πώς οι επιστήμονες οικοδομούν τα απίστευτα τηλεσκόπια με τη μεγαλύτερη δύναμη στον κόσμο
- Κατηγορία ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ
- 0 σχόλια
Όταν οι αστρονόμοι επισημαίνουν τα τηλεσκόπιά τους ψηλά στον ουρανό για να δείτε μακρινά σουπερνόβα ή κβάζαρ, από όπου και αν συλλογής φωτός που ταξιδέψει εκατομμύρια ή ακόμη και δισεκατομμύρια έτη φωτός μέσα στο χώρο.
Ακόμη και τεράστια και ισχυρή πηγών ενέργειας στο σύμπαν είναι αφάνταστα μικρό και λιποθυμίας, όταν τους δείτε από τέτοια απόσταση.
Για να μάθετε για τους γαλαξίες που σχηματίστηκαν αμέσως μετά το Big Bang, και σχετικά με κοντινά, αλλά πολύ μικρότερα και πιο αμυδρά αντικείμενα, οι αστρονόμοι χρειάζονται πιο ισχυρά τηλεσκόπια.
Ίσως το παιδί αφίσα για τα προγράμματα που απαιτούν εξαιρετικές ευαισθησία και τις πιο οξυμένη εικόνες είναι η αναζήτηση πλανητών γύρω από άλλα άστρα, όπου το σώμα που προσπαθούμε να ανιχνεύσει είναι πολύ κοντά στο άστρο του και περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές πιο αμυδρά.
Η εύρεση πλανητών σαν τη Γη είναι μία από τις πιο συναρπαστικές προοπτικές για την επόμενη γενιά των τηλεσκοπίων, και θα μπορούσε τελικά να οδηγήσει στην ανακάλυψη εξωγήινης ζωής υπογραφές.
Ανιχνευτές στην έρευνα τηλεσκόπια είναι ήδη τόσο ευαίσθητες που συλλάβει σχεδόν κάθε εισερχόμενο φωτόνιο, έτσι υπάρχει μόνο ένας τρόπος για να εντοπίσει πιο αμυδρά αντικείμενα και επίλυση δομή σε λεπτότερες κλίμακες: χτίσει ένα μεγαλύτερο τηλεσκόπιο.
Ένα μεγάλο τηλεσκόπιο δεν είναι μόνο να συλλάβει περισσότερα φωτόνια, μπορεί επίσης να παράγει ευκρινέστερες εικόνες. Αυτό συμβαίνει γιατί η κυματική φύση του φωτός θέτει ένα όριο στο ψήφισμα του τηλεσκοπίου, γνωστό ως το όριο διάθλασης? η ευκρίνεια της εικόνας εξαρτάται από το μήκος κύματος του φωτός και της διαμέτρου του τηλεσκοπίου.
Όπως οπτική επιστήμονες, η συμβολή μας στην επόμενη γενιά των τηλεσκοπίων αναφέρονται για το πώς να επεξεργαστεί τα γιγάντια κάτοπτρα που βασίζονται για να συλλέγουν φως από μακριά. Εδώ είναι το πώς είμαστε τελειοποίηση της τεχνολογίας που θα επιτρέψει την αυριανή ανακαλύψεις αστροφυσικής.
Πολλαπλοί καθρέφτες
Το ερώτημα είναι πώς να οικοδομήσουμε κάτι ουσιαστικά μεγαλύτερη από την τρέχουσα γενιά των τηλεσκοπίων, τα οποία έχουν αποτελεσματικές διαμέτρους από 8 έως 12 μέτρα (26 έως 40 πόδια). Μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις είναι να κάνει ένα μεγαλύτερο κάτοπτρο για τη συλλογή του φωτός.
Πρώτον, βοηθά να ξέρει τη βασική οπτική διάταξη του τηλεσκοπίου, που απεικονίζεται εδώ από το Magellan Telescope Giant (GMT), που χτίζεται στη Χιλή. Ένα μεγάλο κύριο κάτοπτροσυλλέγει εισερχόμενο φως και αντανακλά σε ένα εστίαση. Το φως ανακλάται δεύτερη φορά από το μικρότερο δευτερεύον κάτοπτρο, ώστε να σχηματιστεί μια εικόνα σε ένα όργανο που βρίσκεται σε μια ασφαλή, προσβάσιμη θέση κάτω από το πρωτεύον κάτοπτρο, όπου καταγράφεται η εικόνα.
