Teleskop kanta cecair: bagaimana ia berfungsi

Teleskop kanta cecair: bagaimana ia berfungsi

Dmitry Vibe
"Mekanik Popular" №12, 2015

Salah satu peringkat yang paling sukar untuk membuat teleskop besar adalah mendapatkan cermin bentuk yang tepat. Tetapi ada cara yang lebih mudah dan lebih murah untuk membuat permukaan parabola – cair berehat di dalam bulat. Adakah teleskop cecair mempunyai masa depan?

Kini di dunia terdapat penciptaan beberapa teleskop, yang diameternya diukur dalam puluhan meter. Apa yang luar biasa: walaupun perkembangan teknologi manusia secara pesat, langkah-langkah untuk meningkatkan diameter maksimum kanta teleskop masih berlaku pada selang waktu yang diukur oleh berabad-abad. Alasannya mudah – dengan peningkatan diameter lensa, bukan sahaja kesan saintifik teleskop meningkat, tetapi juga kenaikan harga. Jika kos instrumen yang sedia ada dengan kanta multimeter diukur dalam beratus-ratus juta dolar, maka berbilion-bilion dolar sudah tergantung pada megatelescopes masa depan.

Masalah Giants

Tidak menghairankan bahawa idea reka bentuk terus mencari cara untuk memendekkan mainan astronomi yang mahal itu. Oleh kerana kita semua adalah diameter kanta, ia adalah semulajadi untuk cuba meningkatkan saiz "mata" teleskop dengan mengorbankan ciri-ciri reka bentuk yang lain.Contohnya termasuk teleskop Hobi-Eberle (AS), Teleskop Besar Afrika Selatan (Afrika Selatan) dan teleskop LAMOST (China). Instrumen ini tidak sepenuhnya putaran, iaitu, tidak seperti teleskop klasik, ia tetap berkaitan dengan salah satu daripada dua paksi putaran dan oleh itu tidak dapat diarahkan pada mana-mana titik di hemisfera yang kelihatan di langit pada bila-bila masa. Sudah tentu, penetapan seperti itu membatasi batasan yang signifikan, tetapi dengan bantuan program pemerhatian yang direka dengan baik, mereka boleh dibuat kurang kritikal. Pada masa yang sama, kos dikurangkan dengan beberapa kali berbanding dengan teleskop beralih penuh. Walau bagaimanapun, terdapat cara yang lebih radikal untuk mengurangkan kos alat astronomi.

Dalam teleskop moden, sebagai peraturan, cermin cekung digunakan sebagai kanta. Agar cermin untuk menumpukan sinar yang dicerminkan olehnya, iaitu, untuk membawa mereka ke satu titik, ia mesti mempunyai bentuk paraboloid putaran. Pada mulanya, cermin untuk teleskop telah dibuang dari gred khas gangsa, dan kemudian lama dan menggilap ke bentuk yang diingini. Di pertengahan abad ke-19, selepas prosedur perakum dicipta, cermin mula dibuat dari kaca, yang lebih mudah digiling, tetapi hingga ke hari ini salah satu langkah paling sukar dalam membuat teleskop adalah untuk memberikan cermin bentuk yang tepat.Dalam kes ini, kesilapan dalam bentuk permukaan sepatutnya kurang daripada panjang gelombang cahaya yang dicerminkan, dan hanya 0.5 μm dalam julat yang kelihatan. Bayangkan tugas – untuk menggilap permukaan berpuluh-puluh meter persegi dengan ketepatan submikron!

Idea lama

Kaedah yang lebih mudah dan murah untuk mendapatkan permukaan mencerminkan parabola dicipta oleh Newton. Selalunya, permukaan air yang tenang dibandingkan dengan cermin, menyiratkan bahawa permukaannya lancar dan rata. Sekiranya air atau cecair lain tidak dapat dibuang di dalam kapal bulat, permukaannya akan mengambil bentuk parabola, dengan pengecualian tepi, di mana ketegangan permukaan akan memesongkannya. Benar, air mempunyai pekali refleksi rendah, sekurang-kurangnya untuk sinar jatuh hampir serenjang ke permukaan, tetapi air dapat digantikan dengan cairan yang lebih mencerminkan.

