Телескопи з рідкими лінзами

1. проблеми гігантів
2. стара ідея
3. фіксований приціл
4. Що відбивається в ртуті
5. Великий зенітний телескоп
6. Майбутнє «рідких» телескопів

Один з найскладніших етапів створення великих телескопів - це отримання дзеркала точної форми. Але є набагато більш простий і дешевий спосіб зробити параболічну поверхню - розкрутити в круглому посуді рідина. Чи є у «рідких телескопів» майбутнє?

Зараз в світі йде створення декількох телескопів, діаметри об'єктивів яких вимірюються десятками метрів. Що примітно: незважаючи на загальне бурхливий технологічний розвиток людства, кроки в збільшенні максимального діаметра об'єктива телескопа як і раніше відбуваються з інтервалом, що вимірюється століттями. Причина проста - зі збільшенням діаметра об'єктива зростає не тільки наукова віддача телескопа, але і його ціна. Якщо вартість діючих інструментів з багатометровими об'єктивами вимірюється сотнями мільйонів доларів, то на мегателескопах майбутнього висять вже мільярдні цінники.

проблеми гігантів

Не дивно, що конструкторська думка безперервно шукає способи здешевити настільки дорогі астрономічні іграшки. Оскільки наше все - діаметр об'єктива, природно спробувати збільшити розмір «очі» телескопа за рахунок принесення в жертву інших конструктивних особливостей. Прикладами можуть служити телескопи Хобі-Еберлі (США), Великий південноафриканський телескоп (ПАР) і телескоп LAMOST (Китай). Ці інструменти не є повноповоротними, тобто, на відміну від класичного телескопа, зафіксовані щодо однієї з двох осей обертання і тому позбавлені можливості в будь-який момент часу наводитися в будь-яку точку видимого півкулі неба. Звичайно, подібна фіксація накладає суттєві обмеження, але за допомогою продуманої програми спостережень їх можна зробити не настільки критичними. При цьому вартість знижується в рази в порівнянні з повноповоротним телескопом. Однак є і більш радикальний спосіб здешевлення астрономічного інструменту.

В сучасних телескопах, як правило, в якості об'єктива використовується увігнуте дзеркало. Щоб дзеркало фокусувало відображаються їм промені, тобто зводило їх в точку, воно повинно мати форму параболоїда обертання. Спочатку дзеркала для телескопів відливали зі спеціальних сортів бронзи, а потім довго і нудно шліфували до потрібної форми. В середині XIX століття після винаходу процедури сріблення дзеркала почали виготовляти зі скла, шліфувати яке набагато простіше, проте і до цього дня один з найскладніших етапів створення телескопа полягає в доданні дзеркала точної форми. При цьому помилки в формі поверхні повинні бути істотно менше довжини хвилі відбитого світла, а вона у видимому діапазоні складає всього 0,5 мкм. Уявляєте завдання - відшліфувати поверхню площею в десятки квадратних метрів з субмикронной точністю!

стара ідея

Куди більш простий і дешевий спосіб отримання параболічної поверхні, що відбиває був придуманий ще Ньютоном. Часто спокійну гладь води порівнюють з дзеркалом, маючи на увазі, що її поверхня ідеально гладка і плоска. Якщо ж воду або іншу рідину розкрутити в круглому посуді, її поверхня прийме параболічну форму, за винятком краю, де її спотворить поверхневий натяг. Правда, у води невисокий коефіцієнт відображення, по крайней мере для променів, що падають майже перпендикулярно поверхні, але воду можна замінити більш відбиває рідиною.