Ένας καθρέφτης πολύ μεγαλύτερο από οκτώ μέτρα, κατασκευασμένο από ένα ενιαίο κομμάτι του γυαλιού, θα ήταν πολύ δαπανηρή και πολύ δύσκολο να χειριστεί. Ο καθένας που συμμετέχει στην οικοδόμηση γιγαντιαία τηλεσκόπια συμφωνεί ότι η λύση είναι να κάνει το πρωτεύον κάτοπτρο από πολλαπλά μικρότερα κάτοπτρα. Τα πολλαπλά κομμάτια από γυαλί σχήματος και ευθυγραμμίζονται για να σχηματίσουν ένα γιγάντιο κάτοπτρο, που ονομάζεται ένας τμηματικός καθρέφτη. Τα κενά μεταξύ των τμημάτων είναι αποδεκτές εφόσον οι επιφάνειες των τμημάτων »βρίσκονται σε μια συνεχή σχεδόν παραβολική επιφάνεια, που ονομάζεται μητρική επιφάνεια.
Τα έργα τρεις εξαιρετικά μεγάλο τηλεσκόπιο (ELT) τώρα σε εξέλιξη έχουν κάνει πολύ διαφορετικές αποφάσεις για το σχεδιασμό αυτού του τμηματικού πρωτεύοντος κατόπτρου.Δύο από τους το ELT, το Ευρωπαϊκό ELT και το Τηλεσκόπιο Τριάντα Μέτρων, έχουν υιοθετήσει την προσέγγιση που άρχισαν με το 10-μέτρων Keck Observatory τηλεσκόπια στη Χαβάη - θα κάνουν ένα τεράστιο καθρέφτη από τις εκατοντάδες των τμημάτων 1.5 μέτρων.
Το τρίτο έργο, το Magellan Telescope Giant, παίρνει μια διαφορετική τακτική. 25μ πρωτεύον κάτοπτρο του θα έχει μόνο επτά τμήματα. Είναι η μεγαλύτερη ενιαία καθρέφτες που μπορούν να γίνουν, οι 8,4 μέτρων (28 ποδών) καθρέφτες κηρήθρα παράγουμε εδώ στο Richard F. Caris Mirror Lab στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα. 3-μετρητή δευτερεύον κάτοπτρο του Γκρίνουιτς έχει επίσης επτά τμήματα, το καθένα σε συνδυασμό με ένα από τα κύρια τμήματα καθρέφτη.
Μεγάλα, άκαμπτα και ελαφριά
Big τμήματα καθρέφτη εγγυηθεί μια ομαλή επιφάνεια σε ολόκληρο μεγάλες περιοχές τους. Τα περισσότερα τμήματα υπάρχουν στο πρωτεύον κάτοπτρο, τόσο περισσότερο η ακρίβεια της εξαρτάται από την ακριβή ευθυγράμμιση τους για να τους κρατήσει στη μητρική επιφάνεια.Λόγω της αντιστοίχισης της πρωτοβάθμιας και δευτεροβάθμιας τμήματα καθρέφτη στο GMT, το πρόστιμο ελέγχου που απαιτείται για το σχηματισμό ευκρινείς εικόνες μπορεί να γίνει με την κίνηση των μικρών, ευέλικτη τμημάτων του δευτερεύοντος κατόπτρου και όχι στο 8,4 μέτρων πρωτεύοντες. Ένα δεύτερο πλεονέκτημα των κατόπτρων κηρήθρα 8,4 μέτρων είναι ισχυρή κληρονομιά τους, συμπεριλαμβανομένης της χρήσης σε ό, τι είναι σήμερα το μεγαλύτερο τηλεσκόπιο του κόσμου, το Μεγάλο Τηλεσκόπιο Binocular εδώ στην Αριζόνα.
