Πίστωση εικόνας: Πανεπιστήμιο της Αριζόνα
Πριν από περισσότερα από 30 χρόνια, ο Δρ. Roger Angel ήρθε στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, γοητευμένος από τις ευνοϊκές συνθήκες για αστρονομική παρατήρηση στην περιοχή Tucson της Αριζόνα: πολλά τηλεσκόπια βρίσκονται σε βολική τοποθεσία κοντά και φυσικά ο καιρός είναι υπέροχα εύκρατος. Αλλά τώρα, ο Άγγελος προτείνει να κατασκευαστεί ένα τηλεσκόπιο σε μια τοποθεσία κάπως πιο απομακρυσμένη και όχι τόσο γαλήνια: έναν πολικό κρατήρα στο φεγγάρι.
Γνωστός για τις καινοτομίες του στους ελαφρούς τηλεσκοπικούς καθρέφτες και την προσαρμοστική οπτική, ο Angel τώρα ηγείται μιας ομάδας επιστημόνων από τις ΗΠΑ και τον Καναδά που διερευνούν τη σκοπιμότητα κατασκευής ενός Παρατηρητηρίου Υπέρυθρων Βαθέων Πεδίων κοντά σε έναν από τους σεληνιακούς πόλους χρησιμοποιώντας ένα Τηλεσκόπιο Liquid Mirror (LMT ).
Αυτή η ιδέα είναι μία από τις 12 προτάσεις που άρχισαν να λαμβάνουν χρηματοδότηση τον περασμένο Οκτώβριο από το Ινστιτούτο Προηγμένων Εννοιών της NASA (NIAC). Ο καθένας λαμβάνει 75.000 $ για έξι μήνες έρευνας για την πραγματοποίηση αρχικών μελετών και τον εντοπισμό προκλήσεων στην ανάπτυξη. Τα έργα που περνούν την πρώτη φάση είναι επιλέξιμα για έως και 400.000 $ επιπλέον 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 αστρονομική οπτική. Ο Isaac Newton πρότεινε αρχικά τη θεωρία, αλλά η τεχνολογία για να δημιουργηθεί πραγματικά μια τέτοια συσκευή με επιτυχία αναπτύχθηκε μόλις πρόσφατα. Μόνο μια χούφτα LMT χρησιμοποιούνται σήμερα, συμπεριλαμβανομένου ενός LMT 6 μέτρων στο Βανκούβερ του Καναδά και μιας έκδοσης 3 μέτρων που χρησιμοποιεί η NASA για το Παρατηρητήριο Τροχιακών Συντριμμιών της στο Νέο Μεξικό.
Στη Γη, τα LMT περιορίζονται σε μέγεθος σε περίπου 6 μέτρα σε διάμετρο, επειδή ο αυτοπαραγόμενος άνεμος που προέρχεται από την περιστροφή του τηλεσκοπίου αναστατώνει την επιφάνεια. Επιπλέον, όπως και άλλα τηλεσκόπια με βάση τη Γη, τα LMT υπόκεινται σε ατμοσφαιρική απορρόφηση και παραμόρφωση, μειώνοντας σημαντικά την εμβέλεια και την ευαισθησία της υπέρυθρης παρατήρησης. Αλλά το φεγγάρι χωρίς ατμόσφαιρα, λέει ο Άγγελος, παρέχει την τέλεια θέση για αυτόν τον τύπο τηλεσκοπίου, ενώ παρέχει τη βαρύτητα που απαιτείται για να σχηματιστεί ο παραβολικός καθρέφτης.
Η δυνατότητα ενός LMT στο φεγγάρι είναι να φτιάξει ένα πολύ μεγάλο τηλεσκόπιο. Για αναφορά, το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble έχει έναν καθρέφτη 2,4 μέτρων και το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) που αναπτύσσεται για εκτόξευση το 2011 θα έχει έναν καθρέφτη 6 μέτρων. Η ιδέα για την πρόταση NIAC του Angel είναι ένας καθρέφτης 20 μέτρων, αλλά με την έρευνα που έχει κάνει η ομάδα μέχρι στιγμής, τώρα εξετάζει τη δημιουργία πολύ μεγάλων καθρεφτών, με τα 100 μέτρα να είναι η μεγάλη επιλογή. Εξετάζουν και μικρότερα LMT. «Προφανώς δεν μπορούμε να πάμε στο φεγγάρι και να κάνουμε έναν καθρέφτη 100 μέτρων το πρώτο πράγμα», είπε ο Angel. «Εξετάζουμε μια σειρά μεγεθών κλίμακας 2 μέτρων, 20 μέτρων και 100 μέτρων και εξετάζουμε ποιες είναι οι δυνατότητες για το καθένα». Ο Άγγελος πιστεύει ότι το τηλεσκόπιο των 2 μέτρων θα μπορούσε να κατασκευαστεί χωρίς ανθρώπινη παρουσία στο φεγγάρι και να δημιουργηθεί ως ρομποτικό τηλεσκόπιο, όπως ακριβώς λειτουργούν τώρα τα επιστημονικά όργανα στα ρόβερ του Άρη.