Налити дзеркало Підготовка дзеркала починається з того, що в чашу LZT наливають близько 100 л ртуті. Забавно, що потужності двигуна не вистачає, щоб привести чашу в рух, і тому з самого початку її розкручують вручну. Приблизно через годину обертання дзеркало стабілізується, і починається дводенна процедура відкачування ртуті, щоб довести товщину дзеркала до мінімального значення (початкова товщина - приблизно 3,5 мм). Після стабілізації поверхні дзеркала на ньому утворюється плівка оксиду ртуті, яка практично зупиняє випаровування металу, так що через пару днів після розкручування дзеркала біля нього можна перебувати, не роблячи особливих захисних заходів. Коефіцієнт відображення ртуті (близько 70%) менше, ніж у свеженанесенного алюмінієвого покриття. Але з часом алюміній мутніє, і його коефіцієнт відбиття падає. При цьому процедура алюмінування складна і дорога. Ртуть теж мутніє, але ртутне дзеркало можна без особливих проблем і витрат оновлювати хоч щомісяця. Телескоп LZT в даний час застосовується для досліджень атмосфери в рамках створення систем адаптивної оптики для гігантських телескопів TMT і E-ELT. Якість зображень на LZT виявилося середнім, однак потрібно враховувати, що він створювався в значній мірі як випробувальний інструмент і тому встановлений в місці, не дуже вдалому з точки зору стану атмосфери, в 70 км від Ванкувера на висоті всього 400 м.

Вважається, що першим ідею створення обертового ртутного дзеркала для телескопа висловив в 1850 році італійський астроном Ернесто Капоцці. Успішне втілення дзеркала було представлено в 1872 році в Новій Зеландії Генрі Скеем, а астрономічні спостереження на ртутному телескопі вперше провів Роберт Вуд на самому початку XX століття. В описі своїх дослідів в 1909 році Вуд зазначив, що астрономи завжди сприймали ідею про рідкому дзеркалі як жарт: про яку якість спостережень може йти мова, якщо на поверхні від найменшого зовнішнього збурення з'являється брижі?

Сам Вуд зайнявся цією проблемою, як він сам писав, «виключно щоб розважитися в літні місяці». Він виявив основні джерела виникнення мерехтіння на поверхні дзеркала: вібрації від двигуна і підвіски дзеркала, негоризонтального розташування обертається чаші з ртуттю і нерівномірна швидкість обертання двигуна - і довів, що всі вони можуть бути в значній мірі усунені продуманою конструкцією телескопа і ретельністю його виготовлення. До ряби, створюваної механізмами телескопа, потрібно додати і зовнішні обурення: найбільший телескоп Вуда з 20-дюймовим дзеркалом був встановлений в людному місці на острові Лонг-Айленд (США) і тому здригався і від прибою, і від проїжджали повз возів, і навіть від кроків перехожих. Вуд запропонував два методи позбавлення від залишкових коливань дзеркала. Перший полягає в тому, щоб робити шар ртуті в чаші максимально тонким: чим тонше ртутне дзеркало, тим менше в ньому ряби. Другий спосіб передбачає покриття ртуті ще якою-небудь рідиною, яка гасила б коливання, - наприклад, водою або гліцерином.

Вуд довів свій ртутний телескоп до досконалості, довів, що він дає зображення не гіршої якості, ніж «звичайний» ... і закинув цю роботу. Технічні складності були подолані, наукова ж цінність нерухомого телескопа, спрямованого в зеніт, залишилася абсолютно неочевидній. Ідея обертових ртутних дзеркал була забута на довгі десятиліття.

Це не означає, що ртуть повністю пішла з астрономічного побуту. Її широко застосовували в так званих ртутних горизонтах фотографічних зенітних труб (ФЗТ). Спокійна поверхню ртуті за визначенням паралельна площині горизонту, і її можна використовувати для точного наведення об'єктива в зеніт, що потрібно при деяких астрометричних спостереженнях. Але ідея про використання ртуті як матеріалу для об'єктива телескопа відродилася лише на початку 1980-х років завдяки вченому Ерманно Борра з Університету Лаваля (Канада).

