Телескопы сжидкими линзами: как это работает

      Комментарии к записи Телескопы сжидкими линзами: как это работает отключены

Телескопы сжидкими линзами: как это работает

на данный момент в мире идет создание нескольких телескопов, диаметры объективов которых измеряются десятками метров. Что примечательно: не обращая внимания на неспециализированное бурное технологическое развитие человечества, шаги в повышении большого диаметра объектива телескопа так же, как и прежде происходят с промежутком, измеряемым столетиями. Обстоятельство несложна — с повышением диаметра объектива растет не только научная отдача телескопа, но и его цена.

В случае если цена действующих инструментов с многометровыми объективами измеряется сотнями миллионов американских долларов, то на мегателескопах будущего висят уже миллиардные ценники.

Возможности телескопов с жидким зеркалом ограничены, но в отечественной Вселенной имеется объекты, каковые постоянно попадают в поле зрения телескопа, куда бы он ни был направлен.

Неприятности гигантов

Неудивительно, что конструкторская идея непрерывно ищет методы удешевить столь дорогостоящие астрономические игрушки. Потому, что отечественное все — диаметр объектива, конечно постараться расширить размер «глаза» телескопа за счет принесения в жертву вторых конструктивных изюминок. Примерами могут служить телескопы Хобби-Эберли (США), Громадный южноафриканский телескоп (ЮАР) и телескоп LAMOST (Китай).

Эти инструменты не являются полноповоротными, другими словами, в отличие от хорошего телескопа, зафиксированы довольно одной из двух осей вращения и потому лишены возможности в любую секунду времени наводиться в любую точку видимого полушария неба. Само собой разумеется, подобная фиксация накладывает значительные ограничения, но при помощи продуманной программы наблюдений их возможно сделать не столь критичными. Наряду с этим цена уменьшается в разы если сравнивать с полноповоротным телескопом.

Но имеется и более радикальный метод удешевления астрономического инструмента.

В современных телескопах, в большинстве случаев, в качестве объектива употребляется вогнутое зеркало. Дабы зеркало фокусировало отражаемые им лучи, другими словами сводило их в точку, оно должно иметь форму параболоида вращения. Изначально зеркала для телескопов отливали из особых сортов латуни, а позже продолжительно и нудно шлифовали до нужной формы.

В середине XIX века по окончании изобретения процедуры серебрения зеркала начали изготавливать из стекла, шлифовать которое значительно несложнее, но и сейчас один из самых сложных этапов создания телескопа пребывает в придании зеркалу правильной формы. Наряду с этим неточности в форме поверхности должны быть намного меньше длины волны отражаемого света, а она в видимом диапазоне образовывает всего 0,5 мкм. Воображаете задачу — отшлифовать поверхность площадью в десятки квадратных метров с субмикронной точностью!

    Зеркало телескопа LZT представляет собой пластиковую чашу из семи шестиугольных и шести треугольных сегментов. Сегментам посредством термоформовки придается форма параболоида вращения, дабы минимизировать толщину слоя ртути готового зеркала.

Ветхая мысль

Куда более несложный и недорогой метод получения параболической отражающей поверхности был придуман еще Ньютоном. Довольно часто спокойную гладь воды сравнивают с зеркалом, подразумевая, что ее поверхность идеально ровная и плоская. В случае если же воду либо другую жидкость раскрутить в круглом сосуде, ее поверхность примет параболическую форму, за исключением края, где ее исказит поверхностное натяжение.

Действительно, у воды низкий коэффициент отражения, как минимум для лучей, падающих практически перпендикулярно поверхности, но воду возможно заменить более отражающей жидкостью.