Adalah dipercayai bahawa idea pertama mewujudkan cermin merkuri berputar untuk sebuah teleskop dinyatakan pada tahun 1850 oleh ahli astronomi Itali, Ernesto Capozzi. Penjelmaan cermin yang berjaya telah dibentangkan pada tahun 1872 di New Zealand oleh Henry Skye, dan Robert Wood membuat pemerhatian astronomi pada teleskop raksa untuk pertama kalinya pada awal abad ke-20.Dalam menggambarkan eksperimennya pada tahun 1909, Wood mencatat bahawa ahli astronomi selalu memahami idea cermin cecair sebagai jenaka: jenis pemerhatian apa yang boleh kita bicarakan jika riak muncul di permukaan dari gangguan luaran yang sedikit?

Kayu sendiri mengambil masalah ini, kerana dia sendiri menulis, "semata-mata untuk bersenang-senang pada bulan-bulan musim panas." Dia mengenal pasti sumber-sumber utama riak di permukaan cermin: getaran dari enjin dan penggantungan cermin, susunan bukan mendatar mangkuk berputar dengan raksa dan kelajuan putaran enjin yang tidak sekata – dan membuktikan bahawa semua itu sebahagian besarnya dapat dihapuskan oleh reka bentuk teleskop canggih dan kegawatan pembuatannya. Gangguan luar juga mesti ditambah kepada riak-riak yang dicipta oleh mekanisme teleskop: Teleskop terbesar Wood dengan cermin 20 inci dipasang di tempat yang meriah di Long Island (Amerika Syarikat) dan oleh itu bergemuruh dari ombak, dan dari dari langkah orang yang lewat. Kayu mencadangkan dua kaedah untuk menghapuskan ayunan cermin sisa. Yang pertama adalah untuk membuat lapisan merkuri dalam mangkuk sebagai nipis yang mungkin: yang lebih tipis cermin merkuri, kurang riak ia ada.Kaedah kedua melibatkan pelapisan merkuri dengan beberapa cecair lain yang akan meredam getaran, contohnya, dengan air atau gliserin.

Kayu membawa teleskop raksasa ke kesempurnaan, membuktikan bahawa ia memberikan gambaran yang tidak lebih buruk daripada yang "biasa" … dan ditinggalkan kerja ini. Kesukaran teknikal telah diatasi, tetapi nilai saintifik teleskop tetap yang diarahkan ke kemuncaknya tetap sama sekali tidak jelas. Idea cermin merkuri berputar telah dilupakan selama beberapa dekad.

Ini tidak bermakna bahawa raksa benar-benar hilang dari penggunaan astronomi. Ia digunakan secara meluas dalam cakra merkuri anti-pesawat fotografi (FST). Permukaan merkuri yang tenang adalah secara takrif selari dengan satah cakrawala, dan ia boleh digunakan untuk mengarahkan lensa tepat di zenith dengan tepat, yang diperlukan untuk beberapa pemerhatian astrometri. Tetapi idea menggunakan merkuri sebagai bahan untuk kanta teleskop telah dihidupkan semula pada awal 1980an terima kasih kepada saintis Ermanno Borra dari University of Laval (Kanada).

Penglihatan tetap

Apa ahli astronomi tidak menyukai alat ini? Di tempat pertama – tidak mustahil menyasarkan objek sewenang-wenangnya.Walaupun pada waktu malam dan sepanjang tahun, set-set pencerahan yang melewati perubahan wilayah zenit, masih terhad. Di samping itu, teleskop dengan cermin cecair (TZHZ) tidak dapat ditujukan walaupun pada objek yang jatuh ke dalam pandangannya. Mereka akan berenang melalui teleskop sepanjang laluan melengkung (jika teleskop tidak berada di khatulistiwa). Walaupun plat fotografi telah digunakan, seseorang hanya boleh bergantung kepada mengambil gambar trek lintang, dan tidak banyak manfaat daripadanya.

Keadaan ini berubah ketika jenis penerima radiasi yang baru berdasarkan peranti yang dikenakan caj (CCD) datang untuk menggantikan fotoplasma. Unsur fotosensitif – piksel – di penerima CCD disusun dalam satu set garisan individu yang membentuk matriks CCD. Dalam penggambaran masa biasa, imej dibaca serentak dari semua penguasa. Oleh kerana berputar-putar Bumi, gambar beralih ke langit, teleskop mesti diputar selepas ia semasa pendedahan. Mod rakaman ini dipanggil mod penjejakan. Ia membolehkan anda mengambil gambar dengan masa pendedahan hampir tidak terhad, memerhatikan objek yang sangat lemah.