Μία από τις προκλήσεις που χρησιμοποιούν ένα μεγάλο καθρέφτη είναι ότι τείνει να λυγίσει κάτω από το βάρος του και τη δύναμη του ανέμου. Ο καθρέφτης είναι εκτεθειμένη στον άνεμο σαν ιστίο σε ένα γιοτ, αλλά μπορεί να λυγίσει μόνο από περίπου 100 νανόμετρα πριν εικόνες του γίνει πολύ θολή. Ο καλύτερος τρόπος να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα είναι να κάνει ο καθρέφτης ως άκαμπτο όπως είναι πρακτικό, ενώ περιορίζοντας επίσης το βάρος του.
Έχουμε ολοκληρώσει αυτόν τον άθλο με τη ρίψη τον καθρέφτη σε ένα ελαφρύ κυψελοειδή δομή. Κάθε καθρέφτης έχει μια συνεχή ποτήρι facesheet στην κορυφή και μια σχεδόν συνεχή φύλλο, κάθε περίπου μια ίντσα παχιά. Κρατώντας τα δύο φύλλα μαζί είναι μια κυψελοειδής δομή που αποτελείται από μισή ίντσα πάχους νευρώσεις σε ένα εξαγωνικό μοτίβο. Καθρέφτες κηρήθρα μας είναι κατά 70 εκατοστό παχιά, καθιστώντας τους αρκετά δύσκαμπτο για να αντέχουν τις δυνάμεις της βαρύτητας και του ανέμου. Αλλά είναι 80 τοις εκατό κούφια και ζυγίζει περίπου 16 τόνους το καθένα, αρκετά ελαφρύ ώστε να μην λυγίσει σημαντικά κάτω από το βάρος τους.
Χειροτεχνία στον καθρέφτη
Ξεκινάμε από την τήξη γυαλιού σε ένα σύνθετο καλούπι που είναι η αρνητική του καθρέφτη κηρήθρα θέλουμε να καταλήξουμε με. Ενώ το γυαλί είναι τετηγμένο, ο κλίβανος περιστρέφεται σε πέντε περιστροφές ανά λεπτό? η φυγόκεντρος δύναμη ωθεί την επιφάνεια του γυαλιού »στο κοίλο παραβολικό σχήμα που μπορεί να εστιάσει το φως από ένα μακρινό αστέρι.Παρακολουθήστε το παρακάτω βίντεο για να δείτε την κατασκευή του καλουπιού κηρήθρα και τη διαδικασία χύτευσης υπό περιστροφή.
Το σπιν-cast επιφάνεια καθρέφτη δεν έχει ακόμη την οπτική ποιότητα που απαιτείται για να κάνει ευκρινείς εικόνες. Αλλά περιστρεφόμενο δίνει το δικαίωμα συνολική καμπυλότητα και εξοικονομεί μας έχει να βγάλει 14 τόνους γυαλιού από μια επίπεδη επιφάνεια - σχεδόν όσο και το γυαλί μένει στο τελικό καθρέφτη.
Στίλβωση της επιφάνειας
Ακολούθως θα πρέπει να γυαλίσετε την επιφάνεια με ακρίβεια ένα μικρό κλάσμα του μήκους κύματος του φωτός, γι 'αυτό θα αποτελέσει το πιο ευκρινή εικόνες δυνατό. Η κατοπτρική επιφάνεια πρέπει να ταιριάζει με το ιδανικό, σχεδόν παραβολική επιφάνεια για περίπου 25 νανόμετρα - περίπου 3 χιλιοστά δέκα του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας. Αυτό είναι πραγματικά, πραγματικά καλή? Αν το κάτοπτρο είχαν κλιμακωθεί στο μέγεθος της Βόρειας Αμερικής, το ψηλότερο βουνό θα ήταν μια ίντσα υψηλή και το βαθύτερο φαράγγι θα είναι μία ίντσα χαμηλή.
Για την καθοδήγηση στίλβωση μας, το πρώτο βήμα είναι να δημιουργηθεί ένα χάρτη λεπτότατος περίγραμμα της επιφάνειας του κατόπτρου, με τα βήματα του λιγότερο από 10 νανόμετρα. Όπως μας "άρχοντα", χρησιμοποιούμε το κόκκινο φως λέιζερ? τμήματά της είναι το μήκος κύματος του φωτός - περίπου 630 νανόμετρα - και μπορεί να διαβαστεί σε περίπου ένα εκατοστό του τμήματος.
