Зображення: Університет Арізони
Понад 30 років тому доктор Роджер Енджел приїхав до Університету Арізони, притягнутий сприятливими умовами для астрономічних спостережень у Тусоні, штат Арізона: поруч зручно кілька телескопів, і, звісно, погода чудова помірна. Але тепер Енджел пропонує побудувати телескоп у дещо більш віддаленому і не настільки затишному місці: полярний кратер на Місяці.
Відомий своїми інноваціями у легких телескопічних дзеркалах та адаптивній оптиці, Ангел тепер очолює групу вчених із США та Канади, які досліджують доцільність будівництва глибокопольної інфрачервоної обсерваторії поблизу одного з місячних полюсів за допомогою рідкого дзеркального телескопа (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 США за шість місяців досліджень, щоб провести початкові дослідження та визначити проблеми в розвитку. Проекти, які пройшли перший етап, мають право на отримання ще 400 000 доларів США протягом двох років.
LMT виготовляються шляхом обертання відбивної рідини, зазвичай ртуті, на платформі у формі чаші, щоб утворити параболічну поверхню, ідеальну для астрономічної оптики. Спочатку цю теорію запропонував Ісаак Ньютон, але технологія для успішного створення такого пристрою була розроблена лише нещодавно. Сьогодні використовується лише кілька LMT, включаючи 6-метровий LMT у Ванкувері, Канада, і 3-метрову версію, яку NASA використовує для своєї орбітальної обсерваторії уламків у Нью-Мексико.
На Землі розміри LMT обмежені приблизно 6 метрами в діаметрі, оскільки вітер, що генерується власноруч від обертання телескопа, порушує поверхню. Крім того, як і інші наземні телескопи, LMT піддаються атмосферному поглинанню та викривленню, що значно знижує діапазон і чутливість інфрачервоного спостереження. Але Місяць без атмосфери, каже Ангел, забезпечує ідеальне місце для такого типу телескопа, забезпечуючи гравітацію, необхідну для формування параболічного дзеркала.
Потенціал LMT на Місяці полягає в тому, щоб зробити дуже великий телескоп. Для довідки, космічний телескоп Хаббл має 2,4-метрове дзеркало, а космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), який розробляється для запуску в 2011 році, матиме 6-метрове дзеркало. Концепція пропозиції Angel’s NIAC — це 20-метрове дзеркало, але з дослідженнями, які команда провела досі, вони зараз намагаються створити дуже великі дзеркала, при цьому 100 метрів є найбільшим варіантом. Вони також розглядають менші LMT. «Очевидно, що ми не можемо відправитися на Місяць і зробити 100-метрове дзеркало першим», – сказав Ангел. «Ми розглядаємо послідовність масштабів 2 метри, 20 м і 100 м і дивимося, який потенціал для кожного з них». Енджел вважає, що 2-метровий телескоп можна зробити без присутності людини на Місяці, і створити його як роботизований телескоп, так само, як наукові інструменти на марсоходах працюють зараз.
Обмеження рідкого дзеркала полягає в тому, що воно спрямоване тільки прямо вгору, тому воно не схоже на стандартний телескоп, який можна направляти в будь-якому напрямку і відстежувати об’єкти в небі. Він дивиться лише на область неба, яка знаходиться прямо над головою.
Таким чином, наукова мета LMT полягає в тому, щоб не дивитися на все небо, а взяти одну область простору та інтенсивно дивитися на неї. Цей тип астрономії був дуже «прибутковим», як описав його Ангел, з точки зору великої кількості зібраної інформації. Одними з найпродуктивніших наукових зусиль космічного телескопа Хаббл були його фотографії «Deep Field».
Можливість постійно дивитися лише на одну область космосу змушує Ангела та його команду дивитися на один із місячних полюсів, щоб знайти найкраще місце для цього телескопа. Як і на полюси Землі, погляд прямо вгору з полюсів на Місяці завжди забезпечує те саме позагалактичне поле зору. «Якщо ми підемо до Північного чи Південного полюса Місяця, ми будемо постійно зображати одну ділянку неба, і це дозволить вам зробити надзвичайно глибоку інтеграцію, набагато глибшу, ніж глибоке поле Хаббла». Поєднайте це з великою апертурою, і цей телескоп забезпечить глибину спостереження, яка не зрівняється з жодним телескопом на Землі або в космосі. «Це ніша або особлива сила цього телескопа», — сказав Ангел.