Считается, что первым идею создания вращающегося ртутного зеркала для телескопа высказал в первой половине 50-ых годов девятнадцатого века итальянский астролог Эрнесто Капоцци. Успешное воплощение зеркала было представлено в первой половине 70-ых годов XIX века в Новой Зеландии Генри Скеем, а астрономические наблюдения на ртутном телескопе в первый раз совершил Роберт Вуд в начале XX века. В описании собственных опытов в 1909 году Вуд подчернул, что астрологи постоянно воспринимали идею о жидком зеркале как шутку: о каком качестве наблюдений может идти обращение, в случае если на поверхности от мельчайшего внешнего возмущения появляется рябь?

Сам Вуд занялся данной проблемой, как он сам писал, «только дабы развлечься в летние месяцы». Он распознал главные источники происхождения ряби на поверхности зеркала: вибрации от подвески и двигателя зеркала, негоризонтальное размещение вращающейся чаши с ртутью и неравномерная скорость вращения двигателя — и доказал, что все они смогут быть в значительной мере устранены продуманной тщательностью и конструкцией телескопа его изготовления.

К ряби, создаваемой механизмами телескопа, необходимо добавить и внешние возмущения: самый громадный телескоп Вуда с 20-дюймовым зеркалом был установлен в оживленном месте на острове Лонг-Айленд (США) и потому содрогался и от прибоя, и от проезжавших мимо повозок, а также от шагов прохожих. Вуд внес предложение два способа спасения от остаточных колебаний зеркала. Первый пребывает в том, дабы делать слой ртути в чаше максимально узким: чем уже ртутное зеркало, тем меньше в нем ряби.

Второй метод предполагает покрытие ртути еще какой-либо жидкостью, которая гасила бы колебания, — к примеру, водой либо глицерином.

Вуд довел собственный ртутный телескоп до совершенства, доказал, что он дает изображения не нехорошего качества, чем «простой» и забросил эту работу. Технические сложности были преодолены, научная же сокровище неподвижного телескопа, направленного в зенит, осталась совсем неочевидной. Мысль вращающихся ртутных зеркал была забыта на продолжительные десятилетия.

Это не свидетельствует, что ртуть всецело ушла из астрономического обихода. Ее обширно использовали в так называемых ртутных горизонтах фотографических зенитных труб (ФЗТ). Спокойная поверхность ртути по определению параллельна плоскости горизонта, и ее возможно применять для правильного наведения объектива в зенит, что требуется при некоторых астрометрических наблюдениях.

Но мысль об применении ртути как материала для объектива телескопа возродилась лишь в первой половине 80-х годов прошлого века благодаря ученому Эрманно Борра из Университета Лаваля (Канада).

    Чаша интернационального телескопа с жидким зеркалом (ILMT) изготовлена из кевлара, натянутого на основание из вспененного полимера. Дабы она самый близко соответствовала форме совершенного зеркала, ее покрывают слоем полиуретана методом ротационной полимеризации: жидкий мономер наливают в чашу и поддерживают вращение , пока покрытие не затвердеет.

Фиксированный прицел

Чем астрологов не устраивает подобный инструмент? Прежде всего — невозможностью наведения на произвольный объект. Не смотря на то, что и в течение ночи, и в течение года комплект светил, проходящих через околозенитную область, изменяется, он остается ограниченным. Помимо этого, телескоп с жидким зеркалом (ТЖЗ) нереально навести кроме того на объекты, попавшие в поле его зрения.

Они будут проплывать над телескопом по изогнутым траекториям (в случае если телескоп не на экваторе). До тех пор пока употреблялись фотопластинки, возможно было рассчитывать лишь на фотографирование звездных треков, а от них пользы не особенно большое количество.

Обстановка изменилась, в то время, когда на смену фотопластинкам пришли приемники излучения нового типа на базе устройств с зарядовой связью (ПЗС). Светочувствительные элементы — пиксели — в ПЗС-приемнике выстроены в комплект отдельных линеек, составляющих ПЗС-матрицу. При простой покадровой съемке изображение считывается в один момент со всех линеек.

Потому, что из-за вращения Почвы картина смещается по небосводу, телескоп на протяжении экспозиции необходимо поворачивать следом за ней. Таковой режим съемки именуется режимом слежения. Он разрешает приобретать снимки с практически неограниченным временем экспозиции, замечая весьма не сильный объекты.

