Изображение предоставлено: Университет Аризоны
Более 30 лет назад доктор Роджер Анхель приехал в Университет Аризоны, привлеченный благоприятными условиями для астрономических наблюдений в Тусоне, штат Аризона: несколько телескопов удобно расположены поблизости, и, конечно, погода чудесно умеренная. Но теперь, Ангел предлагает построить телескоп в месте, несколько более отдаленном и не столь приятном: полярный кратер на Луне.
Известный своими инновациями в области легких зеркал для телескопов и адаптивной оптики, Ангел в настоящее время возглавляет группу ученых из США и Канады, которые изучают возможность создания глубинной инфракрасной обсерватории вблизи одного из полюсов Луны с использованием телескопа с жидким зеркалом (LMT). ).
Эта концепция является одним из 12 предложений, которые начали получать финансирование в октябре прошлого года от Института передовых концепций НАСА (NIAC). Каждый получает 75 000 долларов за шесть месяцев исследований, чтобы провести начальные исследования и определить проблемы в развитии. Проекты, прошедшие первый этап, могут претендовать еще на 400 000 долларов в течение двух лет.
LMT изготавливаются путем вращения отражающей жидкости, обычно ртути, на чашеобразной платформе для образования параболической поверхности, идеально подходящей для астрономической оптики. Первоначально Исаак Ньютон предложил теорию, но технология для успешного создания такого устройства была разработана лишь недавно. Сегодня используется всего несколько LMT, в том числе 6-метровый LMT в Ванкувере, Канада, и 3-метровая версия, которую НАСА использует для своей Орбитальной обсерватории в Нью-Мексико.
На Земле LMT ограничены по размеру примерно до 6 метров в диаметре, потому что самогенерируемый ветер, который исходит от вращения телескопа, нарушает поверхность. Кроме того, как и другие наземные телескопы, LMT подвержены атмосферному поглощению и искажению, что значительно снижает дальность и чувствительность инфракрасных наблюдений. Но, по словам Ангела, луна без атмосферы обеспечивает идеальное место для телескопов этого типа, а также обеспечивает гравитацию, необходимую для формирования параболического зеркала.
Потенциал LMT на Луне - сделать очень большой телескоп. Для справки: у космического телескопа Хаббла есть 2,4-метровое зеркало, а у космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который разрабатывается для запуска в 2011 году, будет 6-метровое зеркало. Идея предложения NIAC от Angel - это 20-метровое зеркало, но благодаря исследованиям, которые команда провела до сих пор, они теперь рассматривают возможность создания очень больших зеркал, при этом 100-метровый вариант является наиболее подходящим вариантом. Они также рассматривают меньшие LMT. «Мы, очевидно, не можем пойти на Луну и сделать 100-метровое зеркало первым делом», - сказала Ангел. «Мы смотрим на последовательность размеров шкалы 2 метра, 20 метров и 100 метров и смотрим, каков потенциал каждого из них». Ангел полагает, что 2-метровый телескоп может быть сделан без присутствия человека на Луне и установлен как роботизированный телескоп, так же, как сейчас работают научные приборы на марсоходах.
Недостатком жидкостного зеркала является то, что оно только направлено вверх, поэтому оно не похоже на стандартный телескоп, который может указывать в любом направлении и отслеживать объекты в небе. Он смотрит только на область неба, которая находится прямо над головой.
Итак, научная цель LMT - не смотреть на все небо, а взять одну область пространства и внимательно на нее смотреть. Этот тип астрономии был очень «прибыльным», как описал Ангел, с точки зрения богатства собранной информации. Одной из наиболее продуктивных научных работ космического телескопа Хаббла были фотографии «Глубокого поля».
Возможность постоянно видеть только одну область пространства заставляет Ангела и его команду искать один из лунных полюсов, чтобы найти лучшее место для этого телескопа. Как и на полюсах Земли, взгляд прямо с полюсов на Луну всегда обеспечивает одинаковое внегалактическое поле зрения. «Если мы пойдем на Северный или Южный полюс Луны, мы будем постоянно изображать один участок неба, и это позволит вам сделать чрезвычайно глубокую интеграцию, намного более глубокую, чем даже Глубокое поле Хаббла». Объедините это с большой апертурой, и этот телескоп обеспечит глубину наблюдения, которая не может сравниться ни с одним телескопом на Земле или в космосе. «Это ниша или особая сила этого телескопа», - сказала Ангел.
