月の液体鏡望遠鏡のしくみ

1993年に修理されて以来、NASAのハッブル宇宙望遠鏡は、最も遠い既知の銀河を垣間見ることを含め、宇宙の眺めで科学者と市民を同様に驚かせてきました。ただし、ハッブルの鏡は直径94.5インチ（約8フィート）と比較的小さく、NASAがより大きく考えるように促している制限があります。 2013年の打ち上げが予定されているジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡は、ハッブルの7倍の集光領域を提供できる20フィートの鏡を誇っています。

しかし、NASAは、より興味深い解決策も検討しています。これは、ガラスではなく液体を主鏡として使用する特殊なタイプの反射望遠鏡です。液体鏡式望遠鏡（LMT）として知られているこの望遠鏡は、ハッブルのように地球の軌道から宇宙を見ることができません。代わりに、それは月の表面から宇宙をのぞき込むでしょう。望遠鏡は幅66フィートから328フィートのどこかにあり、人間に知られている最大の望遠鏡になります。ハッブルの1,736倍の光を集め、宇宙の深部に侵入して、ビッグバンとほぼ同じくらい古い天体を見ることができます。

この記事では、液体鏡式望遠鏡がどのように機能するかを説明します。LMTの構造と機能を確認しますが、月ベースの展開を考慮して行います。世界でどのようにして月に望遠鏡を作るのでしょうか？月にLMTを構築するのはどれほど難しいでしょうか？そして最も重要なことは、月の望遠鏡がどのような機会を提供できるかということです。

­

ビデオギャラリー：望遠鏡

オハイオ州コロンバスの飛行機格納庫では、約80トンの鉄鋼、電子機器、極低温機器がまとまり、巨大な望遠鏡の鏡のささやく薄いコーティングに1オンスのアルミニウムが堆積します。

NASA Brain Bitesのこのビデオを見て、地球から国際宇宙ステーションを見る方法を学びましょう。

1. 液体鏡式望遠鏡とは何ですか？
2. 大天頂望遠鏡
3. 月の液体鏡望遠鏡とは何ですか？
4. 月の液体鏡望遠鏡は何を見ますか？

原則として、LMTは通常の反射望遠鏡と何ら変わりはありません。望遠鏡の完全な説明については、望遠鏡がどのように機能するかを確認してください。これが簡単な要約です。

反射望遠鏡は遠くの物体を見るためにミラーを使用します。一次ミラーは物体からの光を集め、二次ミラーは画像を接眼レンズに焦点を合わせます。従来の反射鏡では、主鏡はガラスをその望ましい形状、通常は放物線に丹念に研磨および研磨することによって作られています。ガラスが準備されると、アルミ化として知られているプロセスそれを反射させます。アルミニウム化とは、真空中でアルミニウムを気化させ、厚さ約100ナノメートルの金属膜をガラス上に堆積させることです。ミラー製造の欠陥は、望遠鏡の性能に影響を与える可能性があります。これがハッブルの問題でした。主鏡のカーブが髪の毛の幅のほんの一部だけずれていたため、光が鏡の中心から反射してぼやけた画像になりました。

液体鏡式望遠鏡は、その名前が示すように、主鏡として、アルミ化ガラスではなく液体を使用します。液体、通常は水銀は、回転皿に注がれます。回転により、水銀に作用する2つの基本的な力（重力と慣性）が発生します。重力は液体の表面を引き下げ、慣性は皿の端で液体を横に引きます。その結果、液体は均一で完全な放物線を形成し、望遠鏡の理想的な反射面になります。何よりも、液体ミラーの表面は、メンテナンスがほとんどまたはまったくなく、滑らかで完璧なままです。液体が乱されると、重力と慣性が液体に作用して元の状態に戻ります。

イタリアの天文学者であるエルネスト・カポッチは、1850年にLMTがどのように機能するかを最初に説明した人物です。彼は、アイザックニュートンなどが行った、液体の回転に関する実験について読んだ後、このアイデアを思いつきました。20世紀初頭、アメリカの物理学者RWウッドは、50年前にカポッチが説明したものを実際に構築しました。ウッドのLMTは、回転皿に置かれた1センチメートルの水銀層を特徴としていました。彼は月を観察することができたが、画像が歪んでいることに気づいた。現代の天文学者は、より薄い水銀層を使用するとLMTの画質が大幅に向上することを学びました。そのため、今日のLMTは1ミリメートルの水銀層を使用しています。