Но одновременность считывания изображения со всех линеек вовсе необязательна. В случае если звезда, галактика либо каждый объект «ползет» по матрице поперек линеек, изображение возможно считывать с них попеременно, а позже складывать в неспециализированную картину. Данный режим съемки именуется сканированием, потому, что телескоп как бы сканирует небо.

В случае если нас интересует конкретный небесный объект, режим сканирования не особенно эргономичен, но при проведении обзорных наблюдений он в некоторых случаях кроме того практичнее режима слежения и по сей день активно используется. Действительно, в режиме сканирования продолжительность экспозиции ограничена временем прохождения звезды от одного края матрицы к второму, но ее возможно расширить, суммируя снимки одной и той же области неба, полученные в различные ночи. Помимо этого, ограниченность времени съемки на телескопах с жидкими зеркалами с лихвой компенсируется возможностью делать эти зеркала большими.

К концу XX столетия подоспели и аэростатические подшипники, разрешившие свести к минимуму трение при вращении чаши со ртутью, и синхронные электродвигатели, снабжающие высокую стабильность вращения. Главные препятствия на пути к качественному жидкому зеркалу, обрисованные Вудом, сейчас преодолеваются куда несложнее и лучше, чем в начале XX века.

Начиная с 1980-х годов в разных лабораториях создавались все более и более большие зеркала, каковые неспешно стали базой для современных ртутных телескопов. Эти работы проводились в основном в Канаде, но кое-что делалось и в других государствах.

В СССР опыты с жидкими зеркалами в конце 1970-х — начале 1980-х проводили Виктор Александр и Васильев Согоконь из Харьковского университета: они внесли предложение гасить колебания жидкого зеркала, заставляя чашу с ним плавать в второй вращающейся чаше — к примеру, с водой. Действительно, до создания телескопа эта работа не дошла.

Что отражается в ртути

Не смотря на то, что возможности ТЖЗ ограничены, в отечественной Вселенной имеется объекты, каковые постоянно попадают в поле зрения телескопа, куда бы он ни был направлен. Во-первых, это сама Вселенная. Высказывались предложения применять ТЖЗ с целью проведения космологических обзоров, каковые разрешили бы уточнить строение Вселенной по наблюдениям квазаров и большого количества галактик.

Потому, что Вселенная считается изотропной (однообразной во всех направлениях), в полной мере возможно ограничиться наблюдениями узкой полосы, опоясывающей небо.

Второй объект, что виден с Почвы во всех направлениях, — это земная воздух. Телескопы с жидкими зеркалами употребляются для изучения особенностей воздуха — в частности, натриевого слоя на высоте 100 км. Атомы натрия заставляют светиться посредством лазерного импульса, а ТЖЗ регистрирует это свечение и по его параметрам определяет свойства натриевого слоя (такое искусственно приведённое к свечению употребляется при астрономических наблюдениях с адаптивной оптикой, так что свойства натриевого слоя нужно прекрасно знать).

в течении восьми лет (с 1995 по 2002 год) в Соединенных Штатах трудился трехметровый телескоп с ртутным зеркалом обсерватории NODO (NASA Orbital Debris Observatory) для наблюдений космического мусора. Но в случае если фрагменты небольшие (менее 10 см), сложно кроме того оценить их количество. В этом отношении недорогой и громадный инструмент, разрешавший видеть фрагменты размером до 2,5 см, был очень нужен.

Телескопы с жидкими зеркалами употребляются для изучения особенностей воздуха — в частности, натриевого слоя на высоте 100 километров.

Громадный зенитный телескоп

На сегодня самый большой ТЖЗ создан в Канаде, в Университете Английской Колумбии группой экспертов под управлением Пола Хиксона. Это Громадный зенитный телескоп (Large Zenith Telescope, LZT) с диаметром зеркала 6 м. Его создание обошлось всего в $0,5 млн (в стоимостях середины 1990-х годов)! В телескопе употребляется аэростатический подшипник, на котором закреплена металлическая рама сложной конструкции, поддерживающая чашу из поливинилхлорида.