Το όργανο μέτρησης φωτίζει την επιφάνεια καθρέφτη, συλλέγει το φως που αντανακλάται, και συγκρίνει τα μήκη διαδρομής των ακτίνων αντικατοπτρίζεται από διαφορετικές θέσεις επί του κατόπτρου. Μια ακτίνα που ανακλάται από ένα υψηλό σημείο θα έχουν μικρότερη διαδρομή από μια ακτίνα που χτυπά ένα χαμηλό σημείο. Το όργανο χρησιμοποιεί αυτές τις πληροφορίες για να κατασκευάσει το χάρτη περίγραμμα της επιφάνειας του κατόπτρου.
Η βασική αρχή του γυαλίσματος είναι να τρίψετε την επιφάνεια με ένα εργαλείο σχήματος δίσκου, αφαιρώντας γυαλί επιλεκτικά από τα σημεία που είναι πάρα πολύ υψηλό. Ένα λεπτό λειαντικό όπως ρουζ (οξείδιο του σιδήρου) απομακρύνει αργά το γυαλί, ανά άτομο, μέσα από μηχανικές και χημικές διεργασίες.
Υπολογίζοντας είναι αφαιρείτε το γυαλί ρητά από υψηλά σημεία που προσδιορίζονται στο περίγραμμα του χάρτη, έχοντας για παράδειγμα το τρίψιμο εργαλείο υπάρχει πλέον. Αυτό είναι αποτελεσματικό σε κλίμακες μεγαλύτερες από περίπου 10 εκατοστών. Smoothing είναι τι συμβαίνει όταν τρίβετε ένα σκληρό εργαλείο πάνω από μια τραχιά επιφάνεια: το εργαλείο βρίσκεται φυσικά στα υψηλά σημεία και αφαιρεί περισσότερο υλικό υπάρχει, ακόμη και χωρίς καμία καθοδήγηση από ένα περίγραμμα του χάρτη. Αυτό είναι αποτελεσματικό σε κλίμακες μικρότερες από 10 εκατοστά. Και οι δύο μέθοδοι είναι πιο δύσκολο όταν η επιφάνεια του καθρέφτη είναι ασφαιρικά, που σημαίνει καμπυλότητα του αλλάζει από σημείο σε σημείο, το οποίο είναι πάρα πολύ η υπόθεση για τα τμήματα GMT.
Έχουμε αναπτύξει διάφορα νέα εργαλεία στίλβωσης για την αντιμετώπιση των προκλήσεων της στίλβωσης μεγάλους καθρέφτες για τηλεσκόπια. Ένα βασικό χαρακτηριστικό κάθε στιλβωτικό εργαλείο είναι ότι ταιριάζει με το σχήμα της επιφάνειας του κατόπτρου με ακρίβεια περίπου 1 micron. Το μεγαλύτερο εργαλείο στο παρασκήνιο είναι ένα συγκρότημα ηλεκτρο-μηχανικό σύστημα που αλλάζει το σχήμα του ένα άκαμπτο δίσκο αλουμινίου καθώς κινείται πάνω από την επιφάνεια, έτσι ώστε να ταιριάζει πάντα την τοπική καμπυλότητα του καθρέφτη.
Το μικρότερο εργαλείο σε πρώτο πλάνο είναι πολύ πιο απλή. Παρόμοια με την επανεφεύρεση του Γαλιλαίου για ένα παιχνίδι καρναβαλιού ως ένα αστρονομικό τηλεσκόπιο, μας νέα ιδέα προήλθε από Silly Putty - μια μη-Νευτώνεια υγρό που ρέει σαν υγρό για μεγάλο χρονικό διάστημα, αλλά λειτουργεί σαν ένα στερεό σε σύντομο χρονικό χρονικές κλίμακες. Έχουμε αξιοποιήσει αυτές τις εγγενείς ιδιότητες για την επίτευξη τόσο υπολογίζοντας και την εξομάλυνση.
