piątek, 10 sierpnia 2012

7 Największych Teleskopów Przyszłości

Oto siedem najciekawszych, największych i najbardziej obiecujących teleskopów astronomicznych, jakie ludzkość zbuduje, lub może wybudować w przyszłości.

Teleskopy przyszłości - naziemne, kosmiczne, jednolite, segmentowe, szklane, tradycyjne oraz zupełnie egzotyczne - każdy z nich może pchnąć ludzkość w nowe obszary wiedzy, których istnienia nawet nie podejrzewamy.



Ogromne teleskopy astronomiczne, wymagają ogromnych kosztów i najlepszych możliwych warunków lokalizacyjnych. Kluczowymi są trzy kwestie - pogoda, sztuczne światło i zakłócenia atmosferyczne. Problem obrazuje analogia - człowiek jest zwierzęciem dennym. Żyjemy na dnie oceanu powietrza o głębokości kilkuset kilometrów. I z dna tego oceanu prowadzimy obserwacje, musząc przebić się przez wszystkie zakłócenia wywołane obecnością tegoż oceanu. Teleskopy lokalizujemy więc wysoko w górach, gdzie powietrze jest rzadsze, na odludziach gdzie nie występują sztuczne źródła światła oraz na pustyniach gdzie wilgotność powietrza jest niższa. Najlepiej zaś połączyć wszystkie te elementy w jednej lokalizacji.

Oczywiście nawet najlepsze warunki na Ziemi, nie mogą równać się warunkom w przestrzeni kosmicznej lub np. na powierzchni Księżyca, gdzie po prostu nie ma tej grubej warstwy atmosfery, która znacznie ogranicza możliwości obserwacyjne. Kosmos jest więc najlepszą lokalizacją, lecz niestety wiąże się ze znacznym pomnożeniem kosztów uruchomienia urządzenia, dlatego też póki co realizowane są obydwie strategie - ogromne teleskopy naziemne i mniejsze teleskopy kosmiczne. Przyjrzymy się dzisiaj najciekawszym z nich.



7. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba

Średnica zwierciadła: 6,5 metra
Lokalizacja: daleko za orbitą Księżyca, w punkcie libracyjnym L2, 1.5 mln km od Ziemi

"Następca Hubble'a", jak się o nim mówi (choć bliżej mu do Spitzera niż Hubble'a), będzie większym, nowocześniejszym teleskopem kosmicznym nowej generacji, który z pewnością tak jak teleskop Hubble'a wyznaczy nowe horyzonty i przyniesie niespodziewane porcje wiedzy o Wszechświecie.


Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba - model w skali 1:1

Projekt jest ostatnim dużym przedsięwzięciem astrofizycznym NASA, niepoddanym kasacji w ostatnich latach. Po skasowaniu kolejno projektów: Terrestrial Planet Finder (2011), Space Interferometry Mission (2010), Laser Interferometer Space Antenna (2011), International X-ray Observatory, NASA została bez żadnego innego dużego projektu obserwacyjnego. James Webb jest ostatnim a mimo to w zeszłym roku otarł się o anulowanie, gdy kongres USA debatował nad jego przyszłością. Ostatecznie projekt obroniono i wyznaczono nowe granice funduszy na poziomie 8 miliardów dolarów, co przekracza pierwotnie zakładany koszt misji... szesnastokrotnie. Planowy start misji - 2018 rok.




Teleskop Webba będzie teleskopem podczerwonym, jego potężne lustro, wykonane z berylu pokrytego złotem, będzie zbierać światło właśnie w tym zakresie - zakresie który umożliwia obserwację penetrującą obiekty pyłowe.




Dwa zdjęcia tego samego obiektu - w świetle widzialnym (u góry) i w podczerwieni (u dołu). Światło podczerwone przebija się przez obiekty pyłowe i pokazuje co jest za nimi. Webb zajmie się także odległymi galaktykami, których światło jest znacznie przesunięte ku czerwieni i lepiej widoczne w tym paśmie.



