Folyékony tükörteleszkópok a tudomány számára
Parabolikus tükör készítéséhez elegendő egy fényvisszaverő folyékony felület, például higany megfordítása. A technikai fejlődés lehetővé teszi, hogy óriási távcsöveket állítsanak elő olcsóbban ennek az ősi koncepciónak megfelelően.
A nagy Zenith-teleszkóp hat méter átmérőjű folyékony higany-folyékony tükörteleszkópja 7 fordulat/perc sebességgel forog.
A teleszkóp tükrök általában üvegből készülnek. Ezek közül a legnagyobb, a hawaii Mauna Kea tetején található Twin Keck teleszkópok szegmentált tükrök, amelyek mindegyike 36 hatszögletű elemből áll, összesen tíz méter átmérővel. Ezeket az üvegdarabokat gondosan csiszolni kell néhány tíz nanométeres pontossággal, mielőtt vékony alumínium- vagy ezüstréteggel borítanák őket, hogy fényvisszaverővé váljanak. Összetett támogató rendszerre van szükség annak megakadályozására, hogy a hőmérséklet-változások vagy saját súlyuk deformálja a felületét. A legtöbb modern nagy teleszkóp adaptív optikai rendszerekkel, szenzorok és aljzatok készlettel is rendelkezik, amelyek folyamatosan változtatják a tükör alakját kis léptékben, hogy ellensúlyozzák a légköri turbulencia okozta torzításokat. Ezek a műszerek a technika csodái, de rendkívül drágák: egy hat méter átmérőjű távcső körülbelül tízmillió dollárba kerül. De bármennyire is meglepő, összehasonlítható teljesítmény érhető el a higany által borított sík felület egyszerű forgatásával.
Az elv egyszerű. Az egyensúlyban lévő folyadék felülete állandó potenciális energia felülete, vagyis ezen a felületen a potenciál bármilyen változása olyan erőt képez, amely a folyadék áramlását okozná. Nyugalmi állapotban egy tárgy potenciális energiája arányos a magasságával. Így a legtöbb folyadék által felvitt felület sík (ha elhanyagoljuk a kapillaritást). De ha ennek a folyadéknak állandó szögsebességgel egy függőleges tengely körüli forgását adjuk, akkor a potenciális energia nemcsak a magasságtól, hanem a tengely távolságától is függ (ennek a távolságnak a négyzetével csökken). A gravitáció és a centrifugális erő hatására a felület ekkor felveszi a paraboloid ekvipotenciális alakját.
De a paraboloid pontosan a fény fókuszálásához szükséges forma! A tengellyel párhuzamos beeső sugarak úgy tükröződnek, hogy egy pontban, a tükör fókuszpontjában találkoznak. A más irányokból érkező sugarak nem annyira pontosan vannak fókuszálva, de megfelelő lencsekészlet hozzáadása a fókuszpont előtt jó minőségű képet nyújt a széles látómező számára. A legtöbb nagy csillagászati teleszkóp ezért parabolikus (vagy kvázi parabolikus) elsődleges tükröket és másodlagos tükröket vagy lencséket használ az optikai tengely szélén lévő aberrációk kijavítására.
A fény fókuszálásához egy forgó folyadék felhasználásának ötlete nem új keletű. Ernesto Capocci olasz csillagász, a Nápolyi Obszervatórium már 1850-ben elsőként írta le ezt a lehetőséget, bár soha nem valósította meg az ötletet. A koncepció érvényességét 1872-ben bizonyították, amikor Henry Skey, az új-zélandi Dunedin Obszervatóriumból laboratóriumában 14 hüvelyk átmérőjű folyadéktükört készített. 1909-ben Robert Wood amerikai fizikus, a Johns Hopkins Egyetem építtette az első teljes folyékony tükörteleszkópot. A legsikeresebb modell tükörének átmérője 51 centiméter volt. Mechanikus támaszon forgott, amelyet gumiszalag hajtott. Wood ezzel a távcsővel sikeresen megkülönbözteti a négyszeres ε Lyrae csillagrendszer összetevőit, amelynek csillagait csak 2,3 másodperc ív választja el egymástól, alig nagyobb nagyságrenddel meghaladva az elméleti határt, mivel az ilyen átmérőjű tükör diffrakciója.