Іншою перевагою рідких дзеркал є те, що вони дуже недорогі в порівнянні з процесом виготовлення стандартного дзеркала шляхом створення, полірування та тестування великого твердого шматка скла або створення менших шматків, які потрібно відполірувати, перевірити, а потім 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 лише на дзеркало – близько чверті мільйона доларів», – сказав Ангел. «Це дзеркало має 6 метрів, тож якщо ми масштабуємо цю технологію до ще більших дзеркал у космосі, ми в кінцевому підсумку зруйнуємо банк, і ми не зможемо дозволити собі їх завдяки нинішній технології виготовлення полірованого дзеркала та підняти його в космос».
Незважаючи на те, що 2-метровий телескоп буде прототипом, він все одно буде астрономічно цінним. «Ми могли б робити речі, які є безкоштовними до космічного телескопа Спітцера та телескопа Вебба, оскільки 2-метровий телескоп на Місяці заповнить територію між цими двома телескопами». 20-метрове дзеркало забезпечило б роздільну здатність, в 3 рази більшу, ніж JWST, і, об’єднавши або залишивши «затвор» відкритим на тривалий період, наприклад на рік, можна було б розглянути об’єкти в 100 разів слабші. 100-метрове дзеркало надасть дані, які не відповідають графікам.
Однією з проблем розробки LMT на Місяці є створення підшипників для плавного і постійного обертання платформи. Для LMT на Землі використовуються пневматичні підшипники, але без повітря на Місяці це неможливо. Ангел і його команда розглядають кріогенні підшипники левітації, подібні до того, що використовується для поїздів з магнітною левітацією, щоб отримати рух без тертя за допомогою магнітного поля. Ангел додав: «Як бонус, при низьких температурах на Місяці ви можете зробити це, не витрачаючи жодної енергії, тому що ви можете зробити надпровідний магніт, який дозволить вам створити левітаційний підшипник, який не вимагає постійного введення електричної енергії. ”
Ангел назвав підшипники найважливішим компонентом телескопа. «Немає повітря на Місяці, яке створює вітер, немає обмежень розміру чи досягненню необхідної точності, доки з пеленгом все в порядку», – сказав Ангел.
Однією з еволюцій проекту з моменту отримання фінансування NIAC є розташування телескопа. У початковій пропозиції команда Ангела віддала перевагу південному полюсу Місяця в кратері Шеклтон. Але Північний полюс насправді пропонує краще поле зору для позагалактичних спостережень, вони зрозуміли, і Ангел чекає даних з місячного орбітального апарату SMART-1 Європейського космічного агентства, який нещодавно почав досліджувати полярні регіони Місяця.
«У полярних регіонах є кілька кратерів, де сонце ніколи не висвітлює і ніколи не нагріває землю», — сказав Ангел. «Там надзвичайно холодно, не надто вище абсолютного нуля. Замість того, щоб будувати телескоп у таких ворожих умовах, ми спробували б побудувати телескоп на вершині будь-якого з полюсів, де сонячне світло було б майже безперервним. Це забезпечило б сонячну енергію та покращило б умови для людей, які живуть там. Все, що вам потрібно зробити, це поставити циліндричний лавсановий екран навколо телескопа, щоб запобігти попаданню сонця на нього, і він охолоне так само, як на дні кратерів».
При інфрачервоному спостереженні холодний телескоп є життєво важливим, щоб мати можливість бачити більш холодні та слабкі об’єкти в космосі. Ідеальним було б мати телескоп близько абсолютного нуля (0 градусів Кельвіна, -273 C, -460 F). Оскільки при таких температурах ртуть замерзає, ще однією проблемою для проекту є пошук правильної рідини для дзеркала. Деякі з кандидатів - етан, метан та інші невеликі вуглеводні, як-от рідини, які були знайдені на Титані зондом Гюйгенс, який приземлився на найбільшому супутнику Сатурна 14 січня.