­

液体鏡式望遠鏡の利点

LMTの最大の利点は、比較的低コストであることです。液体望遠鏡は、同じサイズの磨かれたアルミニウム鏡よりもはるかに安価に構築できます。たとえば、大天頂望遠鏡は100万ドルの値札を持っていました。同等のガラス鏡望遠鏡は、構築するのにその100倍の費用がかかります。また、LMTの保守コストは低くなります。これは主に、液体ミラーを洗浄、調整、またはアルミニウム化する必要がないためです。

もちろん、いくつかの欠点があります。水銀は非常に有毒であるため、水銀を使用すると、長期的な健康上のリスクが発生します。それだけでなく、水銀を保持している皿は、液体がこぼれる前にこれまで傾けることができます。これにより、LMTのビューが制限されます。LMTは真上からしか見ることができません。

地球上で最大のLMTは、ブリティッシュコロンビア州の大天頂望遠鏡です。その回転する液体鏡は、直径が約20フィート、重さが3トンで、北米で3番目に大きい望遠鏡になっています。水銀を保持する皿は、シェルを形成するために一緒に接着された六角形のセグメントから製造されています。各ピースには、グラスファイバーで覆われた高密度フォームコアがあります。シェルを凹型にするために、大きなオーブンで加熱します。鏡の縁にある壁は、水銀がこぼれるのを防ぎます。

鋼トラスと19個の調節可能なパッドが一品をサポートしています。トラスは、大天頂望遠鏡専用に設計されたステンレス鋼のエアベアリングによってサポートされています。エアベアリングは、ミラーを回転させるシャフトの周りの潤滑剤として加圧空気の薄膜を使用する特殊なタイプのベアリングです。オイル潤滑剤を使用する通常のベアリングは、振動や不安定な回転を発生させて画質を低下させるため、効果が低くなります。ゼロフリクションソリューションとして、エアベアリングはこれらの問題を排除し、完全に滑らかで振動のない回転をもたらします。内蔵のブラシレスDCモーターがエアベアリングスピンドルを回転させ、毎分約10回転で最大10トンの負荷を回転させることができます。

6本のサポートレッグが主鏡を望遠鏡上部のリングに取り付けます。リングは、検出器と、画像の焦点を合わせるのに役立つ小さな屈折レンズをサポートします。検出器には、光の光子を集めてそれらを画像要素またはピクセルに変換する電荷結合デバイス（CCD）が含まれています。これらのピクセルはコンピューター画面に転送され、つなぎ合わされて画像を形成します。この画像を操作および拡張して、画像の詳細を向上させることができます。コンピュータは望遠鏡の天文台の構造ではなく、近くの建物に収容されています。

大天頂望遠鏡の1つの問題、つまり地球に向かうすべての望遠鏡と共通の問題は、その位置です。高度1,295フィートでも、大気は天国の視界を遮っています。液体鏡式望遠鏡を、紫外線、赤外線、その他のエネルギーを遮断する大気がない月に設置できれば、さらに素晴らしい結果が得られる可能性があります。ただし、次のセクションで説明するように、月にLMTを構築することには独自の課題があります。

月面に設置された液体鏡式望遠鏡は、月面液体鏡式望遠鏡（LLMT）です。月の過酷な気候で液体を維持するためには、選択した液体が適切な特性を備えている必要があることを除けば、前のセクションで説明した大天頂望遠鏡とまったく同じです。融点が-101.966°F（-74.43°C）であるため、水銀は機能しません。月の低温は-243°F（-153°C）に達する可能性があるため、水銀は固化し、主鏡には受け入れられない選択になります。

最近、科学者たちはLLMTを可能にするかもしれない液体のクラスを発見しました。それらはイオン液体として知られており、次の重要な特性を持っています。

最も重要なことは、イオン液体を高い反射率を与える材料でコーティングできることです。有望なイオン液体の1つは1-エチル-3-メチル-

ECOENG212として商業的に知られているミダゾリウムエチルサルフェート。ECOENG 212は銀でコーティングできるため、反射率が高くなります。その反射率は、最初にクロムの膜を堆積し、次に銀の膜を堆積することによってさらに改善することができます。ECOENG 212の凝固点は-144°F（-98°C）ですが、月の厳しい寒さの中で固化する可能性があります。何百万ものイオン液体があることを考えると、科学者は、より良い凝固点プロファイルを持つ別の候補を見つけると確信しています。