Другим преимуществом жидких зеркал является то, что они очень недороги по сравнению с процессом изготовления стандартного зеркала путем создания, полировки и испытания большого жесткого стекла или создания более мелких деталей, которые должны быть отполированы, испытаны и затем соединены вместе. точно. Кроме того, LMT не нужны дорогие крепления, опоры, системы слежения или купол.
«Ожидается, что общая стоимость телескопа Джеймса Уэбба превысит миллиард долларов, а цена на одном зеркале составляет около четверти миллиона долларов», - сказала Ангел. «Это зеркало составляет 6 метров, поэтому, если мы масштабируем эту технологию до еще больших зеркал в пространстве, мы в конечном итоге сломаем банк, и мы не сможем позволить себе их с помощью нынешней технологии изготовления полированного зеркала и поднимать его в космос.
Хотя 2-х метровый телескоп будет прототипом, он все равно будет астрономически ценным. «Мы могли бы делать вещи, которые дополняют Космический телескоп Spitzer и Телескоп Вебба, поскольку 2-метровый телескоп на Луне будет заполнять территорию между этими двумя телескопами». 20-метровое зеркало обеспечивало бы разрешение в 3 раза больше, чем JWST, и благодаря интеграции или оставлению «затвора» открытым на длительные периоды, например, год, можно было видеть объекты в 100 раз слабее. 100-метровое зеркало предоставит данные, которые находятся вне графиков.
Одной из задач при разработке LMT на Луне является создание подшипников, которые будут вращать платформу плавно и с постоянной скоростью. Воздушные подшипники используются для LMT на Земле, но без воздуха на Луне это невозможно. Ангел и его команда рассматривают криогенные подшипники левитации, аналогичные тем, которые используются в поездах с магнитной левитацией для получения движения без трения с помощью магнитного поля. Ангел добавил: «В качестве бонуса, при низких температурах на Луне вы можете сделать это, не затрачивая никакой энергии, потому что вы можете создать сверхпроводящий магнит, который позволяет вам делать левитационный подшипник, который не требует непрерывного ввода электрической энергии. »
Ангел назвал подшипники критическим компонентом телескопа. «Если на Луне нет воздуха для создания ветра, нет предела размеру или достижению точности, которая вам требуется, пока подшипник в порядке», - сказала Ангел.
Одной из эволюций проекта с момента получения финансирования NIAC является местоположение телескопа. В первоначальном предложении команда Ангела отдала предпочтение южному полюсу луны в кратере Шеклтона. Но они поняли, что северный полюс фактически предлагает лучшую зону обзора для внегалактического наблюдения, и Ангел ожидает данных от лунного орбитального аппарата Европейского космического агентства SMART-1, который недавно начал снимать полярные районы Луны.
«В полярных регионах есть некоторые кратеры, где солнце никогда не освещает и никогда не нагревает землю», - сказал Ангел. «Там очень холодно, не намного выше абсолютного нуля. Вместо того, чтобы строить телескоп в таких враждебных условиях, мы попытались бы построить телескоп на вершине любого из полюсов, где почти непрерывно будет светить солнце. Это обеспечит солнечную энергию, и условия будут лучше для людей, живущих там. Все, что вам нужно сделать, это установить цилиндрический экран из майлара вокруг телескопа, чтобы предотвратить попадание на него солнца, и оно остынет, как на дне кратеров ».
С инфракрасным наблюдением холодный телескоп жизненно важен, чтобы иметь возможность видеть более холодные и слабые объекты в космосе. Наличие телескопа при почти абсолютном нуле (0 градусов Кельвина, -273 C, -460 F) было бы идеальным. Поскольку при этих температурах ртуть будет замерзать, другой проблемой для проекта является поиск подходящей жидкости для вращения зеркала. Некоторые из кандидатов - это этан, метан и другие мелкие углеводороды, такие как жидкости, которые были обнаружены на Титане зондом Гюйгенса, который приземлился на самой большой луне Сатурна 14 января.
