Bildekreditt: University of Arizona
For over 30 år siden kom Dr. Roger Angel til University of Arizona, trukket av de gunstige forholdene for astronomisk observasjon i Tucson, Arizona-området: flere teleskoper er praktisk i nærheten, og naturligvis er været fantastisk temperert. Men nå foreslår Angel å bygge et teleskop på et sted noe mer fjerntliggende og ikke fullt så skummelt: et polart krater på månen.
Angel er kjent for sine nyvinninger innen lette teleskopspeil og adaptiv optikk, og leder nå et team av forskere fra USA og Canada som undersøker muligheten for å bygge et Deep-Field Infrared Observatory nær en av månepolene ved hjelp av et Liquid Mirror Telescope (LMT ).
Dette konseptet er et av 12 forslag som begynte å motta finansiering i oktober i fjor fra NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC). Hver får $ 75 000 for seks måneders forskning for å gjøre innledende studier og identifisere utfordringer i utviklingen. Prosjekter som gjør det gjennom den første fasen, er kvalifisert for så mye som $ 400 000 dollar over to år.
LMT er laget ved å snurre en reflekterende væske, vanligvis kvikksølv, på en skålformet plattform for å danne en parabolsk overflate, perfekt for astronomisk optikk. Isaac Newton foreslo opprinnelig teorien, men teknologien for å faktisk lage en slik enhet med hell har først nylig blitt utviklet. Bare en håndfull LMT-er blir brukt i dag, inkludert en 6-meters LMT i Vancouver, Canada, og en 3-metersversjon som NASA bruker til Orbital Debris Observatory i New Mexico.
På jorden er LMT-er begrenset i størrelse til omtrent 6 meter i diameter fordi den selvgenererte vinden som kommer fra spinning av teleskopet forstyrrer overflaten. I tillegg, som andre jordbaserte teleskoper, er LMT-er utsatt for atmosfærisk absorpsjon og forvrengning, noe som reduserer rekkevidden og følsomheten til infrarød observasjon kraftig. Men den atmosfærefrie månen, sier Angel, gir det perfekte stedet for denne typen teleskoper, samtidig som den forsyner seg med tyngdekraften som er nødvendig for at det parabolske speilet skal dannes.
Potensialet til en LMT på månen er å lage et veldig stort teleskop. Som referanse har Hubble romteleskop et 2,4 meter speil, og James Webb romteleskop (JWST) som er utviklet for lansering i 2011 vil ha et 6 meter speil. Konseptet for Angel's NIAC-forslag er et 20 meter speil, men med forskningen teamet har gjort så langt, ser de nå på å lage veldig store speil, med 100 meter som det store alternativet. De vurderer mindre LMT-er også. "Vi kan tydeligvis ikke gå til månen og lage et 100 meters speil til det første," sa Angel. "Vi ser på en sekvens med skalastørrelser på 2 meter, 20 meter og 100 meter, og ser på hva potensialet er for hver enkelt." Angel tror det 2 meter lange teleskopet kunne lages uten menneskelig tilstedeværelse på månen, og settes opp som et robotteleskop, omtrent som de vitenskapelige instrumentene til Mars-roverne opererer nå.
Begrensningen av et flytende speil er at det bare peker rett opp, så det ikke er som et standard teleskop som kan pekes i alle retninger og spore gjenstander på himmelen. Den ser bare på himmelen som er direkte overliggende.
Så det vitenskapelige målet for en LMT er å ikke se over hele himmelen, men å ta ett område av rommet og se på det intenst. Denne typen astronomi har vært veldig "lønnsom", slik Angel beskrev den, med tanke på mengden informasjon som er samlet. Noe av den mest produktive vitenskapelige innsatsen fra Hubble-romteleskopet har vært “Deep Field” -fotografiene.