Рама должна быть весьма твёрдой: в случае если огромная чаша будет хоть мало гнуться, вращение тяжелой жидкости очень сильно раскачает ее. Жёсткие требования предъявляются и к вертикальности оси вращения — отклонение от вертикали должно быть меньше угловой секунды.

Поверхность чаши покрыта эпоксидной смолой и сама имеет параболическую форму, на доли миллиметра отличающуюся от желаемой формы зеркала. Это сделано чтобы свести к минимуму нужную толщину слоя ртути. И цель не только в том, дабы сократить расход ртути. Как уже говорилось, рябь на жидком зеркале гасится тем действеннее, чем меньше его толщина. На шестиметровом LZT толщина слоя ртути образовывает менее 1,5 мм.

Меньше сделать не получается, поскольку при попытке создать чрезмерно узкий слой ртуть распадается на отдельные капельки, как терминатор Т-1000 (вот из него, кстати, зеркало оказалось бы совершенным).

Чуть выше зеркала над всей его площадью протянута горизонтальная прозрачная пленка. Для получения нужного фокусного расстояния (9 м) зеркало должно выполнять один оборот приблизительно за 8,5 с. Это указывает, что край зеркала движется со скоростью больше двух метров/с, поднимая ветер, талантливый нарушить гладкость поверхности ртути. Защитная пленка формирует «ловушку» для воздуха, в которой он вращается вместе с зеркалом.

Пленка, само собой разумеется, сама пара портит изображение, но с этим приходится мириться.

    В околоземном пространстве насчитывается порядка 20?000 неестественных объектов, среди которых имеется и функционирующие спутники, и фрагменты космических аппаратов самых различных размеров. Недорогой телескоп с жидким зеркалом имел возможность бы проводить регулярные патрульные наблюдения в расчете на то, что большинство фрагментов непременно пролетит над ним и будет найдена.

Будущее «жидких» телескопов

Следующий большой проект ТЖЗ планируется реализовать на куда более качественной площадке. Интернациональный телескоп с жидким зеркалом (International Liquid Mirror Telescope, ILMT) строится на данный момент в Индии, в обсерватории Девасталь на высоте 2540 м. Это будет четырехметровый телескоп, посвященный ответу уже не тестовых, а научных задач.

Предполагается, что ILMT в течении пяти лет будет сканировать полосу неба шириной полградуса, детектируя разные переменные источники — вспышки на звездах, события микролинзирования и проч., — и обнаруживая новые галактические и внегалактические объекты. Само собой разумеется, площадь данной полосы — 156 кв. градусов — ничтожно мелка если сравнивать с полной площадью неба (более 40 000 кв. градусов), но ее малость будет компенсироваться тщательностью наблюдений.

На данный момент на обсерватории возводится павильон для этого телескопа, сам он уже доставлен в Индию, благо перевозка ТЖЗ особенной неприятности не образовывает. Создатели проекта, которым руководит Льежский университет (Бельгия), рассчитывают заметить «первый свет» весной 2016 года.

Вторых значимых проектов ТЖЗ на данный момент нет, но имеется множество идей по их совершенствованию. К примеру, в случае если применять в качестве опоры для отражающей пленки ферромагнитные жидкости, возможно вырабатывать поверхность зеркала не вращением, а магнитным полем. Это открывает возможность установки ТЖЗ на космических аппаратах.

Но самая амбициозная мысль в отношении ТЖЗ пребывает в том, дабы установить таковой инструмент на Луне, замахнувшись на совсем недостижимый в земных условиях диаметр порядка много метров и сверхпроводящий магнит в качестве подвески. Само собой разумеется, ртуть тут уже не подойдет, но на ее роль смогут претендовать ионные жидкости с отражающим напылением. Действительно, до сих пор не удалось подобрать жидкость, которая не мёрзла бы при лунных температурах, но авторы идеи (Э.?Борра, П.?Хиксон и их сотрудники) уверены в том, что это в обязательном порядке будет сделано.

