NASA/Foto di Guy Plante (Laval University) L'LMT di 3,7 metri di diametro presso la Laval University in Quebec. Da quando è stato riparato nel 1993, Il telescopio spaziale Hubble della NASA ha stupito scienziati e cittadini allo stesso modo con le sue vedute dell'universo, compresi scorci delle galassie conosciute più lontane. Lo specchio in Hubble, però, è relativamente piccolo a 94,5 pollici (quasi 8 piedi) di diametro, un limite che ha incoraggiato la NASA a pensare in grande. Il telescopio spaziale James Webb, previsto per il lancio nel 2013, vanterà uno specchio di 20 piedi in grado di fornire sette volte l'area di raccolta della luce di Hubble.
Ma la NASA sta anche considerando una soluzione più intrigante:un tipo speciale di telescopio riflettore che utilizza un liquido, non di vetro, come specchio primario. Conosciuto come a telescopio a specchio liquido (LMT) , non vedrebbe lo spazio dall'orbita terrestre, come fa Hubble. Anziché, sbircerebbe nell'universo dalla superficie della luna. Il telescopio sarebbe largo da 66 piedi a 328 piedi, rendendolo il più grande telescopio conosciuto dall'uomo. Raccoglierebbe 1, 736 volte più luce di Hubble e penetrano nelle profondità dell'universo per vedere oggetti vecchi quasi quanto il Big Bang.
Questo articolo spiegherà come funziona un telescopio a specchio liquido. Esaminerà la struttura e la funzione di un LMT, ma lo farà alla luce di un dispiegamento basato sulla luna. Come diavolo si costruisce un telescopio sulla luna? Quanto sarà difficile costruire un LMT sulla luna? E, soprattutto, quali opportunità può offrire un telescopio lunare?
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In un hangar aereo a Columbus, Ohio, circa 80 tonnellate di acciaio, l'elettronica e le apparecchiature criogeniche stanno per unirsi e depositare un'oncia di alluminio in un rivestimento sottilissimo su un gigantesco specchio del telescopio.
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Un LMT di 3 metri in Nuovo Messico (ora chiuso) Foto per gentile concessione della NASA In linea di principio, un LMT non è diverso da un normale telescopio riflettore. Controlla come funzionano i telescopi per una spiegazione approfondita dei telescopi. Ecco un breve riassunto.
UN telescopio riflettore utilizza specchi per visualizzare oggetti distanti. Uno specchio primario raccoglie la luce dall'oggetto, mentre uno specchio secondario focalizza l'immagine sull'oculare. In un riflettore convenzionale, lo specchio primario è realizzato minuziosamente levigando e lucidando il vetro nella forma desiderata, di solito una parabola. Una volta preparato il bicchiere, un processo noto come alluminare lo rende riflessivo. L'alluminazione comporta la vaporizzazione dell'alluminio nel vuoto, facendo depositare sul vetro una pellicola di metallo dello spessore di circa 100 nanometri. I difetti nella produzione dello specchio possono influenzare le prestazioni del telescopio. Questo era il problema con Hubble:la curva nel suo specchio primario era sfalsata di appena una frazione della larghezza di un capello, che faceva riflettere la luce lontano dal centro dello specchio, portando a immagini sfocate.
Un telescopio a specchio liquido, come suggerisce il nome, usa un liquido, vetro non alluminato, come suo specchio primario. Il liquido, generalmente mercurio , viene versato in un piatto rotante. La rotazione crea due forze fondamentali che agiscono sul mercurio: gravità e inerzia . La gravità attrae sulla superficie del liquido, mentre l'inerzia tira il liquido lateralmente al bordo del piatto. Di conseguenza, il liquido forma una parabola uniforme e perfetta, la superficie riflettente ideale per un telescopio. Meglio di tutto, la superficie dello specchio liquido rimane liscia e impeccabile con poca o nessuna manutenzione. Se il liquido è disturbato, gravità e inerzia agiranno sul liquido per riportarlo al suo stato originale.
Ernesto Capocci , un astronomo italiano, è stata la prima persona a descrivere come potrebbe funzionare un LMT nel 1850. Ha concepito l'idea dopo aver letto di esperimenti, condotto da Isaac Newton e altri, che coinvolgono liquidi rotanti. All'inizio del XX secolo, il fisico americano R.W. Wood costruì in realtà ciò che Capocci aveva descritto 50 anni prima. LMT di Wood presentava uno strato di mercurio di un centimetro posto in un piatto rotante. È stato in grado di osservare la luna, ma ha notato che l'immagine era distorta. Gli astronomi moderni hanno appreso che la qualità dell'immagine di un LMT è stata notevolmente migliorata se è stato utilizzato uno strato più sottile di mercurio, quindi gli LMT di oggi utilizzano uno strato di mercurio di un millimetro.