фіксований приціл

Чим астрономів не влаштовує подібний інструмент? В першу чергу - неможливістю наведення на довільний об'єкт. Хоча і протягом ночі, і протягом року набір світил, що проходять через околозенітная область, змінюється, він залишається обмеженим. Крім того, телескоп з рідким дзеркалом (ТЖЗ) неможливо навести навіть на об'єкти, що потрапили в поле його зору. Вони будуть пропливати над телескопом по зігнутим траєкторіях (якщо телескоп на екваторі). Поки використовувалися фотопластинки, можна було розраховувати тільки на фотографування зіркових треків, а від них користі не особливо багато.

Ситуація змінилася, коли на зміну фотопластинках прийшли приймачі випромінювання нового типу на основі приладів із зарядним зв'язком (ПЗС). Світлочутливі елементи - пікселі - в ПЗС-приймачі збудовані в набір окремих лінійок, складових ПЗС-матрицю. При звичайній покадровой зйомці зображення зчитується одночасно з усіх лінійок. Оскільки через обертання Землі картинка зміщується на небосхилі, телескоп під час експозиції потрібно повертати слідом за нею. Такий режим зйомки називається режимом стеження. Він дозволяє отримувати знімки з майже необмеженим часом експозиції, спостерігаючи дуже слабкі об'єкти.

Однак одночасність зчитування зображення з усіх лінійок зовсім необов'язкова. Якщо зірка, галактика або будь-який інший об'єкт «повзе» по матриці поперек лінійок, зображення можна зчитувати з них по черзі, а потім складати в загальну картинку. Цей режим зйомки називається скануванням, оскільки телескоп як би сканує небо. Якщо нас цікавить конкретний небесний об'єкт, режим сканування не дуже зручний, але при проведенні оглядових спостережень він в деяких випадках навіть практичніше режиму стеження і зараз широко застосовується. Правда, в режимі сканування тривалість експозиції обмежена часом проходження зірки від одного краю матриці до іншого, але її можна збільшити, підсумовуючи знімки однієї і тієї ж області неба, отримані в різні ночі. Крім того, обмеженість часу зйомки на телескопах з рідкими дзеркалами з лишком компенсується можливістю робити ці дзеркала дуже великими.

До кінця XX століття з'явилися і аеростатичні підшипники, що дозволили звести до мінімуму тертя при обертанні чаші зі ртуттю, і синхронні електродвигуни, що забезпечують високу стабільність обертання. Основні перешкоди на шляху до якісної рідкому дзеркала, описані Вудом, тепер долаються куди простіше і краще, ніж на початку XX століття. Починаючи з 1980-х років в різних лабораторіях створювалися все більш і більш великі дзеркала, які поступово стали основою для створення сучасних ртутних телескопів. Ці роботи проводилися переважно в Канаді, але дещо робилося і в інших країнах. В СРСР експерименти з рідкими дзеркалами в кінці 1970-х - початку 1980-х проводили Віктор Васильєв і Олександр Согоконь з Харківського університету: вони запропонували гасити коливання рідкого дзеркала, змушуючи чашу з ним плавати в інший обертається чаші - наприклад, з водою. Правда, до створення телескопа ця робота не дійшла.

У навколоземному просторі налічується близько 20 000 штучних об'єктів, серед яких є і функціонують супутники, і фрагменти космічних апаратів самих різних розмірів. Дешевий телескоп з рідким дзеркалом міг би проводити регулярні патрульні спостереження в розрахунку на те, що більша частина фрагментів рано чи пізно пролетить над ним і буде виявлена.

Що відбивається в ртуті

Хоча можливості ТЖЗ обмежені, в нашому Всесвіті є об'єкти, які завжди потрапляють в поле зору телескопа, куди б він не був спрямований. По-перше, це сам Всесвіт. Висловлювалися пропозиції використовувати ТЖЗ для проведення космологічних оглядів, які дозволили б уточнити будову Всесвіту за спостереженнями великої кількості галактик і квазарів. Оскільки Всесвіт вважається ізотропної (однаковою у всіх напрямках), цілком можна обмежитися спостереженнями вузької смужки, що оперізує небо.