«Але ці рідини не блискучі, тому вам потрібно з’ясувати, як нанести блискучий метал, як-от алюміній, безпосередньо на поверхню рідини», – сказав Ангел. «Зазвичай, коли ми виготовляємо астрономічний телескоп, ми робимо дзеркала зі скла, яке не дуже сильно відбиває, а потім випаровує алюміній або срібло на скло. На Місяці нам доведеться випаровувати метал на рідину, а не на скло».
Це одна з ключових областей дослідження в рамках премії NIAC. У початкових дослідженнях команда Ангела змогла випарувати метал на рідину, хоча ще не при необхідних низьких температурах. Проте їх підбадьорюють наразі результати.
Команда Ангела нетипова для проекту NIAC, оскільки це міжнародна співпраця, а NIAC не фінансує міжнародних партнерів. «Бувається, що всі світові експерти з виготовлення обертових рідких дзеркальних телескопів знаходяться в Канаді, тому було важливо, щоб, якщо ми думаємо зробити це на Місяці, ми привезли їх», – сказав Ангел. «На щастя, вони прийшли, так би мовити, за власним квитком і в захваті від проекту».
Канадськими членами команди є Еманно Борра з Університету Лаваля в Квебеку, який досліджує та створює LMT з початку 1980-х років, і Пол Хіксон з Університету Британської Колумбії, який за допомогою Борри побудував 6-метровий LMT в Ванкувер. Серед інших співробітників є Кі Ма з Університету Техасу в Х'юстоні, який є експертом з кріогенних підшипників, Уоррен Девісон з Університету Арізони, який є експертом з телескопів, і аспірант Суреш Сіванандам.
NIAC був створений у 1998 році, щоб отримати революційні концепції від людей та організацій за межами космічного агентства, які могли б просувати місії NASA. Концепції-переможці обираються, тому що вони «розсувають межі відомої науки і техніки» і «показують відповідність місії NASA», за даними NASA. Очікується, що на розробку цих концепцій знадобиться щонайменше десять років.
Ангел каже, що отримання нагороди NIAC – це чудова можливість. «Ми, безсумнівно, напишемо пропозицію для другої фази (фінансування NIAC)», – сказав він. «Під час фази I ми визначили деякі з найбільш критичних проблем у цьому проекті та які практичні кроки нам слід зробити зараз. Ми відкрили кілька запитань, і є кілька простих тестів, які ми можемо зробити, щоб побачити, чи є якісь зупинки шоу чи ні».
Найбільша перешкода для того, щоб зробити місячну інфрачервону обсерваторію реальністю, швидше за все, повністю не в руках Ангела. «Місяць — дуже цікаве місце для наукових досліджень», — сказав Ангел. «Однак це залежить від значних ресурсів NASA для повернення на Місяць». Звичайно, щоб побудувати великі 20 або 100-метрові телескопи, на Місяці потрібна була б пілотована присутність. «Отже, — продовжив Ангел, — підключивши свою науку в цьому напрямку, ви стаєте хвостом дуже великого пса, над яким ви абсолютно не контролюєте»?
Енджел сподівається, що NASA і Сполучені Штати зможуть зберегти динаміку бачення космічного дослідження та повернутися на Місяць. «Зрештою, я думаю, що переміщення в космос – це те, що люди мають бажання зробити і колись це зробить», – сказав Ангел. «Коли це трапляється, важливо мати цікаві справи, коли ми туди потрапимо. Ми повинні знати, чому ми покинули поверхню цієї планети, щоб відправитися на Місяць. Ми досліджуємо, так, але ми можемо досліджувати не тільки Місяць, а й використовувати його як місце для наукових досліджень за межами Місяця. Я думаю, що це має статися в загальній картині».
Ненсі Аткінсон є незалежним автором і послом Сонячної системи NASA. Вона живе в Іллінойсі.