For å kunne se på bare ett område i rommet til enhver tid, får Angel og teamet hans til å se til en av månepolene for å finne det beste stedet for dette teleskopet. Som på jordens poler gir alltid det samme ekstragalaktiske synsfeltet å se rett opp fra polene på månen. "Hvis vi drar til nord- eller sørpolen av månen, vil vi avbildet en himmellapp hele tiden, og slik at du kan gjøre en ekstremt dyp integrasjon, mye dypere enn Hubble Deep Field." Kombiner det med en stor blenderåpning, og dette teleskopet vil gi en observasjonsdybde som ville være uten sidestykke med noe teleskop på jorden eller i verdensrommet. "Det er nissen eller den spesielle styrken til dette teleskopet," sa Angel.
En annen side med flytende speil er at de er veldig billige sammenlignet med prosessen med å lage et standard speil ved å lage, polere og teste et stort, stivt glassstykke, eller lage mindre biter som må poleres, testes og deretter settes sammen veldig nøyaktig. LMT-er trenger ikke dyre monteringer, støtter, sporingssystemer eller en kuppel.
"Den totale kostnaden for James Webb-teleskopet forventes å overstige en milliard dollar, med prislappen på speilet alene rundt en kvart million dollar," sa Angel. "Det speilet er 6 meter, så hvis vi skalerer den teknologien til enda større speil i verdensrommet, kommer vi til slutt til å bryte banken, og vi vil ikke ha råd til dem med den nåværende teknologien for å lage det polerte speilet og å få det opp til verdensrommet. "
Selv om det 2 meter lange teleskopet ville være en prototype, ville det fortsatt være astronomisk verdifullt. "Vi kunne gjøre ting som er gratis for Spitzer-romteleskopet og Webb-teleskopet, da det 2 meter lange teleskopet på månen ville fylle territoriet mellom de to teleskopene." Et 20 meter speil ville gi oppløsning 3 ganger større enn JWST, og ved å integrere eller la "lukkeren" være åpen i lange perioder, som et år, kan gjenstander 100 ganger svakere sees. Et 100 meter speil vil gi data som er utenfor listene.
En av utfordringene med å utvikle en LMT på månen er å lage lagrene for å spinne plattformen jevnt og i konstant hastighet. Luftlager brukes til LMT på jorden, men uten luft på månen er det umulig. Angel og teamet hans ser på kryogene levitasjonslager, ligner det som brukes til magnetisk levitasjonstog for å få en friksjonsfri bevegelse ved bruk av magnetfelt. Angel la til, "Som en bonus, med de lave temperaturene på månen kan du gjøre det uten å bruke noe energi fordi du kan lage en superledende magnet som lar deg lage et levitasjonslager som ikke krever kontinuerlig tilførsel av elektrisk kraft. ”
Angel kalte lagrene en kritisk komponent av teleskopet. "Uten luft på månen for å skape vind, er det ingen begrensning for størrelse eller å oppnå nøyaktigheten du trenger, så lenge lageret er i orden," sa Angel.
Én utvikling av prosjektet siden mottak av NIAC-finansieringen er plasseringen av teleskopet. I det første forslaget favoriserte Angel's team månens sørpol i Shackleton-krateret. Men nordpolen tilbyr faktisk et bedre synsfelt for ekstragalaktisk observasjon, skjønte de, og Angel venter på data fra Det europeiske romfartsorganets SMART-1-månebane som nylig begynte å kartlegge månens polare regioner.
"I de polare områdene er det noen kratere der solen aldri lyser og aldri varmer bakken," sa Angel. “Det er ekstremt kaldt der, ikke så langt over absolutt null. I stedet for å bygge teleskopet under slike fiendtlige forhold, ville vi forsøke å bygge teleskopet på en topp av en av polene, der det ville være solskinn nesten kontinuerlig. Dette ville gi solkraft, og forholdene ville være bedre for menneskene som bor der. Alt du trenger å gjøre er å plassere en sylindrisk Mylar-skjerm rundt teleskopet for å forhindre at solen noen gang treffer den, og den vil avkjøle seg akkurat som i bunnen av kratrene. "
Med infrarød observasjon er et kaldt teleskop viktig for å kunne se kaldere og svakere gjenstander i rommet. Å ha teleskopet på nesten absolutt null (0 grader Kelvin, -273 C, -460 F) ville være ideelt. Siden kvikksølv vil fryse ved disse temperaturene, er en annen utfordring for prosjektet å finne riktig væske til å spinne for speilet. Noen av kandidatene er etan, metan og andre små hydrokarboner, som væskene som ble funnet på Titan av Huygens-sonden, som landet på Saturns største måne 14. januar.