また、プライマリミラーをサポートする別の方法を見つける必要があります。大天頂望遠鏡で使用されているエアベアリングは、システムに供給する空気がないため、月では機能しません。 1つの解決策は、超伝導磁気軸受です。このようなベアリングは、磁気浮上式鉄道で使用されているのと同じ技術に基づいており、磁場を使用して車両をガイドウェイの上に浮揚させます。この場合、磁場はスピンドルとそのハウジングの間に摩擦ゼロのクッションを作成します。

もちろん、これらの材料はすべてロケットで月に輸送され、そこで組み立てられる必要があります。それを考慮しても、液体鏡式望遠鏡は、ガラス製の従来の反射望遠鏡よりもはるかに少ない物流上の問題を引き起こします。鏡は液体であるため、水差しに入れて運ばれ、望遠鏡のインフラストラクチャの準備が整うまで保管されます。次に、宇宙飛行士が液体を皿に注ぎ、主鏡を形成します。皿と鏡を支えるために使用されるトラスシステムは、事前に構築してロボットで展開することができ、そのフレームワークは傘が開かれるように展開します。しかし、ロボットを使用する月にLMTを構築するには、機器をかなり小さいままにする必要があります。次のセクションで見るように、天文学者とNASAエンジニアによって構想されたLMTは決して小さいものではありません。

月に設置された液体鏡式望遠鏡は、地上望遠鏡に比べて大きな利点があります。それは、天体の画像に影響を与える大気の歪みがないことです。同じ理由で、より多くの形態の電磁エネルギーを検出することもできます。可視光線と電波を除くほとんどの種類の電磁放射は、地球の大気によって吸収されます。大気がまったくない月では、望遠鏡は、ガンマ線、X線、紫外線、可視光線、赤外線、マイクロ波、電波など、あらゆる範囲の電磁放射にさらされます。

イオン液体を主鏡として使用する望遠鏡は、可視光と赤外線に特に敏感です。これは、地球から急速に遠ざかる宇宙の最も遠い天体を観測するために重要です。ドップラー効果により、スペクトルの長波長の赤外線部分に放射が発生します。

サイズも重要な要素です。月の低重力環境では、大きな構造物を構築する方がはるかに簡単です。LLMTを設計するチームは、幅66フィートから328フィートの主要な液体鏡を構築できると考えています。このような鏡は、ジェイムズウェッブ宇宙望遠鏡を含む次世代の望遠鏡よりも100倍から1,000倍暗い物体を観測することができます。つまり、天文学者はこの機器を使用して、これまで以上に空間と時間を深く覗き込むことができます。初めて、ビッグバン直後の宇宙のごく初期の段階を検出することができ、新しく形成された宇宙がどのように振る舞うかについての理解を深めることができました。

月の液体鏡望遠鏡が現実になるのはいつですか？

現在、LLMTはまだコンセプトです。このプロジェクトは、月面の望遠鏡が天文学をどのようにサポートするかを示す研究のために、NASA先端概念研究所から資金提供を受けています。月は、人間の探査と科学的発見の目的で地球の軌道を超えて外に出る方法を模索するイニシアチブである宇宙探査のビジョンの最初のターゲットであるため、これは重要です。NASAが、月の前哨基地が経済的価値と科学的価値の両方で実用的であることを実証できれば、国民、そして最終的には議会は、適切な財政的支援を喜んで示すかもしれません。

月の液体鏡望遠鏡は、NASAが宇宙探査の実現可能性を証明するのに役立ついくつかのプロジェクトの1つです。それでも、展開できる最も早い時期は2020年です。それまで、天文学者は、地球から天を見る大天頂望遠鏡などの液体鏡式望遠鏡に満足する必要があります。

月の液体鏡望遠鏡の詳細については、次のページのリンクを確認してください。

­ ­­

関連記事

その他のすばらしいリンク

­