Kuvan luotto: Arizonan yliopisto
Yli 30 vuotta sitten tohtori Roger Angel tuli Arizonan yliopistoon, ja hän veti puoleensa Arizonan Tucsonin alueen suotuisat olosuhteet tähtitieteelliselle havainnolle: useita teleskooppeja on kätevästi lähellä, ja tietysti sää on ihanan leuto. Mutta nyt Angel ehdottaa kaukoputken rakentamista hieman syrjäisempään paikkaan, joka ei ole aivan niin leuto: napakraatteriin kuuhun.
Kevyistä teleskooppipeileistä ja adaptiivisesta optiikasta tunnettu Angel johtaa nyt yhdysvaltalaisten ja kanadalaisten tutkijoiden ryhmää, joka tutkii mahdollisuutta rakentaa syväkenttä-infrapunaobservatorio lähelle yhtä kuun navoista nestepeiliteleskoopin (LMT) avulla. ).
Tämä konsepti on yksi 12 ehdotuksesta, jotka alkoivat saada rahoitusta viime lokakuussa NASA Institute for Advanced Concepts -instituutilta (NIAC). Kukin saa 75 000 dollaria kuuden kuukauden tutkimuksesta alustavien tutkimusten tekemiseksi ja kehityshaasteiden tunnistamiseksi. Projektit, jotka selviävät ensimmäisestä vaiheesta, voivat saada jopa 400 000 dollaria lisää kahden vuoden aikana.
LMT:t valmistetaan pyörittämällä heijastavaa nestettä, yleensä elohopeaa, kulhon muotoisella alustalla parabolisen pinnan muodostamiseksi, joka sopii täydellisesti tähtitieteelliseen optiikkaan. Isaac Newton ehdotti alun perin teoriaa, mutta tekniikka sellaisen laitteen luomiseksi onnistuneesti on kehitetty vasta äskettäin. Nykyään käytössä on vain kourallinen LMT:tä, mukaan lukien 6 metrin LMT Vancouverissa, Kanadassa, ja 3 metrin versio, jota NASA käyttää Orbital Debris Observatoriossaan New Mexicossa.
Maapallolla LMT:t ovat halkaisijaltaan rajoitettuja noin 6 metriin, koska kaukoputken pyörityksestä tuleva tuuli häiritsee pintaa. Lisäksi, kuten muut maan päällä olevat teleskoopit, LMT:t ovat alttiina ilmakehän absorptiolle ja vääristymille, mikä vähentää huomattavasti infrapunahavainnoinnin kantamaa ja herkkyyttä. Mutta ilmakehä vapaa kuu, Angel sanoo, tarjoaa täydellisen paikan tämän tyyppiselle kaukoputkelle samalla kun se tarjoaa painovoiman, joka tarvitaan parabolisen peilin muodostumiseen.
LMT:n mahdollisuus kuuhun on tehdä erittäin suuri kaukoputki. Hubble-avaruusteleskooppi on 2,4 metrin peili ja James Webb -avaruusteleskooppi (JWST), jota kehitetään vuoden 2011 laukaisuun, on 6 metrin peili. Angelin NIAC-ehdotuksen konsepti on 20 metrin peili, mutta tiimin tähän mennessä tekemän tutkimuksen perusteella he etsivät nyt erittäin suuria peilejä, joista 100 metriä on suurin vaihtoehto. He harkitsevat myös pienempiä LMT:itä. 'Emme tietenkään voi mennä kuuhun ja tehdä 100 metrin peiliä ensimmäisenä', Angel sanoi. 'Tarkastelemme sarjaa 2 metrin, 20 metrin ja 100 metrin mittakaavakokoja ja tarkastelemme kunkin potentiaalin.' Angel uskoo, että 2-metrinen teleskooppi voitaisiin tehdä ilman ihmisen läsnäoloa Kuussa, ja se voidaan asettaa robottiteleskoopiksi, aivan kuten Mars-kulkijoilla olevat tieteelliset instrumentit toimivat nyt.
