset kuitenkin rohkaisevat heitä.
Angelin tiimi on epätyypillinen NIAC-projektille, koska se on kansainvälinen yhteistyö, eikä NIAC rahoita kansainvälisiä kumppaneita. "Tapahtuu, että kiertävien nestemäisten peiliteleskooppien valmistamista käsittelevät maailman asiantuntijat ovat kaikki Kanadassa, joten oli tavallaan välttämätöntä, että jos ajattelemme tehdä niin kuuhun, tuomme heidät sisään", Angel sanoi. "Onneksi he ovat tulleet sisään omalla lipullaan niin sanotusti ja ovat innostuneita projektista."
Kanadalaiset ryhmän jäsenet ovat Emanno Borra, Queensin Lavalin yliopistosta, joka on tutkinut ja rakennuttanut LMT: itä 1980-luvun alusta lähtien, ja Paul Hickson, Brittiläisen Kolumbian yliopistosta, joka rakensi Borran avulla 6 metrin LMT: n Vancouver. Muita yhteistyökumppaneita ovat Ki Ma Houstonin Texasin yliopistosta, joka on kryogeenisten laakereiden asiantuntija, Warren Davison Arizonan yliopistosta, joka on kaukoputkien mekaniikan asiantuntija, ja jatko-opiskelija Suresh Sivanandam.
NIAC perustettiin vuonna 1998 pyytämään avaruusjärjestön ulkopuolisilta ihmisiltä ja organisaatioilta vallankumouksellisia konsepteja, jotka voisivat edetä NASA: n tehtävissä. Voittajakonseptit valitaan, koska ne "ajavat tunnetun tieteen ja tekniikan rajat" ja "osoittavat merkityksen NASA-operaatiolle", NASA: n mukaan. Näiden konseptien odotetaan kehittävän ainakin vuosikymmenen.
Angel sanoo, että NIAC-palkinnon saaminen on loistava tilaisuus. "Me kirjoitamme epäilemättä ehdotuksen toiseksi vaiheeksi (NIAC: n rahoituksesta)", hän sanoi. ”Olemme tunnistaneet vaiheen I aikana, mitkä ovat tämän projektin kriittisimmät kysymykset ja mitä käytännön toimia meidän pitäisi tehdä nyt. Olemme avanneet joitain kysymyksiä, ja voimme tehdä joitain yksinkertaisia testejä, joilla voidaan tarkistaa, onko näyttelyn pysäyttimiä vai ei. "
Suurin este Lunar Infrared Observatory -konseptin toteuttamiselle on todennäköisesti täysin Angelin käsistä. "Kuu on erittäin mielenkiintoinen paikka tehdä tiedettä", Angel sanoi. "Se perustuu kuitenkin NASA: n huomattavaan resurssien sitoutumiseen palaamaan kuuhun." Varmasti, että suurten 20 tai 100 metrin kaukoputkien rakentamiseksi kuussa pitäisi olla miehitetty läsnäolo. "Joten", Angel jatkoi, "kiinnittämällä tiedesi tähän suuntaan, sinusta tulee erittäin suuren koiran häntä, jota sinulla ei ole mitään hallintaa"?
Angel toivoo, että NASA ja Yhdysvallat pystyvät ylläpitämään avaruustutkimuksen vision vauhtia ja palaamaan kuuhun. "Uskon viime kädessä, että muutto avaruuteen on jotain, mitä ihmisillä on halu tehdä ja aikoo tehdä joskus", Angel sanoi. ”Kun näin tapahtuu, on tärkeätä tehdä mielenkiintoisia asioita, kun saavutamme sinne. Meidän on tiedettävä, miksi jätimme tämän planeetan pinnalta menemään kuuhun. Tutkimme kyllä, mutta voimme tutkia paitsi kuua, myös käyttää sitä paikkana tieteelliseen tutkimukseen kuun ulkopuolella. Minusta se on jotain, jonka isossa kuvassa pitäisi tapahtua. "
Nancy Atkinson on freelance-kirjailija ja NASA: n aurinkokunnan suurlähettiläs. Hän asuu Illinoisissa.