I vantaggi dei telescopi a specchio liquido
Il più grande vantaggio di un LMT è il suo costo relativamente basso. I telescopi liquidi costano molto meno da costruire rispetto agli specchi in alluminio lucidato di dimensioni simili. Per esempio, il Large Zenith Telescope aveva un prezzo di 1 milione di dollari. Un telescopio a specchio di vetro comparabile costerebbe 100 volte tanto da costruire. E gli LMT costano meno da mantenere, principalmente perché lo specchio liquido non ha bisogno di essere pulito, rettificato o alluminato.
Certo, ci sono alcuni inconvenienti. Il mercurio è estremamente tossico, quindi lavorare con esso comporta alcuni rischi per la salute a lungo termine. Non solo quello, il piatto che contiene il mercurio può essere inclinato solo fino a un certo punto prima che il liquido fuoriesca. Ciò limita la visualizzazione di un LMT, che può solo guardare verso l'alto.
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Il grande telescopio Zenith NASA/Foto di Paul Hickson (Università della British Columbia) Il più grande LMT sulla Terra è il Grande telescopio Zenith nella Columbia Britannica. Il suo specchio liquido rotante è largo quasi 6 metri e pesa tre tonnellate, rendendolo il terzo telescopio più grande del Nord America. Il piatto che contiene il mercurio è fabbricato da segmenti esagonali incollati insieme per formare un guscio. Ogni pezzo ha un'anima in schiuma ad alta densità rivestita in fibra di vetro. Per dare al guscio una forma concava, viene riscaldato in un grande forno. Una parete sul bordo dello specchio impedisce la fuoriuscita di mercurio.
Un traliccio in acciaio e 19 cuscinetti regolabili sostengono il piatto. il traliccio, a sua volta, è supportato da un acciaio inossidabile cuscinetto d'aria progettato solo per il Large Zenith Telescope. Un cuscinetto ad aria è un tipo speciale di cuscinetto che utilizza una sottile pellicola di aria pressurizzata come lubrificante attorno all'albero che fa girare lo specchio. I normali cuscinetti che utilizzano oli lubrificanti sono meno efficaci, perché producono vibrazioni e rotazioni instabili che degradano la qualità dell'immagine. Come soluzione ad attrito zero, un cuscinetto ad aria elimina questi problemi, portando ad una perfetta scorrevolezza, rotazione senza vibrazioni. Un motore CC senza spazzole incorporato fa girare il mandrino del cuscinetto ad aria e può ruotare un carico fino a 10 tonnellate a circa 10 giri al minuto.
©2007 ComeFunzionaStuff Sei gambe di supporto fissano lo specchio primario a un anello nella parte superiore del telescopio. L'anello supporta il rilevatore e una lente rifrangente più piccola che aiuta a mettere a fuoco l'immagine. Il rilevatore include un dispositivi ad accoppiamento di carica CCD (CCD), che raccoglie fotoni di luce e li converte in elementi di immagine, o pixel. Questi pixel vengono trasferiti sullo schermo di un computer e messi insieme per formare un'immagine che può essere manipolata e migliorata per migliorare i dettagli dell'immagine. Il computer non è alloggiato nella struttura dell'osservatorio del telescopio, ma in un edificio vicino.
L'unico problema con il Large Zenith Telescope - un problema che condivide con tutti i telescopi terrestri - è la sua posizione. Anche a quota 1, 295 piedi, l'atmosfera protegge ancora la sua vista del cielo. Se un telescopio a specchio liquido potesse essere posizionato sulla luna, dove non c'è atmosfera per bloccare l'ultravioletto, infrarossi e altre forme di energia, potrebbe fornire risultati ancora più spettacolari. Ma, come vedremo nella prossima sezione, costruire un LMT sulla luna presenta le sue sfide.
Un rendering della NASA di un telescopio lunare a specchio liquido Immagine per gentile concessione della NASA Un telescopio a specchio liquido costruito sulla superficie della luna è a telescopio lunare a specchio liquido (LLMT) . Non è davvero diverso dal Large Zenith Telescope descritto nell'ultima sezione, tranne che il liquido scelto deve avere le proprietà giuste se vuole rimanere liquido nel clima rigido della luna. Mercurio non funzionerà perché il suo punto di congelamento è -101.966° F (-74,43° C). La bassa temperatura sulla luna può raggiungere -243° F (-153° C), così il mercurio si solidificherebbe, rendendolo una scelta inaccettabile per lo specchio primario.
Recentemente, gli scienziati hanno scoperto una classe di liquidi che potrebbe rendere possibile un LLMT. Sono conosciuti come fluidi ionici , e hanno queste importanti proprietà:
Più importante, i liquidi ionici possono essere rivestiti con materiali che conferiscono loro un'elevata riflettività. Un fluido ionico che promette bene è l'1-etil-3-metili-
midazolo etilsolfato, commercialmente noto come ECOENG 212 . ECOENG 212 può essere rivestito in argento, rendendolo altamente riflettente. La sua riflettività può essere ulteriormente migliorata depositando prima un film di cromo, seguito da argento. ECOENG 212 ha un punto di congelamento di -144° F (-98° C), però, quindi potrebbe ancora solidificarsi alle temperature rigide della luna. Dato che ci sono milioni di liquidi ionici, gli scienziati sono fiduciosi che troveranno un altro candidato con un profilo del punto di congelamento migliore.