Nestepeilin rajoitus on, että se osoittaa vain suoraan ylöspäin, joten se ei ole kuin tavallinen kaukoputki, jota voidaan osoittaa mihin tahansa suuntaan ja seurata taivaalla olevia kohteita. Se katsoo vain sitä taivaan aluetta, joka on suoraan yläpuolella.
Joten LMT:n tieteellinen tavoite ei ole katsoa koko taivaalle, vaan ottaa yksi alue avaruudesta ja tarkastella sitä intensiivisesti. Tämän tyyppinen tähtitiede on ollut erittäin 'kannattavaa', kuten Angel kuvaili sitä kerätyn tiedon runsauden suhteen. Jotkut Hubble-avaruusteleskoopin tuottavimmista tieteellisistä ponnisteluista ovat olleet sen 'syvän kentän' valokuvat.
Mahdollisuus katsoa aina vain yhtä avaruusaluetta saa Angelin ja hänen tiiminsä etsimään yhdeltä kuun napasta parhaan paikan tälle kaukoputkelle. Kuten Maan napoilla, katsominen suoraan ylös Kuun navoista tarjoaa aina saman ekstragalaktisen näkökentän. 'Jos menemme kuun pohjois- tai etelänavalle, kuvaamme yhtä taivasta koko ajan, mikä mahdollistaa erittäin syvän integraation, paljon syvemmän kuin Hubblen syväkenttä.' Yhdistä se suureen aukkoon, ja tämä kaukoputki tarjoaisi havainnointisyvyyden, joka on vertaansa vailla mihinkään maan tai avaruuden kaukoputkeen. 'Se on tämän teleskoopin markkinarako tai erityinen vahvuus', Angel sanoi.
Toinen nestepeilien hyvä puoli on, että ne ovat erittäin edullisia verrattuna tavallisen peilin valmistusprosessiin luomalla, kiillottamalla ja testaamalla iso, jäykkä lasipala tai luomalla pienempiä paloja, jotka on kiillotettava, testattava ja sitten liitettävä yhteen hyvin. tarkasti. LMT:t eivät myöskään tarvitse kalliita kiinnikkeitä, tukia, seurantajärjestelmiä tai kupua.
'James Webb -teleskoopin kokonaiskustannusten odotetaan ylittävän miljardi dollaria, ja pelkän peilin hintalappu on noin neljännesmiljoona dollaria', Angel sanoi. 'Se peili on 6 metriä pitkä, joten jos skaalaamme sen tekniikan vielä isompiin avaruuden peileihin, me lopulta rikomme pankin, eikä meillä ole varaa niihin nykyisellä kiillotetun peilin ja peilin valmistustekniikalla. saada se avaruuteen.'
Vaikka 2 metrin kaukoputki olisi prototyyppi, se olisi silti tähtitieteellisesti arvokas. 'Voimme tehdä asioita, jotka ovat ilmaisia Spitzer-avaruusteleskoopille ja Webb-teleskoopille, koska 2-metrinen kaukoputki Kuussa täyttäisi alueen näiden kahden kaukoputken välissä.' 20 metrin peili tarjoaa 3 kertaa suuremman resoluution kuin JWST, ja integroimalla tai jättämällä 'suljin' auki pitkiksi ajanjaksoiksi, kuten vuodeksi, esineitä voitaisiin tarkastella 100 kertaa himmeämmin. 100 metrin peili antaisi tietoja, jotka eivät ole kaavioita.