Το Εργαλείο μας, που περιέχει Silly Putty περικλείεται από ένα λεπτό λαστιχένιο διάφραγμα, κινείται αργά πάνω από την επιφάνεια του καθρέφτη, ενώ ταυτόχρονα γρήγορα σε τροχιά γύρω από τον εαυτό της. Η Silly Putty είναι δύσκαμπτος κατά τη διάρκεια της περιόδου ταχείας της τροχιάς του, η οποία εξομαλύνει τις παρατυπίες μικρής κλίμακας στην επιφάνεια καθρέφτη. Πάνω από το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα που χρειάζεται για να προχωρήσουμε πέρα από τον καθρέφτη, ο Silly Putty ρέει εύκολα, οπότε το εργαλείο ταιριάζει πάντα με το σχήμα της επιφάνειας του. Ως αποτέλεσμα, αφαιρεί το γυαλί σε ένα προβλέψιμο ρυθμό και σε ένα προβλέψιμο μοτίβο που δεν μεταβάλλεται καθώς κινείται κατά μήκος του καθρέφτη.
Αντίστροφη μέτρηση για εγκατάσταση
Εδώ στο Εργαστήριο Mirror, τελειώσαμε κάνοντας το πρώτο τμήμα Magellan Telescope Γίγαντας το 2012. Μετά από ένα διάλειμμα για εργασία σε άλλα δύο κάτοπτρα, το εργαστήριο βρίσκεται στη διαδικασία της άλεσης Τμήματα 2 και 3. Τμήμα 4 έχει μόλις τελειώσει την ψύξη σε θερμοκρασία δωματίου μετά spin-casting το Σεπτέμβριο του 2015. Είμαστε σε καλό δρόμο για την κατασκευή του πλήρους μήκους 25μ πρωτεύοντος κατόπτρου.
Να πάρει αυτά τα σχεδόν τέλεια καθρέφτες από το εργαστήριο μας στην Αριζόνα σε μια βουνοκορφή στη Χιλή παρουσιάζει μία άλλη σειρά προκλήσεων. Ταξιδεύουν από ελκυστήρα-ρυμουλκούμενου στην ξηρά, καθώς και από το πλοίο μεταφοράς εμπορευμάτων από την Καλιφόρνια στη Χιλή. Τα κλειδιά για την ασφαλή μεταφορά διανομή του βάρους του καθρέφτη πάνω από εκατοντάδες σημεία στήριξης και έχει διάφορα στρώματα της ανάρτησης μεταξύ του καθρέφτη και του καταστρώματος δρόμου ή πλοίο.
Το χρονοδιάγραμμα του έργου GMT ζητεί την έκδοση προδικαστικής πρώτο φως, με τέσσερα τμήματα εγκατασταθεί στο τηλεσκόπιο, το 2022. Αναμένουμε όλοι επτά τμήματα για να σαρώνει το σύμπαν αρχής γενομένης από το 2024.
Πολλοί από εμάς που εργάζονται για το GMT το βλέπουν ως τρόπο για να ανοίξει νέα παράθυρα στο σύμπαν, όπως το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble (HST) έχει κάνει τα τελευταία 25 χρόνια. Αυτό τροχιά τηλεσκόπιο ήταν ένα γενναιόδωρο δώρο για την επόμενη γενιά από τους ανθρώπους που εργάστηκαν για το έργο για δεκαετίες προτού ξεκινήσει. Βαθύ διάστημα εικόνες HST είναι καταπληκτικός, με κίνητρα και ενέπνευσε πολλούς από εμάς στη Γη. Τα όνειρα ομάδα GMT έργο του περνώντας σε ένα παρόμοιο δώρο για τις μελλοντικές γενιές.
Ο Buddy Martin, επιστήμονας του προγράμματος στο Αστεροσκοπείο Steward και Αναπληρωτής Καθηγητής στο Οπτικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και Dae Kim Wook, Επίκουρος Καθηγητής Οπτικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο της Αριζόνα.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στο The Conversation. Διαβάστε το πρωτότυπο άρθρο.