Ο περιορισμός ενός υγρού καθρέφτη είναι ότι δείχνει μόνο ευθεία προς τα πάνω, επομένως δεν μοιάζει με ένα τυπικό τηλεσκόπιο που μπορεί να στραμμένο προς οποιαδήποτε κατεύθυνση και να παρακολουθεί αντικείμενα στον ουρανό. Κοιτάζει μόνο την περιοχή του ουρανού που βρίσκεται ακριβώς από πάνω.
Έτσι, ο επιστημονικός στόχος για ένα LMT είναι να μην κοιτάξει ολόκληρο τον ουρανό, αλλά να πάρει μια περιοχή του διαστήματος και να την κοιτάξει έντονα. Αυτός ο τύπος αστρονομίας ήταν πολύ «κερδοφόρος», όπως το περιέγραψε ο Angel, όσον αφορά τον πλούτο των πληροφοριών που συγκεντρώθηκαν. Μερικές από τις πιο παραγωγικές επιστημονικές προσπάθειες από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble ήταν οι φωτογραφίες του 'Βαθύ πεδίο'.
Το να είναι σε θέση να κοιτάζει μόνο μία περιοχή του διαστήματος ανά πάσα στιγμή, οδηγεί τον Angel και την ομάδα του να κοιτάξουν σε έναν από τους σεληνιακούς πόλους για την καλύτερη θέση για αυτό το τηλεσκόπιο. Όπως και στους πόλους της Γης, το κοίταγμα ευθεία από τους πόλους στο φεγγάρι παρέχει πάντα το ίδιο εξωγαλαξιακό οπτικό πεδίο. «Αν πάμε στον Βόρειο ή τον Νότιο Πόλο του φεγγαριού, θα απεικονίζουμε συνεχώς ένα κομμάτι του ουρανού και έτσι σας επιτρέπει να κάνετε μια εξαιρετικά βαθιά ενοποίηση, πολύ πιο βαθιά ακόμη και από το Βαθύ Πεδίο του Χαμπλ». Συνδυάστε το με ένα μεγάλο διάφραγμα και αυτό το τηλεσκόπιο θα παρείχε 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 Angel.
Ένα άλλο πλεονέκτημα των υγρών καθρεφτών είναι ότι είναι πολύ φθηνοί σε σύγκριση με τη διαδικασία κατασκευής 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 ακριβές βάσεις, στηρίγματα, συστήματα παρακολούθησης ή θόλο.
«Το συνολικό κόστος του τηλεσκοπίου James Webb αναμένεται να ξεπεράσει το ένα δισεκατομμύριο δολάρια, με την τιμή μόνο στον καθρέφτη γύρω στο ένα τέταρτο του εκατομμυρίου δολαρίων», είπε ο Angel. «Αυτός ο καθρέφτης είναι 6 μέτρα, οπότε αν κλιμακώσουμε αυτήν την τεχνολογία σε ακόμη μεγαλύτερους καθρέφτες στο διάστημα, τελικά θα σπάσουμε τα όρια και δεν θα μπορέσουμε να τα αντέξουμε οικονομικά με την παρούσα τεχνολογία κατασκευής του γυαλισμένου καθρέφτη και ανεβάζοντάς το στο διάστημα».
Παρόλο που το τηλεσκόπιο των 2 μέτρων θα ήταν πρωτότυπο, θα εξακολουθούσε να είναι αστρονομικά πολύτιμο. «Θα μπορούσαμε να κάνουμε πράγματα που είναι συμπληρωματικά με το διαστημικό τηλεσκόπιο Spitzer και το τηλεσκόπιο Webb, καθώς το τηλεσκόπιο 2 μέτρων στο φεγγάρι θα γέμιζε την περιοχή ανάμεσα σε αυτά τα δύο τηλεσκόπια». Ένας καθρέφτης 20 μέτρων θα παρείχε ανάλυση 3 φορές μεγαλύτερη από το JWST, και ενσωματώνοντας ή αφήνοντας το «κλείστρο» ανοιχτό για μεγάλες περιόδους, όπως ένα χρόνο, θα μπορούσαν να προβληθούν αντικείμενα 100 φορές πιο αμυδρά. Ένας καθρέφτης 100 μέτρων θα παρείχε δεδομένα που είναι εκτός διαγραμμάτων.
Μία από τις προκλήσεις για την ανάπτυξη ενός LMT στο φεγγάρι είναι να δημιουργηθούν τα ρουλεμάν για να περιστρέφεται η πλατφόρμα ομαλά και με σταθερή ταχύτητα. Τα ρουλεμάν αέρα χρησιμοποιούνται για τα LMT στη Γη, αλλά χωρίς αέρα στο φεγγάρι, αυτό είναι αδύνατο. Ο Άγγελος και η ομάδα του εξετάζουν ρουλεμάν κρυογονικής αιώρησης, παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται για τα τρένα μαγνητικής αιώρησης για να κάνουν μια κίνηση χωρίς τριβές χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο. Ο Angel πρόσθεσε, «Ως μπόνους, με τις χαμηλές θερμοκρασίες στο φεγγάρι, μπορείτε να το κάνετε αυτό χωρίς να ξοδέψετε ενέργεια, επειδή μπορείτε να φτιάξετε έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη που σας επιτρέπει να δημιουργήσετε ένα ρουλεμάν αιώρησης που δεν απαιτεί συνεχή είσοδο ηλεκτρικής ενέργειας. ”
Ο Άγγελος ονόμασε τα ρουλεμάν ένα κρίσιμο στοιχείο του τηλεσκοπίου. 'Χωρίς αέρα στο φεγγάρι για να δημιουργήσει άνεμο, δεν υπάρχει όριο στο μέγεθος ή την ακρίβεια που χρειάζεστε, εφόσον το ρουλεμάν είναι εντάξει', είπε ο Angel.
Μια εξέλιξη του έργου από τότε που έλαβε τη χρηματοδότηση της NIAC είναι η θέση του τηλεσκοπίου. Στην αρχική πρόταση, η ομάδα του Angel ευνόησε τον νότιο πόλο της σελήνης στον κρατήρα Shackleton. Αλλά ο βόρειος πόλος προσφέρει στην πραγματικότητα καλύτερο οπτικό πεδίο για εξωγαλαξιακή παρατήρηση, συνειδητοποίησαν, και ο Άγγελος περιμένει δεδομένα από το σεληνιακό τροχιακό SMART-1 της Ευρωπαϊκής Διαστημικής Υπηρεσίας που άρχισε πρόσφατα να ερευνά τις πολικές περιοχές του φεγγαριού.
«Στις πολικές περιοχές υπάρχουν μερικοί κρατήρες όπου ο ήλιος δεν φωτίζει ποτέ και ποτέ δεν θερμαίνει το έδαφος», είπε ο Angel. «Εκεί έχει εξαιρετικά κρύο, όχι πολύ πάνω από το απόλυτο μηδέν. Αντί να κατασκευάσουμε το τηλεσκόπιο κάτω από τέτοιες εχθρικές συνθήκες, θα επιχειρούσαμε να κατασκευάσουμε το τηλεσκόπιο σε μια κορυφή οποιουδήποτε από τους πόλους, όπου θα υπήρχε ηλιοφάνεια σχεδόν συνεχώς. 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 το χτυπήσει ποτέ και θα κρυώσει ακριβώς όπως στο κάτω μέρος των κρατήρων».
Με την υπέρυθρη παρατήρηση, ένα ψυχρό τηλεσκόπιο είναι ζωτικής σημασίας για να μπορεί κανείς να δει πιο κρύα και αμυδρά αντικείμενα στο διάστημα. Το να έχουμε το τηλεσκόπιο σχεδόν στο απόλυτο μηδέν (0 βαθμοί 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 υποψήφιους 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, επομένως πρέπει να καταλάβετε πώς να εναποθέσετε 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, το οποίο δεν αντανακλάται πολύ και στη συνέχεια εξατμίζετε το αλουμίνιο ή το ασήμι στο γυαλί. Στο φεγγάρι θα έπρεπε να εξατμίσουμε το μέταλλο στο υγρό αντί στο γυαλί».
Αυτός είναι ένας από τους βασικούς τομείς έρευνας στο πλαίσιο του βραβείου NIAC. Στις αρχικές μελέτες, η ομάδα του Angel κατάφερε να εξατμίσει ένα μέταλλο σε ένα υγρό, αν και όχι ακόμη στις χαμηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται. Ωστόσο, τους ενθαρρύνουν τα μέχρι τώρα αποτελέσματα.
Η ομάδα του Angel είναι άτυπη για ένα έργο NIAC, καθώς πρόκειται για μια διεθνή συνεργασία και η NIAC δεν χρηματοδοτεί διεθνείς εταίρους. «Συμβαίνει ότι οι παγκόσμιοι ειδικοί στην κατασκευή περιστρεφόμενων υγρών τηλεσκοπίων καθρέφτη βρίσκονται όλοι στον Καναδά, οπότε ήταν πολύ σημαντικό αν σκεφτόμαστε να το κάνουμε αυτό στο φεγγάρι να τα φέρουμε», είπε ο Angel. «Ευτυχώς, μπήκαν με το δικό τους εισιτήριο, ας πούμε έτσι, και είναι ενθουσιασμένοι με το έργο».
Τα Καναδά μέλη της ομάδας είναι ο Emanno Borra, από το Πανεπιστήμιο Laval στο Κεμπέκ, ο οποίος ερευνά και κατασκευάζει LMT από τις αρχές της δεκαετίας του 1980, και ο Paul Hickson, από το Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας, ο οποίος, με τη βοήθεια του Borra, κατασκεύασε το LMT 6 μέτρων στο Βανκούβερ. Άλλοι συνεργάτες είναι ο Ki Ma στο Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Χιούστον, ο οποίος είναι ειδικός στα κρυογονικά ρουλεμάν, ο Warren Davison από το Πανεπιστήμιο της Αριζόνα που είναι ειδικός μηχανολόγος μηχανικός στα τηλεσκόπια και ο μεταπτυχιακός φοιτητής Suresh Sivanandam.
Το NIAC δημιουργήθηκε το 1998 για να ζητήσει επαναστατικές ιδέες από ανθρώπους και οργανισμούς εκτός της διαστημικής υπηρεσίας που θα μπορούσαν να προωθήσουν τις αποστολές της NASA. Οι νικητήριες έννοιες επιλέγονται επειδή «σπάνε τα όρια της γνωστής επιστήμης και τεχνολογίας» και «δείχνουν συνάφεια με την αποστολή της NASA», σύμφωνα με τη NASA. Αυτές οι έννοιες αναμένεται να χρειαστούν τουλάχιστον μια δεκαετία για να αναπτυχθούν.
Ο Angel λέει ότι η λήψη του βραβείου NIAC είναι μια μεγάλη ευκαιρία. «Αναμφίβολα θα γράψουμε μια πρόταση για τη Φάση II (της χρηματοδότησης της NIAC)», είπε. «Έχουμε εντοπίσει κατά τη διάρκεια της Φάσης Ι ποια είναι μερικά από τα πιο κρίσιμα ζητήματα σε αυτό το έργο και ποια πρακτικά βήματα πρέπει να λάβουμε τώρα. Έχουμε ανοίξει μερικές ερωτήσεις και υπάρχουν μερικά απλά τεστ που μπορούμε να κάνουμε για να δούμε αν υπάρχουν στόπερ των σόου ή όχι».
Το μεγαλύτερο εμπόδιο για να γίνει πραγματικότητα το Σεληνιακό Υπέρυθρο Παρατηρητήριο είναι, πιθανότατα, εντελώς έξω από τα χέρια του Άγγελου. «Το φεγγάρι είναι ένα πολύ ενδιαφέρον μέρος για επιστήμη», είπε ο Angel. «Ωστόσο, βασίζεται σε μια ουσιαστική δέσμευση πόρων από τη NASA για να επιστρέψει στη Σελήνη». Σίγουρα, για να κατασκευαστούν τα μεγάλα τηλεσκόπια των 20 ή 100 μέτρων θα έπρεπε να υπάρχει επανδρωμένη παρουσία στο φεγγάρι. «Λοιπόν», συνέχισε ο Άγγελος, «συγκεντρώνοντας την επιστήμη σου προς αυτή την κατεύθυνση, γίνεσαι η ουρά ενός πολύ μεγάλου σκύλου πάνω στον οποίο δεν έχεις κανέναν απολύτως έλεγχο»;
Ο Άγγελος ελπίζει ότι η NASA και οι Ηνωμένες Πολιτείες μπορούν να διατηρήσουν τη δυναμική του Vision for Space Exploration και να επιστρέψουν στο φεγγάρι. «Νομίζω ότι τελικά η μετακίνηση στο διάστημα είναι κάτι που οι άνθρωποι έχουν μια παρόρμηση να κάνουν και θα το κάνουν κάποια στιγμή», είπε ο Angel. «Όταν συμβαίνει αυτό, είναι σημαντικό να έχουμε ενδιαφέροντα πράγματα να κάνουμε μόλις φτάσουμε εκεί. 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».
Νάνσυ Άτκινσον είναι ανεξάρτητος συγγραφέας και πρέσβης της NASA Solar System. Ζει στο Ιλινόις.