Yksi haasteista kehitettäessä LMT:tä kuuhun on luoda laakerit pyörittämään alustaa tasaisesti ja tasaisella nopeudella. Ilmalaakereita käytetään LMT:issä maan päällä, mutta jos Kuussa ei ole ilmaa, se on mahdotonta. Angel ja hänen tiiminsä tutkivat kryogeenisiä levitaatiolaakereita, jotka ovat samanlaisia kuin mitä käytetään magneettisissa levitaatiojunissa kitkaton liikkeen aikaansaamiseksi magneettikentän avulla. Angel lisäsi: 'Bonuksena kuun alhaisilla lämpötiloilla voit tehdä sen kuluttamatta yhtään energiaa, koska voit tehdä suprajohtavan magneetin, jonka avulla voit tehdä levitaatiolaakerin, joka ei vaadi jatkuvaa sähkönsyöttöä. ”
Angel kutsui laakereita teleskoopin kriittiseksi osaksi. 'Kun ei ole ilmaa tuulen luomiseksi, kokoa tai vaadittavaa tarkkuutta ei ole rajoitettu niin kauan kuin suuntima on kunnossa', Angel sanoi.
Yksi hankkeen kehitysvaihe NIAC-rahoituksen saamisen jälkeen on kaukoputken sijainti. Alkuperäisessä ehdotuksessa Angelin tiimi suosi kuun etelänapaa Shackletonin kraatterissa. Mutta pohjoisnapa tarjoaa itse asiassa paremman näkökentän ekstragalaktiseen havainnointiin, he ymmärsivät, ja Angel odottaa tietoja Euroopan avaruusjärjestön SMART-1-kuun kiertoradalta, joka aloitti äskettäin kuun napa-alueiden tutkimisen.
'Napaarisilla alueilla on kraattereita, joissa aurinko ei koskaan valaise eikä lämmitä maata', Angel sanoi. 'Siellä on äärimmäisen kylmää, ei liian paljon absoluuttisen nollan yläpuolella. Sen sijaan, että rakentaisimme kaukoputken sellaisiin vihamielisiin olosuhteisiin, yrittäisimme rakentaa kaukoputken jommankumman navan huipulle, jossa aurinko paistaisi melkein jatkuvasti. Näin saataisiin aurinkoenergiaa ja olosuhteet olisivat paremmat siellä asuville. Sinun tarvitsee vain laittaa sylinterimäinen Mylar-näyttö kaukoputken ympärille, jotta aurinko ei osuisi siihen ja se jäähtyy aivan kuten kraatterien pohjassa.
Infrapunahavainnoinnin kannalta kylmä kaukoputki on elintärkeä, jotta voidaan nähdä kylmempiä ja himmeämpiä kohteita avaruudessa. Teleskoopin pitäminen lähellä absoluuttista nollaa (0 Kelvin-astetta, -273 C, -460 F) olisi ihanteellinen. Koska elohopea jäätyy näissä lämpötiloissa, toinen haaste projektille on löytää oikea neste pyöritettäväksi peiliin. Jotkut ehdokkaista ovat etaania, metaania ja muita pieniä hiilivetyjä, kuten nesteet, jotka löydettiin Titanista Huygens-luotaimella, joka laskeutui Saturnuksen suurimpaan kuuhun 14. tammikuuta.
'Mutta nämä nesteet eivät ole kiiltäviä, joten sinun on keksittävä, kuinka kiiltävä metalli, kuten alumiini, kerrostetaan suoraan nesteen pinnalle', Angel sanoi. ”Yleensä tähtiteleskooppia tehdessämme peilit tehdään lasista, joka ei heijasta kovin paljon ja sitten haihdutetaan alumiinia tai hopeaa lasille. Kuussa meidän olisi haihdutettava metalli nesteeseen lasin sijaan.'
Se on yksi NIAC-palkinnon tärkeimmistä tutkimusalueista. Alkututkimuksissa Angelin tiimi on kyennyt haihduttamaan metallia nesteeseen, vaikkakaan ei vielä vaadituissa kylmissä lämpötiloissa. He ovat kuitenkin rohkaisevia tähänastisista tuloksista.