6. Gigantyczny Teleskop Magellana

Średnica zwierciadła: 7 segmentów o powierzchni porównywalnej do pojedynczego lustra 21-metrowej  średnicy
Lokalizacja: Pustynia Atakama, Chile

Ten potężny teleskop ma zyskać sprawność operacyjną w okolicach roku 2019. Trwają obecnie prace nad trzema pierwszymi segmentami lustra głównego. Każdy z siedmiu segmentów ważył będzie ponad 12 ton a wszystkie razem utworzą talerz o zdolności rozdzielczej dziesięciokrotnie wyższej niż posiada Teleskop Hubble'a.


Ponieważ na lokalizację teleskopu wybrano szczyt wzniesienia, cały wierzchołek góry zostanie ścięty poprzez wykonanie 70 eksplozji rozrywających skałę, by następnie utworzyć płaską powierzchnię, na której osiądzie teleskop i centrum badawczo-kontrolne. Teleskop zajmie się się kluczowymi zagadnieniami dzisiejszej astrofizyki, między innymi ciemną energią, ciemną materią, czarnymi dziurami i powstawaniem galaktyk.



5. Teleskop Trzydziestometrowy

Średnica zwierciadła: 30 metrów
Lokalizacja: Wyspa Mauna Kea, Hawaje, USA

Potężne zwierciadło teleskopu składać się będzie z 492 heksagonalnych luster o szerokości 1.44m każde. Całość zyska ogniskową długości 450 metrów. Światło z lustra głównego skupi się na wiszącym lustrze wtórnym o średnicy 3 metrów a to przekaże je do trzeciego lustra na dnie lustra głównego, odbijającego światło w bok, do dalszych instrumentów.


Mimo, że pustynia Atacama w Chile jest nieco lepszym miejscem na lokalizację niż Hawaje, to wybrano ten właśnie obszar ze względu na plany Europejskiego Obserwatorium Południowego wybudowania w Chile ich własnego wielkiego teleskopu (kolejny na naszej liście). Dwa gigantyczne teleskopy zlokalizowane na tej samej półkuli, byłyby mniej efektywne jako całość, gdyż skazane na obserwacje tych samych fragmentów nieba (z półkuli południowej widać "inne" niebo niż z półkuli północnej). Dlatego też teleskop stanie na półkuli północnej, na Hawajach.



4. Ekstremalnie Wielki Teleskop Europejski

Średnica zwierciadła: 39.3 metrów
Lokalizacja: Góra Cerro Armazones (3060m), centrum Pustyni Atakama, Chile

E-ELT jest obecnie największym teleskopem, który wyszedł z etapu planowania i wchodzi w pierwsze stadia przygotowania miejsca pod budowę. Europejskie Obserwatorium Południowe stanie się więc w okolicach roku 2022 posiadaczem najpotężniejszego teleskopu na Ziemi, zdolnego być może nawet do tak spektakularnych badań jak analiza składu atmosfer planet pozasłonecznych w poszukiwaniu bio-markerów.


Główne zwierciadło teleskopu, to składające się niemal z 1000 heksagonalnych fragmentów lustro o powierzchni 978 metrów kwadratowych. Kosztujący ponad miliard euro instrument, umiejscowiony w jednym z najlepszych miejsc na Ziemi ma rozpocząć swoje działanie we wczesnych latach 20-stych.



3. Przytłaczająco Wielki Teleskop

Średnica zwierciadła: 100 metrów
Lokalizacja: Nie ustalona

Overwhelmingly Large Telescope, to zarzucony obecnie projekt ESO, który okazał się zbyt kosztowny i z czasem przeobraził się w plany teleskopu 39 metrowego (E-ELT).

Po sukcesie i doświadczeniach z 8-metrowymi teleskopami VLT, ESO wyznaczyła kierunek budowy teleskopu nowej generacji, który pozwoli sięgnąć tak daleko jak to tylko technicznie możliwe, by dokonać kolejnych przełomów w astrofizyce. Tak narodził się projekt OWL, który miał posiadać zwierciadło o iście przytłaczającej powierzchni 6000 metrów kwadratowych i 100 metrów średnicy. Mimo modularnej budowy, pozwalającej na masową produkcję części i budowę jak z klocków, całkowity koszt i możliwe trudności technologiczne sprawiły, że w roku 2005 zdecydowano o wykorzystaniu pomysłów technicznych OWL (modularna budowa) i użyciu ich w mniejszym - 39-metrowym E-ELT.