Неприятность в том, что сборку для того чтобы телескопа должны будут осуществлять люди, другими словами его появление нужно будет отложить до того времени, в то время, когда на Луне покажутся неизменно действующие базы. Но и в этом случае доставка, эксплуатация и сборка ТЖЗ обойдутся намного дешевле, чем то же самое для простого телескопа. Но это, само собой разумеется, дело весьма далекого будущего.

Пока же создается чувство, что эта разработка в значительной мере недооценена, но в будущем обстановка может измениться. Астрономические цены на «простые» громадные телескопы тормозят создание аналогичных инструментов, не смотря на то, что потребность в громадных зеркалах высока. Довольно недорогой и несложный в изготовлении громадной ТЖЗ может оказаться успешной альтернативой, в особенности для задач, каковые не требуют правильного наведения.

Таковой телескоп, к примеру, имел возможность бы проводить регулярные патрульные наблюдения космического мусора в расчете на то, что б? льшая часть фрагментов непременно пролетит над ним и будет найдена.

Увеличить возможности ТЖЗ имела возможность бы дополнительная оптика, благодаря которой возможно существенно увеличить площадь дешёвого неба. Второе направление усовершенствования жидких телескопов пребывает в том, дабы обучиться их наклонять. Со ртутью такое, возможно, и не окажется, а вот с зеркалами в виде пленки из наночастиц, к примеру серебра, на поверхности вязкой вращающейся жидкости такие опыты проводятся.

Но, само собой разумеется, необходимо не забывать, что все такие усовершенствования мало-помалу будут лишать ТЖЗ их главного преимущества — дешевизне.

Сборку «жидкого» телескопа на Луне должны будут осуществлять люди, другими словами его появление нужно будет отложить до того времени, в то время, когда в том месте покажутся неизменно действующие базы.

Налить зеркало

Подготовка зеркала начинается с того, что в чашу LZT наливают около 100 л ртути. Забавно, что мощности двигателя не достаточно, дабы привести чашу в перемещение, и потому изначально ее раскручивают вручную.

Приблизительно через час вращения зеркало стабилизируется, и начинается двухдневная процедура откачивания ртути, дабы довести толщину зеркала до минимального значения (начальная толщина — приблизительно 3,5 мм). По окончании стабилизации поверхности зеркала на нем образуется пленка оксида ртути, которая фактически останавливает испарение металла, так что через несколько дней по окончании раскручивания зеркала около него возможно пребывать, не предпринимая особенных защитных мер.

Коэффициент отражения ртути (порядка 70%) меньше, чем у свеженанесенного алюминиевого покрытия. Но со временем алюминий мутнеет, и его коэффициент отражения падает. Наряду с этим процедура алюминирования сложна и дорогостояща.

Ртуть также мутнеет, но ртутное зеркало возможно без затрат и особых проблем обновлять хоть каждый месяц.

Телескоп LZT на данный момент используется для изучений воздуха в рамках создания совокупностей адаптивной оптики для огромных телескопов TMT и E-ELT. Уровень качества изображений на LZT выяснилось средним, но необходимо учитывать, что он создавался в значительной мере как испытательный инструмент и потому установлен в месте, не весьма успешном с позиций состояния воздуха, в 70 км от Ванкувера на высоте всего 400 м.

Создатель благодарит за помощь в подготовке статьи Пола Хиксона (Университет Английской Колумбии, Канада) и Жана Сурдея (Льежский университет, Бельгия).

Статья «Телескоп? Наливай!» размещена в издании «Популярная механика» (№158, декабрь 2015).

КАК СОБИРАЮТ ГИГАНТСКИЙ МАГЕЛЛАНОВ ТЕЛЕСКОП?


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: