วิธีการทำงานของกล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวทางจันทรคติ

นับตั้งแต่ได้รับการซ่อมแซมในปี พ.ศ. 2536 กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิลของNASAได้สร้างความประหลาดใจให้กับนักวิทยาศาสตร์และพลเมืองด้วยมุมมองของเอกภพ ซึ่งรวมถึงกาแล็กซีที่อยู่ไกลที่สุดที่รู้จัก อย่างไรก็ตาม กระจกในฮับเบิลมีขนาดค่อนข้างเล็กที่ความกว้าง 94.5 นิ้ว (เกือบ 8 ฟุต) ซึ่งเป็นข้อจำกัดที่ทำให้ NASA คิดให้ใหญ่ขึ้น กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ซึ่งกำหนดไว้สำหรับการเปิดตัวในปี 2556 จะมีกระจกสูง 20 ฟุตที่สามารถให้แสงมากกว่าพื้นที่เก็บแสงฮับเบิล ถึงเจ็ดเท่า

แต่นาซากำลังพิจารณาวิธีแก้ปัญหาที่น่าสนใจกว่านั้นด้วย นั่นคือกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงชนิดพิเศษที่ใช้ของเหลว ไม่ใช่แก้ว เป็นกระจกหลัก หรือที่เรียกว่ากล้องโทรทรรศน์กระจกเหลว (LMT)จะไม่ดูอวกาศจาก วง โคจรของโลกเหมือนที่ฮับเบิลทำ แต่จะมองเข้าไปในจักรวาลจากพื้นผิวดวงจันทร์แทน กล้องโทรทรรศน์จะมีความกว้างตั้งแต่ 66 ฟุตถึง 328 ฟุต ทำให้เป็นกล้องโทรทรรศน์ที่ใหญ่ที่สุดที่มนุษย์รู้จัก มันจะรวบรวมแสงมากกว่าฮับเบิล 1,736 เท่าและเจาะส่วนลึกของจักรวาลเพื่อดูวัตถุที่อายุเกือบเท่าบิ๊กแบง

บทความนี้จะอธิบายวิธีการทำงานของกล้องโทรทรรศน์กระจกเหลว จะพิจารณาโครงสร้างและหน้าที่ของ LMT แต่จะทำโดยพิจารณาจากการใช้งานบนดวงจันทร์ เราสร้างกล้องโทรทรรศน์บนดวงจันทร์ได้อย่างไร? การสร้าง LMT บนดวงจันทร์ยากแค่ไหน? และที่สำคัญที่สุด กล้องโทรทรรศน์ดวงจันทร์สามารถให้โอกาสอะไรได้บ้าง?

­

คลังวิดีโอ: กล้องโทรทรรศน์

ในโรงเก็บเครื่องบินในโคลัมบัส โอไฮโอ เหล็กกล้า 80 ตัน อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และอุปกรณ์แช่แข็งกำลังจะมารวมกัน และฝากอลูมิเนียมหนึ่งออนซ์ลงในการเคลือบแบบบางกระซิบบน กระจก ของกล้องโทรทรรศน์ขนาดยักษ์

ดูวิดีโอนี้จาก NASA Brain Bites เพื่อเรียนรู้วิธีมองเห็นสถานีอวกาศนานาชาติจาก Earth

สารบัญ

1. กล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวคืออะไร?
2. กล้องโทรทรรศน์ซีนิธขนาดใหญ่
3. กล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวทางจันทรคติคืออะไร?
4. กล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวทางจันทรคติจะเห็นอะไร?

โดยหลักการแล้ว LMT ก็ไม่ต่างจากกล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงทั่วไป ตรวจสอบการทำงานของกล้องโทรทรรศน์เพื่อดูคำอธิบายโดยละเอียดเกี่ยวกับกล้องโทรทรรศน์ นี่คือบทสรุปอย่างรวดเร็ว

กล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสง ใช้ กระจกเพื่อดูวัตถุที่อยู่ห่างไกล กระจกหลักจะรวบรวมแสงจากวัตถุ ในขณะที่กระจกรองจะโฟกัสภาพไปที่เลนส์ใกล้ตา ในแผ่นสะท้อนแสงทั่วไป กระจกหลักจะทำโดยการเจียระไนและขัดกระจกอย่างปราณีตเพื่อให้ได้รูปทรงที่ต้องการ ซึ่งมักจะเป็นกระจกพาราโบลา เมื่อเตรียมแก้วแล้วจะมีกระบวนการที่เรียกว่าอลูมิไนซ์ทำให้มันสะท้อนแสง การทำอะลูมิเนียมเกี่ยวข้องกับการทำให้อะลูมิเนียมกลายเป็นไอในสุญญากาศ ทำให้ฟิล์มโลหะที่มีความหนาประมาณ 100 นาโนเมตรเกาะอยู่บนกระจก ข้อบกพร่องในการผลิตกระจกอาจส่งผลต่อการทำงานของกล้องโทรทรรศน์ นี่คือปัญหาของฮับเบิล: ความโค้งในกระจกหลักนั้นหายไปจากความกว้างเพียงเสี้ยวหนึ่งของเส้นขน ซึ่งทำให้แสงสะท้อนออกจากศูนย์กลางของกระจก ส่งผลให้ภาพเบลอ

กล้องโทรทรรศน์กระจกเหลว ตามชื่อของมัน ใช้ของเหลว ไม่ใช่กระจกอะลูมิเนียม เป็นกระจกหลัก ของเหลวซึ่งมักจะ เป็น ปรอทจะถูกเทลงในจานหมุน การหมุนสร้างแรงพื้นฐานสองอย่างที่ทำกับปรอท นั่นคือแรงโน้มถ่วงและความเฉื่อย แรงโน้มถ่วงดึงลงบนผิวของเหลว ในขณะที่ความเฉื่อยดึงของเหลวไปด้านข้างที่ขอบของจาน เป็นผลให้ของเหลวก่อตัวเป็นพาราโบลาที่สม่ำเสมอและสมบูรณ์แบบ ซึ่งเป็นพื้นผิวสะท้อนแสงในอุดมคติสำหรับกล้องโทรทรรศน์ เหนือสิ่งอื่นใด พื้นผิวกระจกเหลวยังคงเรียบและไร้ที่ติด้วยการบำรุงรักษาเพียงเล็กน้อยหรือไม่มีเลย หากของเหลวถูกรบกวน แรงโน้มถ่วงและความเฉื่อยจะกระทำต่อของเหลวเพื่อให้กลับสู่สถานะเดิม

Ernesto Capocciนักดาราศาสตร์ชาวอิตาลีเป็นคนแรกที่อธิบายว่า LMT อาจทำงานอย่างไรในปี 1850 เขารู้สึกได้ถึงแนวคิดนี้หลังจากอ่านเกี่ยวกับการทดลองที่ดำเนินการโดย Isaac Newton และคนอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับของเหลวที่หมุนได้ ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน RW Wood ได้สร้างสิ่งที่ Capocci อธิบายไว้เมื่อ 50 ปีก่อน LMT ของ Wood มีชั้นปรอท 1 เซนติเมตรวางอยู่ในจานหมุน เขาสามารถสังเกตดวงจันทร์ได้ แต่สังเกตว่าภาพนั้นบิดเบี้ยว นักดาราศาสตร์สมัยใหม่ได้เรียนรู้ว่าคุณภาพของภาพ LMT ดีขึ้นอย่างมากหากใช้ชั้นปรอทที่บางลง ดังนั้น LMT ในปัจจุบันจึงใช้ชั้นปรอทหนึ่งมิลลิเมตร

­

ข้อดีของกล้องโทรทรรศน์กระจกเหลว

ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของ LMT คือต้นทุนที่ค่อนข้างต่ำ กล้องโทรทรรศน์เหลวมีค่าใช้จ่ายในการสร้างน้อยกว่ากระจกอลูมิเนียมขัดเงาที่มีขนาดใกล้เคียงกันมาก ตัวอย่างเช่น Large Zenith Telescope มีราคา 1 ล้านเหรียญ กล้องส่องทางไกลกระจกที่เปรียบเทียบได้จะมีราคาสูงกว่าการสร้างถึง 100 เท่า และค่าบำรุงรักษา LMT ที่ถูกกว่า สาเหตุหลักมาจากกระจกเหลวไม่จำเป็นต้องทำความสะอาด ปรับแต่ง หรือทำเป็นอะลูมิเนียม

แน่นอนว่ายังมีข้อเสียอยู่บ้าง ปรอทเป็นพิษอย่างยิ่ง ดังนั้นการทำงานกับปรอทจึงมีความเสี่ยงต่อสุขภาพในระยะยาว ไม่เพียงเท่านั้น จานที่มีสารปรอทสามารถเอียงได้ก่อนที่ของเหลวจะหกออกมาเท่านั้น ซึ่งจะจำกัดมุมมองของ LMT ซึ่งสามารถมองตรงๆ ได้เท่านั้น

LMT ที่ใหญ่ที่สุดในโลกคือLarge Zenith Telescopeในบริติชโคลัมเบีย กระจกเหลวหมุนได้กว้างเกือบ 20 ฟุตและหนัก 3 ตัน ทำให้เป็นกล้องโทรทรรศน์ ที่ใหญ่เป็นอันดับสาม ในอเมริกาเหนือ จานที่เก็บปรอทถูกประดิษฐ์จากส่วนหกเหลี่ยมติดกาวเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเปลือก แต่ละชิ้นมีแกนโฟมความหนาแน่นสูงหุ้มด้วยไฟเบอร์กลาส เพื่อให้เปลือกมีรูปร่างเว้า มันถูกให้ความร้อนในเตาอบขนาดใหญ่ ผนังที่ขอบกระจกช่วยป้องกันปรอทไม่ให้หกเลอะเทอะ

โครงเหล็กและแผ่นรองปรับได้ 19 ชิ้นรองรับจาน ในทางกลับกัน โครงถักได้รับการสนับสนุนโดยลูกปืนอากาศ สแตนเลสที่ ออกแบบมาสำหรับกล้องโทรทรรศน์ซีนิธขนาดใหญ่เท่านั้น ตลับลูกปืนลมเป็นตลับลูกปืนชนิดพิเศษที่ใช้ฟิล์มบางของอากาศอัดแรงดันเป็นสารหล่อลื่นรอบเพลาที่หมุนกระจก ตลับลูกปืนธรรมดาที่ใช้น้ำมันหล่อลื่นจะมีประสิทธิภาพน้อยกว่า เนื่องจากมีการสั่นสะเทือนและการหมุนที่ไม่เสถียรซึ่งส่งผลให้คุณภาพของภาพลดลง ตลับลูกปืนลมช่วยขจัดปัญหาเหล่านี้ได้ ส่งผลให้การหมุนเป็นไปอย่างราบรื่นไร้การสั่นสะเทือน มอเตอร์ DC แบบไม่มีแปรงใน ตัว จะเปลี่ยนแกนหมุนของตลับลูกปืนอากาศและสามารถหมุนน้ำหนักได้มากถึง 10 ตันที่ประมาณ 10 รอบต่อนาที

ขารองรับหกขาติดกระจกหลักเข้ากับวงแหวนที่ด้านบนของกล้องโทรทรรศน์ วงแหวนรองรับเครื่องตรวจจับและเลนส์หักเหแสงที่เล็กกว่าที่ช่วยโฟกัสภาพ เครื่องตรวจจับมีอุปกรณ์ชาร์จคู่ (CCD) ซึ่งรวบรวมโฟตอนของแสงและแปลงเป็นองค์ประกอบภาพหรือพิกเซล พิกเซลเหล่านี้จะถูกถ่ายโอนไปยังหน้าจอคอมพิวเตอร์และประกอบเข้าด้วยกันเพื่อสร้างภาพที่สามารถจัดการและปรับปรุงเพื่อปรับปรุงรายละเอียดของภาพ คอมพิวเตอร์ไม่ได้อยู่ในโครงสร้างหอดูดาวของกล้องโทรทรรศน์ แต่อยู่ในอาคารใกล้เคียง

ปัญหาเดียวของกล้องโทรทรรศน์ซีนิธขนาดใหญ่ ซึ่งเป็นปัญหาร่วมกับกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินทั้งหมด คือตำแหน่งของมัน ที่ระดับความสูง 1,295 ฟุต บรรยากาศยังคงบังทัศนวิสัยของท้องฟ้า หากวางกล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวไว้บนดวงจันทร์ ซึ่งไม่มีชั้นบรรยากาศใดๆ ขวางกั้นรังสีอัลตราไวโอเลต อินฟราเรด และพลังงานรูปแบบอื่นๆ ได้ ก็จะสามารถให้ผลลัพธ์ที่งดงามยิ่งขึ้นไปอีก แต่ดังที่เราจะเห็นในหัวข้อถัดไป การสร้าง LMT บนดวงจันทร์แสดงถึงความท้าทายในตัวเอง

กล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวที่สร้างขึ้นบนพื้นผิวของดวงจันทร์คือกล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวบนดวงจันทร์ (LLMT ) มันไม่ต่างจาก Large Zenith Telescope ที่อธิบายไว้ในส่วนสุดท้าย ยกเว้นว่าของเหลวที่เลือกต้องมีคุณสมบัติที่เหมาะสมเท่านั้น หากจะยังคงเป็นของเหลวในสภาพอากาศที่รุนแรงของดวงจันทร์ ปรอทไม่ทำงานเพราะจุดเยือกแข็งอยู่ที่ -101.966° F (-74.43° C) อุณหภูมิต่ำบนดวงจันทร์สามารถสูงถึง -243° F (-153° C) ดังนั้นปรอทจึงแข็งตัว ทำให้เป็นตัวเลือกที่ยอมรับไม่ได้สำหรับกระจกหลัก

เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบประเภทของของเหลวที่อาจทำให้ LLMT เป็นไปได้ พวกเขาเรียกว่าของเหลวไอออนิกและมีคุณสมบัติที่สำคัญเหล่านี้:

สิ่งสำคัญที่สุดคือ ของเหลวไอออนิกสามารถเคลือบด้วยวัสดุที่ให้การสะท้อนแสงสูงได้ ของเหลวไอออนิกหนึ่งชนิดที่แสดงสัญญาคือ 1-เอทิล-3-เมทิลไล-

midazolium ethylsulphate หรือที่รู้จักในเชิงพาณิชย์ว่าECOENG 212 ECOENG 212 สามารถเคลือบสีเงินได้ ทำให้สะท้อนแสงได้ดี สามารถปรับปรุงการสะท้อนแสงได้มากขึ้นโดยการเคลือบฟิล์มโครเมียมก่อน ตามด้วยสีเงิน ECOENG 212 มีจุดเยือกแข็งที่ -144° F (-98° C) อย่างไรก็ตาม ดังนั้นจึงยังสามารถแข็งตัวได้ในอุณหภูมิที่เย็นยะเยือกของดวงจันทร์ เนื่องจากมีของเหลวไอออนิกอยู่หลายล้านชนิด นักวิทยาศาสตร์จึงรู้สึกมั่นใจว่าพวกเขาจะพบผู้สมัครรายอื่นที่มีโปรไฟล์จุดเยือกแข็งที่ดีกว่า

พวกเขาจะต้องหาวิธีอื่นเพื่อรองรับมิเรอร์หลัก แบริ่งอากาศที่ใช้ในกล้องโทรทรรศน์ซีนิธขนาดใหญ่จะไม่ทำงานบนดวงจันทร์เพราะไม่มีอากาศป้อนเข้าสู่ระบบ ทางออกหนึ่งคือตลับลูกปืนแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวด ตลับลูกปืนดังกล่าวใช้เทคโนโลยีเดียวกับที่ใช้ใน รถยนต์ แม็ กเล ฟ ซึ่งใช้สนามแม่เหล็กเพื่อทำให้ยานพาหนะลอยอยู่เหนือไกด์เวย์ ในกรณีนี้ สนามแม่เหล็กจะสร้างการรองรับแรงเสียดทานเป็นศูนย์ระหว่างสปินเดิลกับตัวเรือน

แน่นอนว่าวัสดุทั้งหมดเหล่านี้จะต้องถูกส่งโดยจรวดไปยังดวงจันทร์และประกอบขึ้นที่นั่น แม้จะนำมาพิจารณาด้วยกล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวก็ยังมีปัญหาด้านลอจิสติกส์น้อยกว่ากล้องโทรทรรศน์สะท้อนแสงแบบธรรมดาที่ทำจากแก้ว กระจกเพราะเป็นของเหลวจึงจะถูกใส่ลงในเหยือกและเก็บไว้จนกว่าโครงสร้างพื้นฐานของกล้องโทรทรรศน์จะพร้อม จากนั้นนักบินอวกาศจะเทของเหลวลงในจานเพื่อสร้างกระจกหลัก ระบบโครงถักที่ใช้เพื่อรองรับจานและกระจกสามารถสร้างล่วงหน้าและปรับใช้หุ่นยนต์ได้ โครงสร้างของมันแผ่ออกราวกับร่มที่ถูกเปิดออก แต่ใช้หุ่นยนต์ในการสร้าง LMT บนดวงจันทร์จะต้องใช้เครื่องมือที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก ดังที่เราจะเห็นในหัวข้อถัดไป LMT ที่นักดาราศาสตร์และวิศวกรของ NASA จินตนาการไว้นั้นเป็นเพียงสิ่งเล็กน้อย

กล้องส่องทางไกลแบบกระจกเหลวที่วางอยู่บนดวงจันทร์ในทันทีมีข้อได้เปรียบเหนือกล้องโทรทรรศน์ที่ลอยลงสู่พื้น โดยปราศจากการบิดเบือนของบรรยากาศซึ่งส่งผลต่อภาพบนท้องฟ้า ด้วยเหตุผลเดียวกัน จึงสามารถตรวจจับรูปแบบพลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า ได้มากขึ้น รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าส่วนใหญ่ ยกเว้นแสงที่ มองเห็น และคลื่นวิทยุ ถูกดูดกลืนโดย ชั้น บรรยากาศของโลก บนดวงจันทร์ซึ่งไม่มีบรรยากาศเลย กล้องโทรทรรศน์จะได้รับรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าแบบเต็มสเปกตรัม ทั้งรังสีแกมมา รังสีเอกซ์แสงอัลตราไวโอเลต แสงที่มองเห็น รังสีอินฟราเรดไมโครเวฟและคลื่นวิทยุ

กล้องโทรทรรศน์ที่ใช้ของเหลวไอออนิกเป็นกระจกหลักจะไวต่อแสงที่มองเห็นและรังสีอินฟราเรดเป็นพิเศษ นี่จะเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการสังเกตวัตถุที่อยู่ห่างไกลที่สุดของจักรวาล ซึ่งกำลังเคลื่อนตัวออกจากโลกอย่างรวดเร็ว เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ทำให้พวกเขาสร้างรังสีในส่วนอินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าของสเปกตรัม

ขนาดยังเป็นปัจจัยสำคัญ ในสภาพแวดล้อมที่มี แรงโน้มถ่วงต่ำของดวงจันทร์ การสร้างโครงสร้างขนาดใหญ่ทำได้ง่ายกว่ามาก ทีมออกแบบ LLMT เชื่อว่าสามารถสร้างกระจกเหลวหลักที่มีความกว้าง 66 ฟุตถึง 328 ฟุต กระจกดังกล่าวจะสามารถสังเกตวัตถุที่จางกว่ากล้องโทรทรรศน์รุ่นต่อไปได้ 100 ถึง 1,000 เท่า ซึ่งรวมถึงกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ด้วย นั่นหมายความว่านักดาราศาสตร์สามารถใช้เครื่องมือนี้เพื่อมองลึกเข้าไปในอวกาศและเวลาได้มากกว่าที่เคยเป็นมา นับเป็นครั้งแรกที่เราสามารถตรวจจับระยะเริ่มต้นของจักรวาลหลังบิ๊กแบง ทำให้เราเข้าใจมากขึ้นว่าเอกภพที่ก่อตัวขึ้นใหม่มีพฤติกรรมอย่างไร

เมื่อใดที่กล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวจากดวงจันทร์จะกลายเป็นความจริง

ตอนนี้ LLMT ยังคงเป็นแนวคิด โครงการนี้ได้รับทุนจากสถาบัน NASA สำหรับแนวคิดขั้นสูงสำหรับการศึกษาเพื่อแสดงให้เห็นว่ากล้องโทรทรรศน์บนดวงจันทร์อาจสนับสนุนดาราศาสตร์ได้อย่างไร สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากดวงจันทร์เป็นเป้าหมายแรกใน Vision for Space Exploration ซึ่งเป็นความคิดริเริ่มที่แสวงหาวิธีที่จะออกไปนอกวงโคจรของโลกเพื่อจุดประสงค์ในการสำรวจและค้นพบทางวิทยาศาสตร์ของมนุษย์ หากนาซ่าสามารถแสดงให้เห็นว่าด่านหน้าดวงจันทร์นั้นสามารถนำไปใช้ได้จริง ทั้งในแง่เศรษฐกิจและวิทยาศาสตร์ สาธารณชนและในท้ายที่สุดสภาคองเกรสก็ยินดีที่จะแสดงการสนับสนุนทางการเงินที่เหมาะสม

กล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวบนดวงจันทร์เป็นหนึ่งในหลายโครงการที่จะช่วยให้ NASA พิสูจน์ความเป็นไปได้ของการสำรวจอวกาศ ถึงกระนั้น เร็วที่สุดที่มันสามารถนำไปใช้ได้คือปี 2020 ก่อนหน้านั้น นักดาราศาสตร์จะต้องพอใจกับกล้องโทรทรรศน์กระจกเหลว เช่น กล้องโทรทรรศน์ใหญ่ซีนิธที่มองท้องฟ้าจากพื้นโลก

หากต้องการข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับกล้องโทรทรรศน์กระจกเหลวบนดวงจันทร์ โปรดดูลิงก์ในหน้าถัดไป

­ ­­

บทความที่เกี่ยวข้อง

ลิงค์ที่ยอดเยี่ยมเพิ่มเติม

 

­