Другий об'єкт, який видно з Землі в усіх напрямках, - це земна атмосфера. Телескопи з рідкими дзеркалами використовуються для дослідження властивостей атмосфери - зокрема, натрієвого шару на висоті 100 км. Атоми натрію змушують світитися за допомогою лазерного імпульсу, а ТЖЗ реєструє це світіння і по його параметрам визначає властивості натрієвого шару (таке штучно викликане світіння використовується при астрономічних спостереженнях з адаптивною оптикою, так що властивості натрієвого шару необхідно добре знати).

Протягом восьми років (з 1995 по 2002 рік) в США працював триметровий телескоп з ртутним дзеркалом обсерваторії NODO (NASA Orbital Debris Observatory) для спостережень космічного сміття. Однак якщо фрагменти дрібні (менше 10 см), складно навіть оцінити їх кількість. В цьому відношенні дешевий і великий інструмент, який дозволяв бачити фрагменти розміром до 2,5 см, виявився вельми корисний.

Великий зенітний телескоп

На сьогоднішній день найбільший ТЖЗ створений в Канаді, в Університеті Британської Колумбії групою фахівців під керівництвом Пола Хіксон. Це Великий зенітний телескоп (Large Zenith Telescope, LZT) з діаметром дзеркала 6 м. Його створення обійшлося всього в $ 0,5 млн (в цінах середини 1990-х років)! У телескопі використовується аеростатичний підшипник, на якому закріплена сталева рама складної конструкції, що підтримує чашу з полівінілхлориду. Рама повинна бути дуже жорсткою: якщо гігантська чаша буде хоч трохи гнутися, обертання важкої рідини сильно розгойдає її. Суворі вимоги пред'являються і до вертикальності осі обертання - відхилення від вертикалі має бути менше кутової секунди.

Дзеркало телескопа LZT являє собою пластикову чашу з семи шестикутних і шести трикутних сегментів. Сегментам за допомогою термоформовки надається форма параболоїда обертання, щоб мінімізувати товщину шару ртуті готового дзеркала.

Поверхня чаші покрита епоксидною смолою і сама має параболічну форму, на частки міліметра відрізняється від бажаної форми дзеркала. Це зроблено для того, щоб звести до мінімуму необхідну товщину шару ртуті. І мета не тільки в тому, щоб скоротити витрату ртуті. Як вже говорилося, брижі на рідкому дзеркалі гаситься тим ефективніше, чим менше його товщина. На шестиметровому LZT товщина шару ртуті не перевищує 1,5 мм. Менше зробити не виходить, так як при спробі створити надмірно тонкий шар ртуть розпадається на окремі крапельки, як термінатор Т-1000 (ось з нього, до речі, дзеркало вийшло б ідеальним).

Трохи вище дзеркала над усією його площею протягнута горизонтальна прозора плівка. Для отримання необхідного фокусної відстані (9 м) дзеркало буде справляти один оборот приблизно за 8,5 с. Це означає, що край дзеркала рухається зі швидкістю більше 2 м / с, піднімаючи вітер, здатний порушити гладкість поверхні ртуті. Захисна плівка створює «пастку» для повітря, всередині якої він обертається разом з дзеркалом. Плівка, звичайно, сама трохи псує зображення, але з цим доводиться миритися.