«Но эти жидкости не блестят, поэтому вы должны выяснить, как нанести блестящий металл, такой как алюминий, прямо на поверхность жидкости», - сказала Ангел. «Обычно, когда мы делаем астрономический телескоп, мы делаем зеркала из стекла, которые не очень отражаются, а затем вы испаряете алюминий или серебро на стекло. На Луне нам пришлось бы испарять металл на жидкость, а не на стекло ».
Это одна из ключевых областей исследований в рамках премии NIAC. В начальных исследованиях команда Ангела смогла испарить металл на жидкость, хотя еще не при требуемых низких температурах. Тем не менее, они воодушевлены результатами до сих пор.
Команда Ангела нетипична для проекта NIAC, поскольку это международное сотрудничество, а NIAC не финансирует международных партнеров. «Случается, что все мировые эксперты по производству вращающихся жидкокристаллических телескопов находятся в Канаде, поэтому было очень важно, чтобы, если мы думаем сделать это на Луне, мы их привезем», - сказала Ангел. «К счастью, они пришли, так сказать, по собственному желанию и взволнованы проектом».
Канадскими членами команды являются Эманно Борра из Университета Лаваль в Квебеке, который занимается исследованием и сборкой LMT с начала 1980-х годов, и Пол Хиксон из Университета Британской Колумбии, который с помощью Борры построил 6-метровый LMT в Ванкувер. Среди других сотрудников Ки Ма из Университета Техаса в Хьюстоне, эксперт по криогенным подшипникам, Уоррен Дэвисон из Университета Аризоны, специалист по машиностроению в телескопах, и аспирант Суреш Сиванандам.
НИАК был создан в 1998 году для получения революционных идей от людей и организаций за пределами космического агентства, которые могли бы содействовать выполнению задач НАСА. Победившие концепции выбраны потому, что они «расширяют границы известной науки и техники» и «показывают актуальность миссии НАСА», согласно НАСА. Ожидается, что для разработки этих концепций потребуется не менее десяти лет.
Ангел говорит, что получение награды NIAC - отличная возможность. «Мы, несомненно, напишем предложение для Фазы II (финансирования NIAC)», - сказал он. «На первом этапе мы определили, каковы некоторые из наиболее важных проблем в этом проекте и какие практические шаги мы должны предпринять сейчас. Мы открыли несколько вопросов, и есть несколько простых тестов, которые мы можем сделать, чтобы увидеть, есть ли какие-нибудь ограничители шоу или нет ».
Самое большое препятствие в превращении Лунной инфракрасной обсерватории в реальность, скорее всего, полностью в руках Ангела. «Луна - очень интересное место для занятий наукой», - сказала Ангел. «Однако это основано на значительном выделении ресурсов НАСА для возвращения на Луну». Конечно, чтобы построить большие 20 или 100-метровые телескопы, на Луне должно быть присутствие человека. «Итак, - продолжала Ангел, - если вы подвигаете свою науку в этом направлении, вы становитесь хвостом очень большой собаки, над которой у вас нет абсолютно никакого контроля»?
Ангел надеется, что НАСА и Соединенные Штаты смогут сохранить импульс Видения для освоения космоса и вернуться на Луну. «В конечном счете, я думаю, что перемещение в космос - это то, к чему люди стремятся, и когда-нибудь захотят», - сказала Ангел. «Когда это происходит, важно иметь интересные вещи, как только мы туда доберемся. Мы должны знать, почему мы покинули поверхность этой планеты, чтобы отправиться на Луну. Да, мы исследуем, но мы можем исследовать не только Луну, но и использовать ее как место для проведения научных исследований за пределами Луны. Я думаю, что это то, что в целом должно произойти ».
Нэнси Аткинсон - внештатный автор и посол Солнечной системы НАСА. Она живет в Иллинойсе.
