Πιστωτική εικόνα: Πανεπιστήμιο της Αριζόνα
Πριν από περισσότερα από 30 χρόνια, ο Δρ. Roger Angel ήρθε στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, λόγω των ευνοϊκών συνθηκών για την αστρονομική παρατήρηση στην περιοχή Tucson της Αριζόνα: αρκετά τηλεσκόπια βρίσκονται σε κοντινή απόσταση, και φυσικά, ο καιρός είναι υπέροχα εύκρατος. Αλλά τώρα, ο Άγγελος προτείνει να χτιστεί ένα τηλεσκόπιο σε μια τοποθεσία κάπως πιο απομακρυσμένη και όχι τόσο ήσυχη: ένας πολικός κρατήρας στο φεγγάρι.
Γνωστός για τις καινοτομίες του στους ελαφριούς καθρέφτες τηλεσκοπίων και τα προσαρμοστικά οπτικά, ο Άγγελος οδηγεί τώρα μια ομάδα επιστημόνων από τις ΗΠΑ και τον Καναδά που διερευνούν τη σκοπιμότητα κατασκευής ενός Παρατηρητηρίου Υπέρυθρων Βαθών Πεδίων κοντά σε έναν από τους σεληνιακούς πόλους χρησιμοποιώντας ένα Τηλεσκόπιο Υγρού Καθρέφτη (LMT) ).
Αυτή η ιδέα είναι μία από τις 12 προτάσεις που άρχισαν να λαμβάνουν χρηματοδότηση τον περασμένο Οκτώβριο από το NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC). Κάθε ένας παίρνει 75.000 $ για έρευνα έξι μηνών για να κάνει αρχικές μελέτες και να εντοπίσει προκλήσεις στην ανάπτυξη. Τα έργα που τα καταφέρνουν στην πρώτη φάση είναι επιλέξιμα για έως και 400.000 $ περισσότερα για δύο χρόνια.
Τα LMT κατασκευάζονται περιστρέφοντας ένα ανακλαστικό υγρό, συνήθως υδράργυρο, σε μια πλατφόρμα σε σχήμα μπολ για να σχηματίσουν μια παραβολική επιφάνεια, ιδανική για αστρονομικά οπτικά. Ο Isaac Newton πρότεινε αρχικά τη θεωρία, αλλά η τεχνολογία για την πραγματική δημιουργία μιας τέτοιας συσκευής έχει αναπτυχθεί με επιτυχία μόλις πρόσφατα. Μόνο μια χούφτα LMT χρησιμοποιούνται σήμερα, συμπεριλαμβανομένου ενός LMT 6 μέτρων στο Βανκούβερ του Καναδά, και μια έκδοση 3 μέτρων που χρησιμοποιεί η NASA για το Παρατηρητήριο Τροχιακών Συντριμμιών στο Νέο Μεξικό.
Στη Γη, τα LMT περιορίζονται σε μέγεθος έως περίπου 6 μέτρα σε διάμετρο, επειδή ο αυτοπαραγόμενος άνεμος που προέρχεται από την περιστροφή του τηλεσκοπίου διαταράσσει την επιφάνεια. Επιπλέον, όπως και τα άλλα τηλεσκόπια με βάση τη Γη, τα LMT υπόκεινται σε ατμοσφαιρική απορρόφηση και παραμόρφωση, μειώνοντας σημαντικά το εύρος και την ευαισθησία της παρατήρησης υπέρυθρων. Αλλά το φεγγάρι χωρίς ατμόσφαιρα, λέει ο Άγγελος, παρέχει την ιδανική τοποθεσία για αυτό το είδος τηλεσκοπίου, ενώ παράλληλα παρέχει τη βαρύτητα που απαιτείται για να σχηματιστεί ο παραβολικός καθρέφτης.