Bagaimanapun, kesedaran membaca imej dari semua baris tidak perlu sama sekali.Jika bintang, galaksi, atau mana-mana objek lain "merangkak" merentasi matriks di seluruh penguasa, imej itu boleh dibaca dari mereka seterusnya, dan kemudian ditambah pada gambar keseluruhan. Mod rakaman ini dipanggil pengimbasan, kerana teleskop seperti mengimbas langit. Sekiranya kita berminat dengan objek celestial tertentu, mod pengimbasan tidak begitu mudah, tetapi ketika menjalankan pemerhatian tinjauan adalah dalam beberapa kes bahkan lebih praktikal daripada mod penjejakan dan kini banyak digunakan. Benar, dalam mod imbasan, masa pendedahan adalah terhad oleh masa bintang berlalu dari satu tepi matriks ke yang lain, tetapi ia boleh ditambah dengan meringkaskan imej rantau langit yang sama yang diambil pada malam yang berbeza. Di samping itu, batasan waktu penangkapan pada teleskop dengan cermin cecair adalah lebih daripada diimbangi oleh keupayaan untuk membuat cermin ini sangat besar.

Menjelang akhir abad ke-20, kedua-dua galas aerostatik, yang mengurangkan geseran semasa putaran mangkuk dengan merkuri, dan motor segerak, memastikan kestabilan putaran yang tinggi, tiba. Rintangan utama kepada cermin cecair berkualiti tinggi, yang diterangkan oleh Wood, kini telah diatasi jauh lebih mudah dan lebih baik daripada pada awal abad ke-20.Sejak tahun 1980-an, cermin yang lebih besar telah dicipta di pelbagai makmal, yang secara beransur-ansur menjadi asas bagi penciptaan teleskop merkuri moden. Kerja-kerja ini dijalankan terutamanya di Kanada, tetapi sesuatu telah dilakukan di negara-negara lain. Di USSR, eksperimen dengan cermin cecair pada akhir 1970-an dan awal 1980-an telah dijalankan oleh Viktor Vasilyev dan Alexander Sogokon dari Universiti Kharkov: mereka mencadangkan untuk mengalirkan ayunan cermin cecair, menyebabkan mangkuk itu terapung dengan mangkuk lain yang berputar – contohnya, dengan air. Walau bagaimanapun, kerja ini tidak mencapai penciptaan teleskop.

Apa yang tercermin dalam raksa

Walaupun keupayaan TLZ adalah terhad, terdapat objek dalam Alam Semesta kita yang selalu jatuh ke dalam bidang pandangan teleskop, di mana pun ia diarahkan. Pertama, alam semesta itu sendiri. Terdapat cadangan untuk menggunakan TZHZ untuk kaji selidik kosmologi, yang akan menjelaskan struktur Semesta daripada pemerhatian sejumlah besar galaksi dan quasar. Oleh kerana Universe dianggap isotropik (yang sama dalam semua arah), sangat mungkin untuk mengehadkan diri sendiri untuk pemerhatian jalur sempit yang mengelilingi langit.

Objek kedua, yang dapat dilihat dari Bumi dalam semua arah, adalah atmosfer bumi. Teleskop dengan cermin cecair digunakan untuk mengkaji sifat-sifat atmosfera – khususnya lapisan natrium pada ketinggian 100 km. Atom natrium menjadikannya bersinar dengan nadi laser, dan TLV mengesan pendaratan ini dan menentukan sifat-sifat lapisan natrium dengan parameternya (luminescence yang dihasilkan secara artifisial ini digunakan dalam pemerhatian astronomi dengan optik adaptif, jadi sifat lapisan natrium mesti diketahui).

Dalam ruang bumi berhampiran, terdapat kira-kira 20,000 objek buatan, di antaranya terdapat satelit berfungsi dan serpihan kapal angkasa pelbagai saiz. Teleskop murah dengan cermin cecair boleh melakukan pemerhatian rondaan secara berkala dengan jangkaan bahawa sebahagian besar serpihan akan terbang lebih cepat atau lambat dan akan dikesan.

Selama lapan tahun (dari tahun 1995 hingga 2002), sebuah teleskop tiga meter dengan cermin merkuri di Balai Cerap NODO (Balai Cerapan Serpihan Orbital NASA) untuk pemerhatian serpihan ruang. Walau bagaimanapun, jika serpihannya kecil (kurang daripada 10 cm), sukar untuk menganggarkan nombor mereka.Dalam hal ini, alat murah dan besar, yang membolehkan melihat serpihan sehingga 2.5 cm, ternyata amat berguna.