Pierwotne kosztorys opiewał na miliard Euro, co wydaje się optymistyczne jeśli spojrzymy na ponad dwukrotnie mniejszy E-ELT, który już przekroczył pułap miliarda euro. Jeśli kiedykolwiek projekt zostanie wznowiony, będzie to z pewnością największy teleskop ziemski przez długie dziesięciolecia. Jego rozmiar pozwalałby na obserwację obiektów, wielkości gwiazdowej 38 magnitudo - 1500 razy słabszych niż możliwe do obserwacji teleskopem Hubble'a.



2. Dwukilometrowy Radioteleskop Księżycowy

Powierzchnia: siatka sprzęgniętych radioteleskopów o powierzchni 2 km
Lokalizacja: Ciemna strona Księżyca

LARC - prototypy modułów MIT
Równie istotne naukowo co obserwacje wizualne, są obserwacje radiowe. Niestety radioteleskopy ziemskie muszą borykać się ze zjawiskiem nakładania się fal z zewnątrz, na fale występujące już na Ziemi - pochodzące z jonosfery, nadajników telewizyjnych i radiowych. Jest jednak miejsce niedaleko nas, gdzie żadna z tych fal nie dociera. Księżyc jest grawitacyjnie zblokowany z Ziemią w taki sposób, że jego własne wirowanie oraz okrążanie Ziemi są dokładnie tak spasowane, że cały czas widzimy tylko jedną jego stronę. A to oznacza, że po drugiej stronie nigdy nie widać ani nie słychać Ziemi. Jest to więc doskonałe miejsce na zlokalizowanie automatycznego obserwatorium radio astronomicznego.

W roku 2008 MIT został wybrany stworzenia planów urządzenia LARC (Lunar Array for Radio Cosmology), które pozwoliłoby na badania radioteleskopowe w zakresie niskich częstotliwości, niemożliwych do obserwacji z powierzchni Ziemi. Pojedyncze moduły obserwacyjne, miałyby być rozlokowane na powierzchni Księżyca przez autonomiczne roboty, rozprowadzające je w wybranych miejscach. Kontrola nad procesem rozmieszczania elementów oraz późniejsze nimi sterowanie, musiałyby być realizowane poprzez pośrednictwo orbitera księżycowego, który na przemian komunikowałby się z urządzeniem oraz z Ziemią, zależnie po której stronie Księżyca akurat by przelatywał.



1. Ciekły Teleskop Pozaziemski

Powierzchnia: ?
Lokalizacja: przestrzeń kosmiczna lub ciemna strona Księżyca

Ogromne lustra wymagają ogromnych kosztów, związanych z wytwarzaniem ich komponentów. Jeśli np. 1 segment lustra waży 12 ton i wymaga ultra-precyzyjnego wykończenia aby nadać mu perfekcyjny kształt paraboli, to ma siły - nie może być tani. Problem częściowo rozwiązuje segmentowa konstrukcja lustra - zamiast jednego niemożliwego do zbudowania lustra, tworzy się je z wielu mniejszych, ustawiając pod odpowiednim kątem, aby uzyskać wymagany kształt np. paraboli. To jednak nadal jest dość kosztowne, bo dodatkowo wymaga osobnych mechanizmów dostrajania każdego elementu z osobna.

A gdyby tak pójść zupełnie inną drogą ?

Wyobraźcie sobie okrągły basen, do połowy wypełniony rtęcią. Teraz cały ten basen zacznijcie powolutku obracać wokół własnej osi (jak karuzela), ze stałą prędkością i precyzyjnym ruchem. Co się dzieje ? Siła odśrodkowa powoduje, że na zewnętrznych obrzeżach basenu poziom rtęci wzrasta i stopniowo maleje im bliżej do środka. Tworzy się wklęsła powierzchnia! Zbudujmy więc 100-metrowy okrągły basen rtęci i obracajmy go odpowiednio do okoła. Mamy 100-metrowe zwierciadło teleskopu, zbudowane za ułamek kwoty niezbędnej do budowy tradycyjnego teleskopu tej wielkości.