Майбутнє «рідких» телескопів

Наступний великий проект ТЖЗ планується реалізувати на куди більш якісної майданчику. Міжнародний телескоп з рідким дзеркалом (International Liquid Mirror Telescope, ILMT) будується зараз в Індії, в обсерваторії Девасталь на висоті 2540 м. Це буде чотириметровий телескоп, присвячений вирішенню вже не тестових, а наукових завдань. Передбачається, що ILMT протягом п'яти років буде сканувати смугу неба шириною півградуса, детектуючи різні змінні джерела - спалахи на зірках, події мікролінзування та ін., - а також виявляючи нові галактичні і позагалактичні об'єкти. Звичайно, площа цієї смужки - 156 кв. градусів - мізерно мала в порівнянні з повною площею неба (більше 40 000 кв. градусів), але її небагато буде компенсуватися ретельністю спостережень. В даний час на обсерваторії зводиться павільйон для цього телескопа, сам він вже доставлений до Індії, благо перевезення ТЖЗ особливої ​​проблеми не становить. Творці проекту, яким керує Льєжський університет (Бельгія), розраховують побачити «перший світ» навесні 2016 року.

Чаша міжнародного телескопа з рідким дзеркалом (ILMT) виготовлена ​​з кевлара, натягнутого на підставу зі спіненого полімеру. Щоб вона найближче відповідала формі ідеального дзеркала, її покривають шаром поліуретану шляхом ротаційної полімеризації: рідкий мономер наливають в чашу і підтримують обертання до тих пір, поки покриття не затвердіє.

Інших значущих проектів ТЖЗ в даний час немає, але є безліч ідей щодо їх вдосконалення. Наприклад, якщо використовувати в якості опори для відбиває плівки феромагнітні рідини, можна формувати поверхню дзеркала обертанням, а магнітним полем. Це відкриває можливість установки ТЖЗ на космічних апаратах. Але сама амбітна ідея щодо ТЖЗ полягає в тому, щоб встановити такий інструмент на Місяці, замахнувшись на абсолютно недосяжний в земних умовах діаметр близько сотні метрів і надпровідний магніт як підвіски. Звичайно, ртуть тут уже не підійде, але на її роль можуть претендувати іонні рідини з відбиваючим напиленням. Правда, до цих пір не вдалося підібрати рідина, що не замерзала б при місячних температурах, однак автори ідеї (Е. Борра, П. Хіксон і їх колеги) вважають, що це обов'язково буде зроблено.

Проблема в тому, что складання такого телескопа повінні будут Здійснювати люди, тобто его з'явилися придется відкласті до того часу, коли на Місяці з'являться Постійно діючі бази. Однак і в цьому випадку доставка, збірка і експлуатація ТЖЗ обійдуться значно дешевше, ніж те ж саме для звичайного телескопа. Але це, звичайно, справа дуже далекого майбутнього.

А поки що складається враження, що ця технологія в значній мірі недооцінена, проте в майбутньому ситуація може змінитися. Астрономічні ціни на «звичайні» великі телескопи гальмують створення подібних інструментів, хоча потреба у великих дзеркалах висока. Відносно дешевий і простий у виготовленні великий ТЖЗ може виявитися вдалою альтернативою, особливо для задач, які не вимагають точного наведення. Такий телескоп, наприклад, міг би проводити регулярні патрульні спостереження космічного сміття в розрахунку на те, що більша частина фрагментів рано чи пізно пролетить над ним і буде виявлена.

Розширити можливості ТЖЗ могла б додаткова оптика, за допомогою якої можна значно розширити площу доступного неба. Другий напрямок удосконалення рідких телескопів полягає в тому, щоб навчитися їх нахиляти. З ртуттю таке, може бути, і не вийде, а ось з дзеркалами у вигляді плівки з наночастинок, наприклад срібла, на поверхні в'язкої рідини, що обертається такі експерименти проводяться. Втім, звичайно, потрібно пам'ятати, що всі такі удосконалення мало-помалу позбавлятимуть ТЖЗ їх головної переваги - низької вартості.

Автор дякує за допомогу в підготовці статті Пола Хіксон (Університет Британської Колумбії, Канада) і Жана Сурдея (Льєжський університет, Бельгія).

Стаття «Телескоп? Наливай! »Опублікована в журналі« Популярна механіка »( №12, Листопад 2015 ).