Το δυναμικό ενός LMT στο φεγγάρι είναι να φτιάξει ένα πολύ μεγάλο τηλεσκόπιο. Για παραπομπή, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble διαθέτει καθρέφτη 2,4 μέτρων και το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) που θα αναπτυχθεί για το 2011 θα έχει καθρέφτη 6 μέτρων. Η ιδέα για την πρόταση του Angel's NIAC είναι ένας καθρέφτης 20 μέτρων, αλλά με την έρευνα που έχει κάνει η ομάδα μέχρι τώρα, προσπαθούν τώρα να δημιουργήσουν πολύ μεγάλους καθρέφτες, με τα 100 μέτρα να είναι η μεγάλη επιλογή. Σκέφτονται επίσης μικρότερα LMT. «Προφανώς δεν μπορούμε να πάμε στο φεγγάρι και να κάνουμε έναν καθρέφτη 100 μέτρων το πρώτο πράγμα», είπε ο Άγγελος. "Εξετάζουμε μια ακολουθία μεγεθών κλίμακας 2 μέτρων, 20 μέτρων και 100 μέτρων και εξετάζουμε ποιες είναι οι δυνατότητες για κάθε ένα." Ο Angel πιστεύει ότι το τηλεσκόπιο των 2 μέτρων θα μπορούσε να κατασκευαστεί χωρίς ανθρώπινη παρουσία στο φεγγάρι και να δημιουργηθεί ως ρομποτικό τηλεσκόπιο, όπως τα επιστημονικά όργανα των Mars rovers που λειτουργούν τώρα.
Ο περιορισμός ενός υγρού καθρέφτη είναι ότι δείχνει μόνο ευθεία προς τα πάνω, οπότε δεν είναι σαν ένα τυπικό τηλεσκόπιο που μπορεί να δείχνει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και να παρακολουθεί αντικείμενα στον ουρανό. Κοιτάζει μόνο την περιοχή του ουρανού που είναι άμεσα πάνω.
Έτσι, ο επιστημονικός στόχος για ένα LMT είναι να μην κοιτάζουμε ολόκληρο τον ουρανό, αλλά να παίρνουμε μια περιοχή του χώρου και να το βλέπουμε έντονα. Αυτός ο τύπος αστρονομίας ήταν πολύ «κερδοφόρος», όπως το περιέγραψε ο Άγγελος, όσον αφορά τον πλούτο των πληροφοριών που έχουν συγκεντρωθεί. Μερικές από τις πιο παραγωγικές επιστημονικές προσπάθειες από το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble ήταν οι φωτογραφίες του «Deep Field».
Το να βλέπεις μόνο μία περιοχή χώρου ανά πάσα στιγμή οδηγεί τον Άγγελο και την ομάδα του να κοιτάξουν σε έναν από τους σεληνιακούς πόλους για την καλύτερη τοποθεσία για αυτό το τηλεσκόπιο. Όπως και στους πόλους της Γης, το να κοιτάζετε ευθεία από τους πόλους στο φεγγάρι παρέχει πάντα το ίδιο εξωγαλακτικό οπτικό πεδίο. "Αν πάμε στον Βόρειο ή Νότιο Πόλο του φεγγαριού, θα φανταστούμε ένα κομμάτι του ουρανού όλη την ώρα, και έτσι σας επιτρέπει να κάνετε μια εξαιρετικά βαθιά ολοκλήρωση, πολύ πιο βαθιά ακόμη και από το Χαμπλ Βαθύ Πεδίο." Συνδυάστε το με ένα μεγάλο άνοιγμα, και αυτό το τηλεσκόπιο θα παρέχει ένα βάθος παρατήρησης που θα ήταν απαράμιλλο με οποιοδήποτε τηλεσκόπιο στη Γη ή στο διάστημα. «Αυτή είναι η θέση ή η ιδιαίτερη δύναμη αυτού του τηλεσκοπίου», είπε ο Άγγελος.
Ένα άλλο πλεονέκτημα των υγρών καθρεφτών είναι ότι είναι πολύ φθηνά σε σύγκριση με τη διαδικασία δημιουργίας ενός τυπικού καθρέφτη δημιουργώντας, γυαλίζοντας και δοκιμάζοντας ένα μεγάλο, άκαμπτο κομμάτι γυαλιού ή δημιουργώντας μικρότερα κομμάτια που πρέπει να γυαλιστούν, να δοκιμαστούν και στη συνέχεια να ενωθούν πολύ με ακρίβεια. Επίσης, τα LMT δεν χρειάζονται ακριβά στηρίγματα, υποστηρίγματα, συστήματα παρακολούθησης ή θόλο.
«Το συνολικό κόστος του Τηλεσκοπίου James Webb αναμένεται να ξεπεράσει ένα δισεκατομμύριο δολάρια, με την τιμή μόνο στον καθρέφτη περίπου το ένα τέταρτο ενός εκατομμυρίου δολαρίων», δήλωσε ο Angel. «Αυτός ο καθρέφτης είναι 6 μέτρα, οπότε αν κλιμακώσουμε αυτήν την τεχνολογία σε ακόμη μεγαλύτερους καθρέφτες στο διάστημα, τελικά θα σπάσουμε την τράπεζα και δεν θα μπορέσουμε να τους αντέξουμε με την παρούσα τεχνολογία κατασκευής του γυαλισμένου καθρέφτη και ανεβαίνοντας στο διάστημα. "
Αν και το τηλεσκόπιο των 2 μέτρων θα ήταν ένα πρωτότυπο, θα ήταν αστρονομικά πολύτιμο. «Θα μπορούσαμε να κάνουμε πράγματα που είναι δωρεάν για το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Spitzer και το Τηλεσκόπιο Webb, καθώς το τηλεσκόπιο 2 μέτρων στο φεγγάρι θα γεμίσει την περιοχή ανάμεσα στα δύο αυτά τηλεσκόπια.» Ένας καθρέφτης 20 μέτρων θα παρέχει ανάλυση 3 φορές μεγαλύτερη από την JWST και ενσωματώνοντας ή αφήνοντας το "κλείστρο" ανοιχτό για μεγάλα χρονικά διαστήματα, όπως ένα χρόνο, θα μπορούσαν να προβληθούν αντικείμενα 100 φορές πιο αχνά. Ένας καθρέφτης 100 μέτρων θα παρέχει δεδομένα που δεν περιλαμβάνονται στα διαγράμματα.
Μία από τις προκλήσεις στην ανάπτυξη ενός LMT στο φεγγάρι είναι η δημιουργία ρουλεμάν για περιστροφή της πλατφόρμας ομαλά και με σταθερή ταχύτητα. Τα ρουλεμάν χρησιμοποιούνται για LMT στη Γη, αλλά χωρίς αέρα στο φεγγάρι, αυτό είναι αδύνατο. Ο Angel και η ομάδα του εξετάζουν τα κρυογονικά ρουλεμάν ανύψωσης, παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιήθηκαν για τα τρένα μαγνητικής ανύψωσης για να πάρουν κίνηση χωρίς τριβή χρησιμοποιώντας μαγνητικό πεδίο. Ο Άγγελος πρόσθεσε: «Ως μπόνους, με τις χαμηλές θερμοκρασίες στο φεγγάρι μπορείτε να το κάνετε αυτό χωρίς να ξοδέψετε καμία ενέργεια γιατί μπορείτε να φτιάξετε έναν υπεραγωγό μαγνήτη που σας επιτρέπει να κάνετε ένα ρουλεμάν ανύψωσης που δεν απαιτεί συνεχή είσοδο ηλεκτρικής ενέργειας. "
Ο Άγγελος χαρακτήρισε τα ρουλεμάν ένα κρίσιμο στοιχείο του τηλεσκοπίου. «Χωρίς αέρα στο φεγγάρι για να δημιουργήσει άνεμο, δεν υπάρχει όριο στο μέγεθος ή να φτάσουμε στην ακρίβεια που χρειάζεστε εφ 'όσον το ρουλεμάν είναι εντάξει», είπε ο Άγγελος.
Μια εξέλιξη του έργου από τη λήψη της χρηματοδότησης NIAC είναι η τοποθεσία του τηλεσκοπίου. Στην αρχική πρόταση, η ομάδα του Angel ευνόησε τον νότιο πόλο της σελήνης στον κρατήρα του Shackleton. Όμως ο βόρειος πόλος προσφέρει πραγματικά ένα καλύτερο οπτικό πεδίο για εξωγαλακτική παρατήρηση, κατάλαβαν και ο Angel περιμένει δεδομένα από τον σεληνιακό τροχιά SMART-1 της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας που πρόσφατα άρχισε να ερευνά τις πολικές περιοχές του φεγγαριού.