Teleskop anti-pesawat besar

Sehingga kini, TZHZ terbesar yang dihasilkan di Kanada, di Universiti British Columbia, sekumpulan pakar yang diketuai oleh Paul Hickson. Ini adalah Teleskop Anti-Pesawat Besar (Teleskop Zenith Besar, LZT) dengan diameter cermin 6 m. Penciptaannya hanya $ 0.5 juta (pada harga pertengahan tahun 1990-an)! Teleskop ini menggunakan galas aerostatik, di mana ia diperbuat daripada rangka keluli pembinaan kompleks, yang menyokong mangkuk polyvinyl chloride. Bingkai itu mesti sangat tegar: jika mangkuk gergasi membengkok sedikit, putaran cecair berat akan sangat menggoncangkannya. Keperluan yang teruk juga diletakkan pada ketegangan paksi putaran – sisihan dari menegak harus kurang dari satu arka yang kedua.

Cermin teleskop LZT adalah mangkuk plastik tujuh segmen enam heksagon dan enam segitiga. Segmen pengubah bentuk dibentuk menjadi paraboloid putaran untuk meminimumkan ketebalan lapisan merkuri cermin selesai.

Permukaan mangkuk disalut dengan resin epoksi dan mempunyai bentuk parabola, yang merupakan pecahan milimeter yang berbeza dari cermin yang dikehendaki.Ini dilakukan untuk meminimumkan ketebalan lapisan merkuri yang diperlukan. Dan matlamatnya bukan sahaja untuk mengurangkan penggunaan merkuri. Seperti yang telah disebutkan, riak pada cermin cecair dipadamkan oleh yang lebih berkesan, lebih kecil ketebalannya. Pada LZT enam meter, ketebalan lapisan merkuri adalah kurang daripada 1.5 mm. Anda tidak boleh melakukan kurang, kerana apabila anda cuba membuat lapisan yang terlalu nipis, merkuri pecah menjadi titisan yang berasingan, seperti terminator T-1000 (di sini, cermin akan berubah menjadi sempurna).

Hanya di atas cermin, filem melintang mendatar diregangkan di seluruh kawasannya. Untuk mendapatkan jarak fokus yang diperlukan (9 m), cermin mesti membuat satu revolusi sekitar 8.5 s. Ini bermakna bahawa pinggir cermin bergerak pada kelajuan lebih dari 2 m / s, meningkatkan angin, yang boleh mengganggu kelancaran permukaan merkuri. Filem pelindung mencipta "perangkap" untuk udara di dalamnya ia berputar dengan cermin. Filem itu, sememangnya agak merosakkan imej itu, tetapi kita perlu bersabar dengannya.

Tuangkan cermin

Penyediaan cermin bermula dengan fakta bahawa kira-kira 100 liter raksa dituangkan ke dalam mangkuk LZT. Sungguh lucu bahawa kuasa enjin tidak cukup untuk menetapkan mangkuk bergerak, dan oleh itu ia pada awalnya berputar secara manual.

Selepas kira-kira satu jam putaran, cermin itu stabil, dan prosedur dua hari untuk mengepam raksa bermula, untuk membawa ketebalan cermin kepada minimum (ketebalan awal adalah kira-kira 3.5 mm). Selepas permukaan cermin stabil, filem oksida merkuri terbentuk di atasnya, yang dapat menghentikan penyejatan logam, sehingga selepas beberapa hari selepas cermin tidak dimalukan, anda boleh berada di dekatnya tanpa mengambil sebarang langkah perlindungan khas. Koefisien raksa raksa (kira-kira 70%) adalah kurang daripada salutan aluminium yang baru digunakan. Tetapi dari masa ke masa, aluminium menjadi mendung, dan pekali refleksinya jatuh. Selain itu, prosedur aluminization adalah rumit dan mahal. Merkuri juga menjadi berawan, tetapi cermin raksa boleh dikemas kini sekurang-kurangnya sekali sebulan tanpa sebarang masalah dan kos khusus.

Teleskop LZT kini digunakan untuk penyelidikan atmosfera sebagai sebahagian daripada membuat sistem optik adaptif untuk teleskop TMT dan E-ELT gergasi. Kualiti gambar pada LZT ternyata rata-rata, tetapi harus diingat bahawa ia dicipta sebahagian besarnya sebagai instrumen ujian dan oleh itu dipasang di tempat yang tidak sangat berjaya dari segi keadaan atmosfera, 70 km dari Vancouver pada ketinggian hanya 400 m.

