Bildkredit: University of Arizona
För över 30 år sedan kom Dr. Roger Angel till University of Arizona, dragen av de gynnsamma förutsättningarna för astronomiska observationer i området Tucson, Arizona: flera teleskop är bekvämt i närheten, och naturligtvis är vädret underbart tempererat. Men nu föreslår Angel att bygga ett teleskop på ett läge som är något mer avlägsnat och inte riktigt så skumt: en polar krater på månen.
Angel är känt för sina innovationer inom lättvikta teleskopspeglar och adaptiv optik och leder nu ett team av forskare från USA och Kanada som undersöker genomförbarheten att bygga ett Deep-Field Infrared Observatory nära en av månpolerna med ett Liquid Mirror Telescope (LMT ).
Detta koncept är ett av 12 förslag som började få finansiering i oktober förra året från NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC). Var och en får 75 000 dollar för sex månaders forskning för att göra inledande studier och identifiera utmaningar i utvecklingen. Projekt som gör det genom den första fasen är berättigade till så mycket som $ 400.000 mer under två år.
LMT tillverkas genom att snurra en reflekterande vätska, vanligtvis kvicksilver, på en skålformad plattform för att bilda en parabolisk yta, perfekt för astronomisk optik. Isaac Newton föreslog ursprungligen teorin, men tekniken för att faktiskt skapa en sådan enhet framgångsrikt har nyligen utvecklats. Bara en handfull LMT används idag, inklusive en 6-meters LMT i Vancouver, Kanada, och en 3-metersversion som NASA använder för sitt Orbital Debris Observatory i New Mexico.
På jorden är LMT: er begränsade i storlek till cirka 6 meter i diameter eftersom den självgenererade vinden som kommer från att snurra teleskopet stör ytan. LMT: er, som andra jordbaserade teleskoper, utsattes för atmosfärisk absorption och distorsion, vilket kraftigt reducerar intervallet och känsligheten för infraröd observation. Men den atmosfärfria månen, säger Angel, ger det perfekta läget för denna typ av teleskop samtidigt som den tillhandahåller den tyngdkraft som behövs för att bilda den parabolspegeln.
Potentialen hos en LMT på månen är att göra ett mycket stort teleskop. Som referens har Hubble Space Telescope en spegel på 2,4 meter, och James Webb Space Telescope (JWST) som utvecklas för lansering 2011 kommer att ha en 6 meter spegel. Konceptet för Angel's NIAC-förslag är en 20 meter spegel, men med den forskning som teamet har gjort hittills ser de nu på att skapa mycket stora speglar, med 100 meter som det stora alternativet. De överväger också mindre LMT: er. "Vi kan uppenbarligen inte gå till månen och göra en 100 meter spegel till det första," sade Angel. "Vi tittar på en sekvens av skalstorlekar på 2 meter, 20 meter och 100 meter och tittar på vad potentialen är för var och en." Angel tror att det 2 meter långa teleskopet skulle kunna tillverkas utan någon mänsklig närvaro på månen och ställas in som ett robot teleskop, precis som de vetenskapliga instrumenten på Mars-roverna fungerar nu.
Begränsningen av en flytande spegel är att den bara pekar rakt upp, så att den inte är som ett standardteleskop som kan pekas i någon riktning och spåra objekt på himlen. Det ser bara på det himmelområde som är direkt ovanför.
Så, det vetenskapliga målet för en LMT är att inte titta över hela himlen utan att ta ett område av rymden och titta på det intensivt. Denna typ av astronomi har varit mycket "lönsam", som Angel beskrev det, när det gäller den rikedom av information som har samlats in. Några av de mest produktiva vetenskapliga insatserna från Hubble Space Telescope har varit dess "Deep Field" -fotografier.
För att kunna titta på bara ett område i rymden hela tiden får Angel och hans team att titta till en av månpolerna för det bästa läget för detta teleskop. Precis som vid jordens poler ger alltid rakt upp från månen på polen samma extragalaktiska synfält. "Om vi åker till månens norra eller södra pol, kommer vi att föreställa oss en himmellapp hela tiden, så att du kan göra en extremt djup integration, mycket djupare än Hubble Deep Field." Kombinera det med en stor bländare, och detta teleskop skulle ge ett observationsdjup som skulle vara oöverträffat med något teleskop på jorden eller i rymden. "Det är den här nischen eller den speciella styrkan hos detta teleskop," sade Angel.
En annan uppsida av flytande speglar är att de är mycket billiga jämfört med processen att göra en standardspegel genom att skapa, polera och testa ett stort styvt glasstycke eller skapa mindre bitar som måste poleras, testas och sedan sammanfogas mycket exakt. LMT: er behöver inte dyra fästen, support, spårningssystem eller en kupol.
"Den totala kostnaden för James Webb-teleskopet förväntas överstiga en miljard dollar, med prislappen i spegeln ensam cirka en fjärdedel av en miljon dollar," sade Angel. ”Den spegeln är 6 meter, så om vi skalar den tekniken till ännu större speglar i rymden kommer vi så småningom att bryta banken, och vi kommer inte att ha råd med dem med den nuvarande tekniken att göra den polerade spegeln och att få det upp till rymden. ”
Trots att 2-meters teleskopet skulle vara en prototyp, skulle det fortfarande vara astronomiskt värdefullt. "Vi kunde göra saker som är kostnadsfria med Spitzer Space Telescope och Webb Telescope, eftersom 2 meter teleskopet på månen skulle fylla territoriet mellan dessa två teleskop." En spegel på 20 meter skulle ge upplösning 3 gånger större än JWST, och genom att integrera eller lämna "slutaren" öppen under långa perioder, som ett år, kan objekt som är 100 gånger svagare ses. En 100 meter spegel skulle ge data som är utanför listorna.
En av utmaningarna i att utveckla en LMT på månen är att skapa lager för att snurra plattformen smidigt och med konstant hastighet. Luftlager används för LMT på jorden, men utan luft på månen är det omöjligt. Angel och hans team tittar på kryogena levitationlager, liknande vad som används för magnetiska levitationståg för att få en friktionsfri rörelse med hjälp av ett magnetfält. Angel tillade: ”Som en bonus, med de låga temperaturerna på månen kan du göra det utan att spendera någon energi eftersom du kan göra en superledande magnet som gör att du kan göra en levitation lager som inte kräver en kontinuerlig inmatning av elektrisk kraft. ”
Angel kallade lagren en kritisk del av teleskopet. "Med ingen luft på månen för att skapa vind, finns det ingen gräns för storlek eller att nå den noggrannhet som du behöver så länge lagret är okej," sade Angel.
En utveckling av projektet sedan mottagandet av NIAC-finansieringen är platsen för teleskopet. I det ursprungliga förslaget gynnade Angel's team månens sydpol i kratten Shackleton. Men nordpolen erbjuder faktiskt ett bättre synfält för extragalaktisk observation, insåg de, och Angel väntar på uppgifter från Europeiska rymdorganisationens SMART-1 månbana som nyligen började undersöka månens polära regioner.
"I de polära regionerna finns det några kratrar där solen aldrig tänds och aldrig värmer marken," sade Angel. ”Det är extremt kallt där, inte så långt över absolut noll. I stället för att bygga teleskopet under sådana fientliga förhållanden, skulle vi försöka bygga teleskopet på en topp av någon av polerna, där det skulle vara solsken nästan kontinuerligt. Detta skulle ge solenergi och förhållandena skulle vara bättre för människorna som bor där. Allt du behöver göra är att placera en cylindrisk Mylar-skärm runt teleskopet för att förhindra att solen någonsin träffar den och den kommer att svalna precis som i kraterns botten. ”
Med infraröd observation är ett kallt teleskop viktigt för att kunna se kallare och svagare föremål i rymden. Att ha teleskopet på nästan absolut noll (0 grader Kelvin, -273 C, -460 F) skulle vara perfekt. Eftersom kvicksilver fryser vid dessa temperaturer är en annan utmaning för projektet att hitta rätt vätska att spinna för spegeln. Några av kandidaterna är etan, metan och andra små kolväten, som vätskor som hittades på Titan av Huygens-sonden, som landade på Saturns största måne den 14 januari.
"Men dessa vätskor är inte blanka, så du måste ta reda på hur man lägger en blank metall som aluminium direkt på vätskans yta," sade Angel. ”Normalt när vi gör ett astronomiskt teleskop gör vi speglarna ur glas, vilket inte reflekterar mycket och sedan förångar du aluminium eller silver på glaset. På månen måste vi avdunka metallen till vätskan snarare än glaset. ”
Det är ett av de viktigaste forskningsområdena under NIAC-utmärkelsen. I de första studierna har Angel's team kunnat avdunka en metall till en vätska, även om den ännu inte är vid de kalla temperaturerna som krävs. Men de uppmuntras av resultaten hittills.
Angel's team är atypiskt för ett NIAC-projekt eftersom det är ett internationellt samarbete och NIAC finansierar inte internationella partners. "Det händer att världens experter på att göra snurrande flytande spegelteleskop är alla i Kanada, så det var mycket viktigt att om vi funderar på att göra det på månen att vi tar in dem," sade Angel. "Lyckligtvis har de kommit in på sin egen biljett, så att säga, och är glada över projektet."
De kanadensiska medlemmarna i teamet är Emanno Borra, från Laval University i Quebec, som har forskat och byggt LMT sedan början av 1980-talet, och Paul Hickson, från University of British Columbia, som med Borras hjälp byggde 6 meter LMT i Vancouver. Bland andra kollaboratörer ingår Ki Ma vid University of Texas i Houston som är expert på kryogena lager, Warren Davison från University of Arizona som är en maskintekniker inom teleskop och doktorand Suresh Sivanandam.
NIAC skapades 1998 för att uppmana revolutionära koncept från människor och organisationer utanför rymdbyrån som kunde främja NASA: s uppdrag. De vinnande koncepten väljs för att de "pressar gränserna för känd vetenskap och teknik" och "visar relevans för NASA-uppdraget", enligt NASA. Dessa koncept förväntas ta minst ett decennium att utvecklas.
Angel säger att det är en stor möjlighet att få NIAC-utmärkelsen. ”Vi kommer utan tvekan att skriva ett förslag till fas II (av NIAC-finansieringen),” sade han. ”Vi har under fas I identifierat vad som är några av de mest kritiska frågorna i detta projekt och vilka praktiska åtgärder vi bör ta nu. Vi har öppnat några frågor och det finns några enkla tester vi kan göra för att se om det finns några showstoppare eller inte. "
Det största hinderet för att göra Lunar Infrared Observatory till verklighet är troligen helt ur Angel's händer. "Månen är en mycket intressant plats att göra vetenskap," sade Angel. "Det är dock beroende av ett väsentligt åtagande av resurser från NASA att återvända till månen." Visst, för att bygga de stora 20 eller 100 meter teleskopen måste det vara en bemannad närvaro på månen. "Så," fortsatte Angel, "genom att hissa din vetenskap i den riktningen blir du svansen till en mycket stor hund som du absolut inte har någon kontroll över?"
Angel hoppas att NASA och USA kan behålla momentumet för Vision for Space Exploration och återvända till månen. "Jag tror i slutändan att flytta ut i rymden är något som människor har en lust att göra och kommer att göra någon gång," sade Angel. ”När det händer är det viktigt att ha intressanta saker att göra när vi kommer dit. Vi måste veta varför vi lämnade ytan på denna planet för att gå till månen. Vi utforskar, ja, men vi kan utforska inte bara månen utan också använda det som en plats att göra vetenskaplig forskning bortom månen. Jag tror att det är något som i den stora bilden borde hända. "
Nancy Atkinson är frilansförfattare och NASA Solar System Ambassador. Hon bor i Illinois.