"Men disse væskene er ikke skinnende, så du må finne ut hvordan du setter et skinnende metall som aluminium direkte på overflaten av væsken," sa Angel. “Normalt når vi lager et astronomisk teleskop, lager vi speilene av glass, noe som ikke reflekterer veldig, og så fordamper du aluminium eller sølv på glasset. På månen måtte vi fordampe metallet på væsken i stedet for på glasset. ”
Det er et av de viktigste forskningsområdene under NIAC-prisen. I innledende studier har Angel's team vært i stand til å fordampe et metall på en væske, selv om det ennå ikke er på de kalde temperaturene som kreves. Imidlertid blir de oppmuntret av resultatene så langt.
Angel's team er atypisk for et NIAC-prosjekt, fordi det er et internasjonalt samarbeid, og NIAC finansierer ikke internasjonale partnere. "Det hender at verdenseksperter på å lage spinnende flytende speilteleskoper alle er i Canada, så det var litt viktig at hvis vi tenker på å gjøre det på månen at vi tar dem inn," sa Angel. "Heldigvis har de kommet inn på egen billett, så å si, og er begeistret av prosjektet."
De kanadiske medlemmene av teamet er Emanno Borra, fra Laval University i Quebec, som har forsket og bygget LMTs siden begynnelsen av 1980-tallet, og Paul Hickson, fra University of British Columbia, som med Borras hjelp bygget 6 meter LMT i Vancouver. Andre samarbeidspartnere inkluderer Ki Ma ved University of Texas i Houston som er ekspert på kryogene lagre, Warren Davison fra University of Arizona som er maskinteknisk ekspert i teleskoper, og doktorgradsstudent Suresh Sivanandam.
NIAC ble opprettet i 1998 for å anmode om revolusjonerende konsepter fra mennesker og organisasjoner utenfor romfartsorganet som kunne fremme NASAs oppdrag. De vinnende konseptene blir valgt fordi de "skyver grensene for kjent vitenskap og teknologi" og "viser relevans for NASA-oppdraget," ifølge NASA. Disse konseptene forventes å ta minst et tiår å utvikle.
Angel sier at å motta NIAC-prisen er en flott mulighet. "Vi vil utvilsomt skrive et forslag til fase II (av NIAC-finansieringen)," sa han. "Vi har identifisert i løpet av fase I hva som er noen av de mest kritiske problemene i dette prosjektet, og hvilke praktiske skritt vi bør ta nå. Vi har åpnet noen spørsmål, og det er noen enkle tester vi kan gjøre for å se om det er noen showstoppere eller ikke. "
Det største hinderet for å gjøre Lunar Infrared Observatory til virkelighet er mest sannsynlig fullstendig ut av Engels hender. "Månen er et veldig interessant sted å gjøre vitenskap," sa Angel. "Imidlertid er det basert på en betydelig ressursforpliktelse fra NASA til å vende tilbake til månen." For å bygge de store 20 eller 100 meter teleskopene må det være en bemannet tilstedeværelse på månen. "Så," fortsatte Angel, "ved å hive vitenskapen din i den retningen, blir du halen til en veldig stor hund som du absolutt ikke har kontroll over?"
Angel håper at NASA og USA kan opprettholde momentumet for Vision for Space Exploration og komme tilbake til månen. "Jeg tror til slutt at det å flytte ut i verdensrommet er noe som mennesker har trang til å gjøre og vil gjøre en gang," sa Angel. Når det skjer, er det viktig å ha interessante ting å gjøre når vi kommer dit. Vi må vite hvorfor vi forlot overflaten av denne planeten for å gå til månen. Vi utforsker, ja, men vi kan utforske ikke bare månen, men bruke det som et sted å gjøre vitenskapelig forskning utover månen. Jeg tror det er noe som i det store bildet skal skje. ”
Nancy Atkinson er frilansskribent og NASA Solar System Ambassador. Hun bor i Illinois.