Large Zenith Telescope - zwierciadło z wirującej rtęci


Tego typu teleskop już pracuje na Ziemi, jest nim Large Zenith Telescope, zlokalizowany w Kanadzie. Oczywistą wadą tego typu teleskopów jest niemożliwość ich kierowania w różne punkty nieba - cały czas muszą patrzeć w górę i zużywać energię do obracania się. Na Księżycu panuje jednak dużo niższa grawitacja, a zatem energia potrzebna do obracania urządzenia byłaby niższa - łatwiej byłoby odkształcić ciecz przez ruch obrotowy. Wybraną ciecz dużo łatwiej także załadować do rakiety, niż wiele modułów sztywnego lustra, które trzeba dodatkowo później składać. W wypadku Księżyca konieczne byłoby użycie innej cieczy niż rtęć, która zamarza w temperaturze poniżej -39C. Na Księżycu jednak także dałoby się patrzeć tylko w jednym kierunku. Ciecz obrócona, po prostu spłynie, chyba że całość umieścimy w stanie nieważkości i jakimś sposobem "przymocujemy" ciecz do dna zbiornika.


Płyn ferromagnetyczny odkształca się pod wpływem pola magnetycznego


Może więc zbudować satelitę i zamiast rtęci użyć płynu ferromagnetycznego utrzymywanego odpowiednio ułożonymi magnesami. Ferrofluid odkształca się dokładnie wg. ułożenia linii pola magnetycznego i gdyby udało się odpowiednio dobrać pole, płyn przywarłby do dna, utrzymując płaską powierzchnię pod dowolnym kątem. Następnie całej satelicie nadano by ruch obrotowy, z płaskiej powierzchni płynu tworząc parabolę a ruch nie zatrzyma się w przestrzeni kosmicznej z powodu braku tarcia. Grawitację zastąpiłby wówczas magnetyzm. Zamiast ferrofluidu można by też rozważyć użycie płynu elektroreologicznego, który zmienia lepkość pod wpływem miejscowych zmian pola elektrycznego i być może utrzymywałby płyn w miejscu dzięki napięciu powierzchniowemu. Odpowiednio przymocowana do powierzchni ciecz z napyloną warstwą odbijającą, mogłaby być następnie obracana w dowolnym kierunku, bez uciekania na boki. Odpowiednio dobrane właściwości takiego pola utrzymującego, mogłyby nawet wyeliminować potrzebę obracania wokół osi, wystarczyłoby uruchomić pole i płyn natychmiast przybrałby odpowiedni kształt. Czy to wykonalne? Czy ten kierunek umożliwi budowę luster kosmicznych?




Zagadka Bystrzaka !

Ferromagnetyki, rtęć, płyny elektroreologiczne, w jaki sposób jeszcze można by próbować uzyskać kształt dużego zwierciadła astronomicznego ?



Bonus !

Fascynuje w technologiach obserwacyjnych jest to, że my nie wytwarzamy informacji, my ją odkrywamy. Przy czym cała ta informacja była już obecna wcześniej. Wszystkie spektakularne zdjęcia z teleskopu Hubble'a - cała ta informacja dociarała do Ziemi od miliardów lat, lecz nigdy nie mieliśmy narzędzi do jej wydobycia. Jakich narzędzi nie mamy dziś? Jeszcze potężniejszych. Z całego Obserwowalnego Wszechświata nieustannie dociera do nas informacja w postaci światła widzialnego i pozostałych składowych spektrum promieniowania. Do Ziemi non-stop docierają fotony np. z planet tysiące lat świetlnych stąd, na których może istnieć życie. Każdego dnia w każdej sekundzie Ziemia jest bombardowana tą informacją. My jednak nie mamy po prostu narzędzi, aby to światło zebrać i skupić tak, aby je przeanalizować. Każdy kolejny ambitny projekt astronomiczny pozwala nam patrzeć dalej i rozumieć więcej.