Wood távcsöve azonban nem volt praktikus. Rázkódások és a tükör enyhe instabilitása akadályozta. Sőt, a pontosság hiánya a forgási sebesség szabályozásában a gyújtótávolság változását eredményezte. Sőt, mivel a forgástengelynek függőlegesnek kellett lennie, a távcső csak egy keskeny mezőt tudott megfigyelni, amely közvetlenül a vonalban helyezkedik el, amelyben a Föld forgása állandó mozgást adott a csillagoknak. Ilyen problémák magyarázzák, hogy miért hagyták el a folyékony tükörteleszkópok pályáját közel háromnegyed évszázadon keresztül.
1982-ben Ermanno Borra kanadai fizikus, akkor a quebeci Laval Egyetemen úgy döntött, hogy újra áttekinti Wood megközelítését. E. Borra és munkatársai úgy vélték, hogy a technikai fejlődés leküzdi azokat a nehézségeket, amelyek Woodot akkor megállították. Különösen E. Borra vette észre, hogy a látómezőben a kép sodródásának problémája a Föld forgása miatt megoldható úgy, hogy a hagyományos filmet egy ccd detektorral (töltéshez kapcsolt eszköz) cserélik ki, egyfajta szilícium integrálva. áramkör, amely ma felszerel minden digitális fényképezőgépet és más videokamerát. Az elv a következő: a szilíciumrácsot eltaláló fotonok elegendő energiát biztosítanak ahhoz, hogy az elektronokat az elektródok tömbjére alkalmazott feszültségek által létrehozott potenciális kutak felé mozgassák. Az expozíciós idő leteltével a feszültségeket úgy változtatják meg, hogy a készülék felületén lévő elektronokat a rács széléhez, majd onnan egy erősítőhöz mozgassa, amely feszültségjelek sorozatát hozza létre. az egyes potenciálkutakban összegyűjtött elektronok száma. A kép pixelenként kerül beolvasásra és számítógépre kerül.
Ha alacsony a megvilágítás, elegendő megnövelni az expozíciós időt, hogy a ccd érzékelő elegendő fényt gyűjtsön. Sajnos, ha a ccd-t alapkivitelben egy folyékony tükörteleszkóppal használják, amely nem képes követni az égen mozgó tárgyakat, akkor a csillagok inkább ösvényként jelennek meg, mint éles pontok, és a képek elmosódnak.
Ennek ellenére ellensúlyozni lehet ezt a szakadékot a feszültségeken való játékkal. A megfelelő feszültségeket a ccd elektródáira megfelelő sebességgel alkalmazva arra lehet kényszeríteni az elektronokat, hogy ugyanolyan sebességgel és ugyanabban az irányban haladjanak, mint az ég teleszkóp által vetített képe. Ha ezt az elmozdulást gondosan végezzük, az elektronok fázisban maradnak az őket előállító fotonokkal, és a kép elmosódik.
Amikor egy csillag képe eléri a ccd szenzor szélét, tegye meg a megfelelő elektronokat is. Az olvasás - és az expozíció - folyamatos, jellemzően másodpercenként néhány tíz rácsvonal sebességével. A csillag képének az érzékelő egyik oldaláról a másikra sodródásához szükséges expozíciós idő körülbelül egy vagy két perc. A csillagászok gyakran használják ezt a „söpörési” technikát, amikor hagyományos távcsövekkel megfigyelik, mivel ez nagyon hatékony módja az ég nagy részének a képének megörökítésére.
Teleszkópok szisztematikus felmérésekhez
Bár a szkennelés ötlete ösztönözte E. Borrát a folyékony tükörteleszkópok újraélesztésére, soha nem jutott el ehhez a technikához. Ennek ellenére más újításokat vezetett be. A rezgések és rezgések leküzdésére E. Borra légcsapágyat használt, amelynek egymáson forgó, precízen csiszolt felületei vékony nyomású levegőréteggel vannak elválasztva. Ezek a csapágyak gyakorlatilag súrlódásmentesek és így sima forgást biztosítanak. A piezoelektromos oszcillátorral hajtott szinkron motor használatával E. Borra kiküszöbölte Wood hangszerét hátráltató sebességváltozásokat is.