«Στις πολικές περιοχές υπάρχουν μερικοί κρατήρες όπου ο ήλιος δεν φωτίζει ποτέ και δεν θερμαίνει ποτέ το έδαφος», είπε ο Άγγελος. «Είναι πολύ κρύο εκεί, όχι πολύ πάνω από το απόλυτο μηδέν. Αντί να χτίσουμε το τηλεσκόπιο κάτω από τέτοιες εχθρικές συνθήκες, θα προσπαθούσαμε να χτίσουμε το τηλεσκόπιο σε μια κορυφή ενός από τους πόλους, όπου θα υπήρχε σχεδόν συνεχώς ηλιοφάνεια. Αυτό θα παρείχε ηλιακή ενέργεια και οι συνθήκες θα ήταν καλύτερες για τους ανθρώπους που ζουν εκεί. Το μόνο που έχετε να κάνετε είναι να βάλετε μια κυλινδρική οθόνη Mylar γύρω από το τηλεσκόπιο για να αποτρέψετε τον ήλιο να χτυπήσει ποτέ και θα κρυώσει ακριβώς όπως στο κάτω μέρος των κρατήρων. "
Με την υπέρυθρη παρατήρηση, ένα κρύο τηλεσκόπιο είναι ζωτικής σημασίας για να μπορείτε να δείτε πιο κρύα και πιο εξασθενημένα αντικείμενα στο διάστημα. Το να τηρείτε το τηλεσκόπιο σε σχεδόν απόλυτο μηδέν (0 βαθμούς Kelvin, -273 C, -460 F) θα ήταν ιδανικό. Δεδομένου ότι ο υδράργυρος θα παγώσει σε αυτές τις θερμοκρασίες, μια άλλη πρόκληση για το έργο είναι η εύρεση του κατάλληλου υγρού για περιστροφή για τον καθρέφτη. Μερικοί από τους υποψηφίους είναι αιθάνιο, μεθάνιο και άλλοι μικροί υδρογονάνθρακες, όπως τα υγρά που βρέθηκαν στον Τιτάνα από τον ανιχνευτή Huygens, ο οποίος προσγειώθηκε στο μεγαλύτερο φεγγάρι του Κρόνου στις 14 Ιανουαρίου.
«Αλλά αυτά τα υγρά δεν είναι γυαλιστερά, οπότε πρέπει να καταλάβετε πώς να αποθέσετε ένα γυαλιστερό μέταλλο όπως το αλουμίνιο απευθείας στην επιφάνεια του υγρού», είπε ο Angel. «Κανονικά, όταν φτιάχνουμε ένα αστρονομικό τηλεσκόπιο φτιάχνουμε τους καθρέφτες από γυαλί, που δεν αντανακλούν πάρα πολύ και μετά εξατμίζουμε αλουμίνιο ή ασήμι στο ποτήρι. Στο φεγγάρι θα πρέπει να εξατμίσουμε το μέταλλο πάνω στο υγρό και όχι στο γυαλί. "
Αυτός είναι ένας από τους βασικούς τομείς έρευνας βάσει του βραβείου NIAC. Σε αρχικές μελέτες, η ομάδα του Angel κατάφερε να εξατμίσει ένα μέταλλο πάνω σε ένα υγρό, αν και δεν έχει ακόμη απαιτηθεί στις κρύες θερμοκρασίες. Ωστόσο, ενθαρρύνονται από τα μέχρι τώρα αποτελέσματα.
Η ομάδα του Angel είναι άτυπη για ένα έργο NIAC, καθώς είναι μια διεθνής συνεργασία και η NIAC δεν χρηματοδοτεί διεθνείς συνεργάτες. «Συμβαίνει ότι οι παγκόσμιοι εμπειρογνώμονες στην κατασκευή περιστροφικών τηλεσκοπίων υγρών καθρεφτών είναι όλοι στον Καναδά, οπότε ήταν σημαντικό να σκεφτόμαστε να το κάνουμε αυτό στο φεγγάρι που τα φέρνουμε», είπε ο Άγγελος. «Ευτυχώς, μπήκαν στο δικό τους εισιτήριο, για να το πούμε, και ενθουσιάζονται από το έργο.»