Obserwowalny Wszechświat nie jest skryty, nie jest nieśmiały. Informacje podaje nam na tacy, mówiąc "macie, bierzcie... jeśli potraficie". Kilkudziesięciometrowe teleskopy astronomiczne są naszą kolejną próbą, by wziąć tyle ile się da, przy aktualnym poziomie techniki i możliwościach budżetowych.

Obok ciekłych luster księżycowych, rozważane są także księżycowe lustra, wytwarzane na miejscu... na Księżycu, składające się w 90% z pyłu księżycowego, co znacznie obniżyłoby koszty wynoszenia ładunków z Ziemi. Zostaje jednak koszt stworzenia automatycznej fabryczki księżycowej wytwarzającej te lustra i wyniesienie JEJ na Księżyc.


Polecane artykuły :

9 Najciekawszych Planet Pozasłonecznych

Przykładowe źródła :
http://www.technologyreview.com/news/408117/molten-mirrors/
http://www.astro.ubc.ca/lmt/lzt/
http://web.mit.edu/newsoffice/2008/moonscope-0215.html
http://www.eso.org/public/teles-instr/e-elt.html
http://www.tmt.org/
http://www.eso.org/sci/facilities/eelt/owl/index_3.html
http://www.jwst.nasa.gov/
http://www.gmto.org/index.html
http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2008/09oct_liquidmirror/


11 komentarzy:

  1. Super!
    Czekam na następne artykuły z niecierpliwością!

    OdpowiedzUsuń
  2. Zagadka Bystrzaka !

    Ferromagnetyki, rtęć, płyny elektroreologiczne, w jaki sposób jeszcze można by próbować uzyskać kształt dużego zwierciadła astronomicznego ?

    Zbudować bęben, z membraną z foli aluminiowej, i wytworzyć podciśnienie. Folia utworzy wklęsłą membranę.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. A czy w takim wypadku płyn poprostu nie spłynie do dołu?

      Usuń
    2. Tutaj zamiast płynu jest folia

      Usuń
    3. Podciśnienie rozłoży się równomiernie i w takim przypadku utworzy z folii aluminiowej płaską powierzchnię a nie pożądaną - paraboliczną.

      Usuń
    4. Nie jeżeli folia będzie przymocowana do obręczy.

      Usuń
  3. "W wypadku Księżyca konieczne byłoby użycie innej cieczy niż rtęć, która zamarza w temperaturze poniżej -39C. Na Księżycu jednak także dałoby się patrzeć tylko w jednym kierunku. Ciecz obrócona, po prostu spłynie, chyba że całość umieścimy w stanie nieważkości i jakimś sposobem "przymocujemy" ciecz do dna zbiornika."
    Proponuję zakręcić zbiornikiem, podgrzewając rtęć, by utrzymać stan płynny. Po uzyskaniu odpowiedniego kształtu lustra, wyłączamy ogrzewanie i rotację zbiornika. Rtęć zamarznie zachowując oczekiwany kształt. Jeśli tylko po zamarznięciu nie zmatowieje, mamy idealne zwierciadło e stanie stałym.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Tak się stanie o ile ta "zamarznięta" rtęć utworzy jednolitą strukturę pod względem fizycznym i chemicznym. Pozostaje kwestia np. drobnych odłamków kosmicznych które nieustannie bombardują Księżyc i które mogłyby utworzyć mikropęknięcia w takim teleskopie.

      Usuń
    2. nie widzę w tym rozwiązaniu problemu, mając reaktor do rozgrzewania i wprowadzaniu układu w obrót. W przypadku zdegradowania powierzchni lustra, rozgrzewamy rtęć i ponownie przeprowadzamy proces formowania.

      Usuń
  4. A może obracać silnym elektromagnesem pod zbiornikiem? Stworzyłby z jednej strony "grawitację", z drugiej nadawał ruch obrotowy.

    OdpowiedzUsuń
  5. Zagadka bystrzaka to dla mnie prawdziwa ZAGADKA, ale mocno trzymam kciuki by ten blog pozostał na dotychczasowym poziomie. Niecierpliwie czekam na dalsze tematy.

    OdpowiedzUsuń