Dovranno anche trovare un altro modo per supportare il mirror primario. Il cuscinetto d'aria utilizzato nel Large Zenith Telescope non funzionerà sulla luna perché non c'è aria per alimentare il sistema. Una soluzione sarebbe un cuscinetto magnetico superconduttore. Tale cuscinetto si basa sulla stessa tecnologia utilizzata nei veicoli a levitazione magnetica, che utilizzano un campo magnetico per far levitare un veicolo sopra una guida. In questo caso, il campo magnetico crea un cuscino ad attrito zero tra il mandrino e il suo alloggiamento.
Certo, tutti questi materiali dovranno essere spediti con un razzo sulla luna e lì assemblati. Pur tenendo conto di ciò, un telescopio a specchio liquido pone molti meno problemi logistici di un telescopio riflettore convenzionale in vetro. Lo specchio, perché è liquido, verrà semplicemente trasportato in una brocca e conservato fino a quando l'infrastruttura del telescopio non sarà pronta. Quindi un astronauta verserà il liquido nel piatto per formare lo specchio primario. Il sistema di tralicci utilizzato per supportare il piatto e lo specchio potrebbe essere precostruito e dispiegato roboticamente, la sua struttura si apre come un ombrello che si apre. Ma usare un robot per costruire un LMT sulla luna richiederebbe che lo strumento rimanga abbastanza piccolo. Come vedremo nella prossima sezione, il LMT immaginato dagli astronomi e dagli ingegneri della NASA è tutt'altro che piccolo.
Immagine di stelle e galassie scattata con il LMT da 6 metri all'Università della Columbia Britannica NASA/Foto di Paul Hickson (Università della British Columbia) Un telescopio a specchio liquido posizionato sulla luna ha istantaneamente un grande vantaggio rispetto a un telescopio terrestre:è esente da distorsioni atmosferiche, che influenza le immagini celesti. Per la stessa ragione, è anche in grado di rilevare più forme di energia elettromagnetica. La maggior parte dei tipi di radiazioni elettromagnetiche, ad eccezione della luce visibile e delle onde radio, vengono assorbiti dall'atmosfera terrestre. Sulla Luna, che non ha affatto atmosfera, un telescopio sarebbe esposto all'intero spettro delle radiazioni elettromagnetiche:raggi gamma, raggi X, luce ultravioletta, luce visibile, radiazione infrarossa, microonde e onde radio.
Un telescopio che utilizza un liquido ionico come specchio primario sarebbe particolarmente sensibile alla luce visibile e alle radiazioni infrarosse. Questo sarebbe importante per osservare gli oggetti più distanti dell'universo, che si stanno allontanando rapidamente dalla Terra. L'effetto Doppler fa sì che creino radiazioni nella lunghezza d'onda più lunga, porzione infrarossa dello spettro.
Anche la dimensione è un fattore chiave. Nell'ambiente a bassa gravità della luna, è molto più facile costruire grandi strutture. Il team che progetta l'LLMT crede di poter costruire uno specchio liquido primario largo dai 66 piedi ai 328 piedi. Un tale specchio sarebbe in grado di osservare oggetti da 100 a 1, 000 volte più deboli della prossima generazione di telescopi, incluso il James Webb Space Telescope. Ciò significa che gli astronomi potrebbero utilizzare lo strumento per scrutare più in profondità nello spazio e nel tempo che mai. Per la prima volta, potremmo essere in grado di rilevare le primissime fasi dell'universo subito dopo il Big Bang, ampliando la nostra comprensione di come si è comportato l'universo appena formato.
Proprio adesso, il LLMT è ancora un concetto. Il progetto ha ricevuto finanziamenti dal NASA Institute for Advanced Concepts per uno studio per mostrare come un telescopio sulla luna potrebbe supportare l'astronomia. Questo è importante perché la luna è il primo obiettivo della Visione per l'esplorazione spaziale, un'iniziativa che cerca come uscire dall'orbita terrestre per scopi di esplorazione umana e scoperta scientifica. Se la NASA può dimostrare che gli avamposti lunari sarebbero pratici, con valore sia economico che scientifico, allora il pubblico - e in definitiva il Congresso - potrebbe essere disposto a mostrare un adeguato sostegno finanziario.
Un telescopio lunare a specchio liquido è tra i numerosi progetti che aiuteranno la NASA a dimostrare la fattibilità dell'esplorazione spaziale. Anche ancora, il primo che potrebbe essere distribuito è il 2020. Fino ad allora, gli astronomi dovranno accontentarsi di telescopi a specchio liquido, come il Large Zenith Telescope, che vedono i cieli dalla Terra.
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