Angelin tiimi on epätyypillinen NIAC-projektille siinä mielessä, että kyseessä on kansainvälinen yhteistyö, eikä NIAC rahoita kansainvälisiä kumppaneita. 'Satunnaisesti kaikki pyörivien nestepeiliteleskooppien valmistuksen asiantuntijat ovat Kanadassa, joten oli välttämätöntä, että jos aiomme tehdä sen kuuhun, tuomme ne sisään', Angel sanoi. 'Onneksi he ovat tulleet sisään niin sanotusti omalla lipullaan ja ovat innoissaan projektista.'
Tiimin kanadalaiset jäsenet ovat Emanno Borra Quebecin Laval-yliopistosta, joka on tutkinut ja rakentanut LMT:itä 1980-luvun alusta lähtien, ja Paul Hickson British Columbian yliopistosta, joka Borran avulla rakensi 6 metrin LMT:n vuonna Vancouver. Muita yhteistyökumppaneita ovat Houstonin Texasin yliopiston Ki Ma, joka on kryogeenisten laakereiden asiantuntija, Warren Davison Arizonan yliopistosta, joka on teleskooppien konetekniikan asiantuntija, ja jatko-opiskelija Suresh Sivanandam.
NIAC perustettiin vuonna 1998 hankkimaan vallankumouksellisia konsepteja avaruusviraston ulkopuolelta ihmisiltä ja organisaatioilta, jotka voisivat edistää NASAn tehtäviä. Voittajakonseptit valitaan, koska ne 'työntää tunnetun tieteen ja teknologian rajoja' ja 'osoittavat merkitystä NASA-tehtävälle', NASAn mukaan. Näiden konseptien kehittämisen odotetaan kestävän vähintään kymmenen vuotta.
Angel sanoo, että NIAC-palkinnon saaminen on loistava mahdollisuus. 'Kirjoitamme epäilemättä ehdotuksen (NIAC-rahoituksen) vaiheesta II', hän sanoi. 'Olemme tunnistaneet vaiheen I aikana, mitkä ovat tämän projektin kriittisimmät asiat ja mihin käytännön toimiin meidän pitäisi nyt ryhtyä. Olemme avanneet muutamia kysymyksiä, ja voimme tehdä yksinkertaisia testejä nähdäksemme, onko näytöksissä pysäyttäviä vai ei.'
Suurin este Kuun infrapunaobservatorion toteuttamiselle on todennäköisesti täysin poissa Angelin käsistä. 'Kuu on erittäin mielenkiintoinen paikka tehdä tiedettä', Angel sanoi. 'Se perustuu kuitenkin NASA:n huomattavaan sitoutumiseen resursseihin palatakseen kuuhun.' Varmasti suurten 20 tai 100 metrin kaukoputkien rakentaminen edellyttää miehitettyä läsnäoloa kuussa. 'Joten', Angel jatkoi, 'kytkemällä tieteenne siihen suuntaan, sinusta tulee erittäin suuren koiran häntä, jota et voi hallita ollenkaan'?
Angel toivoo, että NASA ja Yhdysvallat voivat ylläpitää Vision for Space Explorationin vauhtia ja palata Kuuhun. 'Luulen, että lopulta avaruuteen muuttaminen on jotain, mitä ihmiset haluavat tehdä ja tekevät joskus', Angel sanoi. ”Kun näin tapahtuu, on tärkeää, että meillä on mielenkiintoista tekemistä, kun olemme perillä. Meidän on tiedettävä, miksi lähdimme tämän planeetan pinnalta kuuhun. Tutkimme kyllä, mutta emme voi tutkia vain kuuta, vaan käyttää sitä myös tieteellisen tutkimuksen tekemispaikkana kuun ulkopuolella. Mielestäni sen pitäisi isossa kuvassa tapahtua.'
Nancy Atkinson on freelance-kirjoittaja ja NASAn aurinkokunnan lähettiläs. Hän asuu Illinoisissa.