Τα μέλη της ομάδας από τον Καναδά είναι ο Emanno Borra, από το Πανεπιστήμιο Laval στο Κεμπέκ, ο οποίος ερευνά και κατασκευάζει LMTs από τις αρχές της δεκαετίας του 1980 και ο Paul Hickson, από το Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, ο οποίος, με τη βοήθεια του Borra, έχτισε το LMT 6 μέτρων στο Βανκούβερ. Άλλοι συνεργάτες περιλαμβάνουν τον Ki Ma στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Χιούστον, ο οποίος είναι ειδικός στα κρυογονικά ρουλεμάν, ο Warren Davison από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, ο οποίος είναι ειδικός μηχανικών μηχανικών στα τηλεσκόπια και μεταπτυχιακός φοιτητής Suresh Sivanandam.
Το NIAC δημιουργήθηκε το 1998 για να ζητήσει επαναστατικές ιδέες από ανθρώπους και οργανισμούς εκτός του διαστημικού γραφείου που θα μπορούσαν να προωθήσουν τις αποστολές της NASA. Οι νικητήριες έννοιες επιλέγονται επειδή «ωθούν τα όρια της γνωστής επιστήμης και τεχνολογίας» και «δείχνουν τη συνάφεια με την αποστολή της NASA», σύμφωνα με τη NASA. Αυτές οι έννοιες αναμένεται να διαρκέσουν τουλάχιστον μια δεκαετία για να αναπτυχθούν.
Ο Angel λέει ότι η λήψη του βραβείου NIAC είναι μια εξαιρετική ευκαιρία. «Θα γράψουμε αναμφίβολα μια πρόταση για τη Φάση II (της χρηματοδότησης NIAC)», είπε. «Εντοπίσαμε κατά τη διάρκεια της Φάσης Ι ποια είναι τα πιο κρίσιμα ζητήματα σε αυτό το έργο και ποια πρακτικά μέτρα πρέπει να κάνουμε τώρα. Έχουμε ανοίξει μερικές ερωτήσεις και υπάρχουν μερικές απλές δοκιμές που μπορούμε να κάνουμε για να δούμε αν υπάρχουν πώματα εκπομπής ή όχι. "
Το μεγαλύτερο εμπόδιο στην πραγματοποίηση του Σεληνιακού Υπέρυθρου Παρατηρητηρίου είναι, κατά πάσα πιθανότητα, εντελώς έξω από τα χέρια του Angel. «Το φεγγάρι είναι ένα πολύ ενδιαφέρον μέρος για να κάνεις επιστήμη», είπε ο Άγγελος. "Ωστόσο, βασίζεται σε μια σημαντική δέσμευση πόρων από τη NASA για επιστροφή στη Σελήνη." Σίγουρα, για να χτίσουμε τα μεγάλα τηλεσκόπια των 20 ή 100 μέτρων θα έπρεπε να υπάρχει επανδρωμένη παρουσία στο φεγγάρι. «Λοιπόν», συνέχισε ο Άγγελος, «βάζοντας την επιστήμη σου προς αυτή την κατεύθυνση, γίνεσαι η ουρά ενός πολύ μεγάλου σκύλου πάνω στον οποίο δεν έχεις κανένα έλεγχο»;
Ο Angel ελπίζει ότι η NASA και οι Ηνωμένες Πολιτείες μπορούν να διατηρήσουν τη δυναμική του Οράματος για την Εξερεύνηση του Διαστήματος και να επιστρέψουν στη Σελήνη. «Νομίζω τελικά ότι η μετακίνηση στο διάστημα είναι κάτι που οι άνθρωποι έχουν την επιθυμία να κάνουν και θα κάνουν κάποια στιγμή», είπε ο Angel. «Όταν συμβεί αυτό, είναι σημαντικό να κάνουμε ενδιαφέροντα πράγματα όταν φτάσουμε εκεί είναι σημαντικό. Πρέπει να ξέρουμε γιατί αφήσαμε την επιφάνεια αυτού του πλανήτη για να πάμε στο φεγγάρι. Εξερευνούμε, ναι, αλλά μπορούμε να εξερευνήσουμε όχι μόνο το φεγγάρι, αλλά να το χρησιμοποιήσουμε ως μέρος για να κάνουμε επιστημονική έρευνα πέρα από το φεγγάρι. Νομίζω ότι είναι κάτι που στη μεγάλη εικόνα πρέπει να συμβεί. "
Η Nancy Atkinson είναι ανεξάρτητη συγγραφέας και πρέσβης της Solar System. Ζει στο Ιλλινόις.