Masa depan teleskop "cecair"

Projek besar TZHZ yang akan datang akan dirancang di tapak yang lebih baik. Teleskop antarabangsa dengan cermin cecair (Teleskop Cermin Antarabangsa, ILMT) kini sedang dibina di India, di Balai Cerap Devastel pada ketinggian 2540 m. Ini akan menjadi teleskop empat meter khusus untuk menyelesaikan ujian saintifik, tetapi yang saintifik. Selama lima tahun, ILMT sepatutnya mengimbas lebar jalur langit setengah darjah, mengesan pelbagai sumber yang berubah-ubah – berkelip-kelip pada bintang-bintang, peristiwa-peristiwa mikrolensing, dan sebagainya, serta mengesan objek galaksi dan ekstragalaktik yang baru. Sudah tentu, kawasan jalur ini adalah 156 meter persegi. darjah – boleh diabaikan berbanding dengan jumlah kawasan langit (lebih daripada 40,000 darjah persegi), tetapi kekurangannya akan diberi pampasan dengan pemerhatian yang teliti. Pada masa ini, sebuah pavilion untuk teleskop ini sedang didirikan di klinik itu, dia sendiri telah dihantar ke India, kerana pengangkutan TLZ bukan masalah tertentu. Pencipta projek, yang diuruskan oleh Universiti Liege (Belgium), mengharapkan untuk melihat "cahaya pertama" pada musim bunga 2016.

Pada masa ini tidak ada projek penting lain untuk TZhZ, tetapi terdapat banyak idea untuk penambahbaikan mereka.Sebagai contoh, jika cecair ferromagnet digunakan sebagai sokongan untuk filem reflektif, mungkin membentuk permukaan cermin bukan oleh putaran, tetapi oleh medan magnet. Ini membuka kemungkinan memasang TZHZ di kapal angkasa. Tetapi idea yang paling bercita-cita berkaitan dengan TZHZ adalah untuk memasang alat seperti itu pada Bulan, melambai pada garis pusat yang tidak boleh diakses sepenuhnya di Bumi, atas perintah beratus-ratus meter, dan magnet superkonduktor sebagai penggantungan. Sudah tentu, merkuri tidak lagi sesuai di sini, tetapi cecair ionik dengan lapisan reflektif boleh berpura-pura kepada peranannya. Benar, belum lagi mungkin untuk mencari cecair yang tidak akan membekukan pada suhu lunar, tetapi pengarang idea (E. Borra, P. Hickson dan rakan-rakan mereka) percaya bahawa ini pasti akan dilakukan.

Gelas teleskop antarabangsa dengan cermin cair (ILMT) dibuat dari Kevlar terikat pada dasar polimer buih. Supaya ia hampir sama dengan bentuk cermin yang ideal, ia ditutup dengan lapisan poliuretana dengan pempolimeran putaran: monomer cair dituangkan ke dalam mangkuk dan dikekalkan untuk berputar sehingga salutan mengeras

Masalahnya adalah bahawa teleskop seperti itu perlu dipasang oleh orang, iaitu penampilannya akan ditangguhkan sehingga masa asas kekal muncul di bulan. Walau bagaimanapun, dalam kes ini penghantaran, pemasangan dan operasi TZHZ akan kos lebih rendah daripada yang sama untuk teleskop biasa. Tetapi ini, tentu saja, adalah perkara masa depan yang sangat jauh.

Sementara itu, nampaknya teknologi ini sebahagian besarnya diremehkan, tetapi pada masa depan keadaan mungkin berubah. Harga astronomi untuk "biasa" teleskop besar menghalang penciptaan alat tersebut, walaupun keperluan untuk cermin besar adalah tinggi. Relatif murah dan mudah untuk menghasilkan, TZHZ besar boleh menjadi alternatif yang baik, terutama untuk tugas yang tidak memerlukan penargetan tepat. Sebagai teleskop sedemikian, misalnya, boleh melakukan pemerhatian rutin rutin serpihan angkasa dengan jangkaan itukira-kiraKebanyakan serpihan akan terbang lebih cepat atau lambat dan akan ditemui.

Optik tambahan boleh digunakan untuk mengembangkan keupayaan TZHZ, dengan mana satu dengan ketara dapat mengembangkan kawasan langit yang tersedia.Arah kedua untuk meningkatkan teleskop cecair adalah untuk mengetahui cara memiringkan mereka. Dengan merkuri, ini mungkin tidak mungkin, tetapi dengan cermin dalam bentuk filem nanopartikel, seperti perak, pada permukaan cecair berputar likat, eksperimen tersebut sedang dijalankan. Walau bagaimanapun, sudah tentu, perlu diingat bahawa semua penambahbaikan sedemikian secara beransur-ansur akan menghalang TZHZ kelebihan utama mereka – kos rendah.

Penulis bersyukur atas bantuan penyediaan artikel Paul Hickson (University of British Columbia, Kanada) dan Jean Surdey (University of Liege, Belgium).


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: