#teleskopy

Filmowa wersja mojego wcześniejszego artykułu na nietuzinkowym blogu naukowym, opublikowanego w zeszłym roku tutaj.

Jak oglądać gwiazdy to tylko jakimś super teleskopem. Czy któryś z nich dostarczy nam kiedyś pierwsze zdjęcia odległego statku obcych? Oto siedem najciekawszych, największych i najbardziej obiecujących teleskopów astronomicznych, jakie ludzkość zbuduje, lub może wybudować w przyszłości:

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.



Powyżej 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?

ŹRÓDŁO