Tín dụng hình ảnh: Đại học Arizona
Hơn 30 năm trước, Tiến sĩ Roger Angel đã đến Đại học Arizona, do điều kiện thuận lợi để quan sát thiên văn ở khu vực Tucson, Arizona: một số kính viễn vọng thuận tiện ở gần đó, và dĩ nhiên, thời tiết rất ôn hòa. Nhưng bây giờ, Angel đề xuất xây dựng một kính viễn vọng ở một địa điểm xa hơn một chút và không hoàn toàn quá cân bằng: một miệng núi lửa trên mặt trăng.
Được biết đến với sự đổi mới của mình trong gương kính viễn vọng hạng nhẹ và quang học thích nghi, Angel hiện dẫn đầu một nhóm các nhà khoa học từ Mỹ và Canada đang khám phá tính khả thi của việc xây dựng Đài quan sát hồng ngoại trường sâu gần một trong các cực mặt trăng bằng Kính viễn vọng gương lỏng (LMT) ).
Khái niệm này là một trong 12 đề xuất bắt đầu nhận được tài trợ vào tháng 10 năm ngoái từ Viện khái niệm nâng cao (NIAC) của NASA. Mỗi người nhận được 75.000 đô la trong sáu tháng nghiên cứu để thực hiện các nghiên cứu ban đầu và xác định các thách thức trong phát triển. Các dự án vượt qua giai đoạn đầu tiên đủ điều kiện nhận được hơn 400.000 đô la trong hai năm.
LMT được tạo ra bằng cách quay một chất lỏng phản chiếu, thường là thủy ngân, trên nền hình bát để tạo thành bề mặt parabol, hoàn hảo cho quang học thiên văn. Isaac Newton ban đầu đề xuất lý thuyết, nhưng công nghệ thực sự tạo ra một thiết bị như vậy thành công chỉ mới được phát triển gần đây. Chỉ một số ít LMT đang được sử dụng ngày hôm nay, bao gồm LMT 6 mét ở Vancouver, Canada và phiên bản 3 mét mà NASA sử dụng cho Đài quan sát mảnh vỡ quỹ đạo ở New Mexico.
Trên trái đất, LMT bị giới hạn kích thước với đường kính khoảng 6 mét do gió tự tạo ra từ việc quay kính viễn vọng làm nhiễu loạn bề mặt. Ngoài ra, giống như các kính thiên văn dựa trên Trái đất khác, LMT có thể bị hấp thụ và biến dạng khí quyển, làm giảm đáng kể phạm vi và độ nhạy của việc quan sát hồng ngoại. Nhưng mặt trăng không có bầu khí quyển, Angel nói, cung cấp vị trí hoàn hảo cho loại kính thiên văn này trong khi cung cấp lực hấp dẫn cần thiết cho gương parabol hình thành.
Tiềm năng của một LMT trên mặt trăng là chế tạo một kính thiên văn rất lớn. Để tham khảo, Kính thiên văn vũ trụ Hubble có gương 2,4 mét và Kính thiên văn không gian James Webb (JWST) đang được phát triển để phóng vào năm 2011 sẽ có gương 6 mét. Ý tưởng cho đề xuất Angel Angel NIAC là một chiếc gương 20 mét, nhưng với nghiên cứu mà nhóm đã thực hiện cho đến nay, họ đang xem xét việc tạo ra những chiếc gương rất lớn, với 100 mét là lựa chọn cuối cùng. Họ đang xem xét các LMT nhỏ hơn là tốt. Càng rõ ràng, chúng tôi có thể đi lên mặt trăng và làm một tấm gương 100 mét, điều đầu tiên, Angel Angel nói. Càng chúng tôi nhìn vào một chuỗi các kích cỡ quy mô 2 mét, 20 mét và 100 mét, và đang xem xét tiềm năng của mỗi người là gì. Angel tin rằng kính viễn vọng 2 mét có thể được chế tạo mà không có sự hiện diện của con người trên mặt trăng và được thiết lập như một kính viễn vọng robot, giống như các thiết bị khoa học trên máy bay sao Hỏa đang hoạt động.
Hạn chế của gương lỏng là nó chỉ hướng thẳng lên, do đó, nó không giống như một kính viễn vọng tiêu chuẩn có thể được chỉ theo bất kỳ hướng nào và theo dõi các vật thể trên bầu trời. Nó chỉ nhìn vào khu vực bầu trời trực tiếp trên cao.
Vì vậy, mục tiêu khoa học cho một LMT là không nhìn lên toàn bộ bầu trời, mà là chiếm một diện tích không gian và nhìn vào nó một cách mãnh liệt. Kiểu thiên văn học này đã mang lại lợi nhuận rất cao, như Angel đã mô tả, về sự giàu có của thông tin được thu thập. Một số nỗ lực khoa học hiệu quả nhất từ Kính viễn vọng Không gian Hubble là các bức ảnh của Deep Deep Field.
Để có thể chỉ nhìn vào một khu vực không gian, điều đó khiến Angel và nhóm của anh phải tìm đến một trong những cực mặt trăng để tìm vị trí tốt nhất cho kính viễn vọng này. Như tại các cực Trái đất, nhìn thẳng lên từ các cực trên mặt trăng luôn cung cấp cùng một trường nhìn ngoài vũ trụ. Nếu chúng ta đi đến Bắc hoặc Nam Cực của mặt trăng, chúng ta sẽ hình ảnh một mảng bầu trời mọi lúc, và do đó cho phép bạn thực hiện một sự tích hợp cực kỳ sâu sắc, sâu hơn nhiều so với Trường sâu Hubble. Kết hợp điều đó với khẩu độ lớn và kính thiên văn này sẽ cung cấp độ sâu quan sát không thể so sánh với bất kỳ kính viễn vọng nào trên Trái đất hoặc trong không gian. Đây là điểm thích hợp hay sức mạnh đặc biệt của kính thiên văn này, Angel Angel nói.
Một nhược điểm khác của gương lỏng là chúng rất rẻ so với quy trình chế tạo gương tiêu chuẩn bằng cách tạo, đánh bóng và thử một miếng kính lớn, cứng hoặc tạo ra các mảnh nhỏ hơn phải được đánh bóng, thử nghiệm và sau đó ghép lại với nhau chính xác Ngoài ra, LMT don don cần gắn kết đắt tiền, hỗ trợ, hệ thống theo dõi hoặc mái vòm.
Tổng chi phí của Kính thiên văn James Webb dự kiến sẽ vượt quá một tỷ đô la, với giá trên gương một mình khoảng một phần tư triệu đô la, Angel Angel nói. Gương đó dài 6 mét, vì vậy nếu chúng ta mở rộng công nghệ đó thành những chiếc gương lớn hơn trong không gian, cuối cùng chúng ta sẽ phá vỡ ngân hàng, và chúng ta sẽ không thể mua được chúng bằng công nghệ hiện tại là chế tạo gương đánh bóng và đưa nó lên không gian.
Mặc dù kính viễn vọng 2 mét sẽ là một nguyên mẫu, nó vẫn có giá trị về mặt thiên văn. Chúng tôi có thể làm những việc miễn phí với Kính viễn vọng Không gian Spitzer và Kính viễn vọng Webb, vì kính viễn vọng 2 mét trên mặt trăng sẽ lấp đầy lãnh thổ ở giữa hai kính viễn vọng đó. Một chiếc gương 20 mét sẽ cung cấp độ phân giải lớn hơn 3 lần so với JWST, và bằng cách tích hợp, hoặc để màn trập của màn hình mở trong thời gian dài, như một năm, có thể xem các vật thể mờ hơn 100 lần. Một chiếc gương 100 mét sẽ cung cấp dữ liệu ngoài bảng xếp hạng.
Một trong những thách thức trong việc phát triển LMT trên mặt trăng là tạo ra các vòng bi để quay nền tảng trơn tru và với tốc độ không đổi. Vòng bi không khí được sử dụng cho LMT trên Trái đất, nhưng không có không khí trên mặt trăng, điều đó là không thể. Angel và nhóm của ông đang xem xét các vòng bi bay lên, tương tự như những gì được sử dụng cho các chuyến tàu bay từ trường để có được một chuyển động không ma sát bằng cách sử dụng một từ trường. Thiên thần nói thêm, Như một phần thưởng, với nhiệt độ thấp trên mặt trăng, bạn có thể làm điều đó mà không tốn bất kỳ năng lượng nào vì bạn có thể tạo ra một nam châm siêu dẫn cho phép bạn tạo ra một ổ trục không cần nguồn điện liên tục. Giáo dục
Angel gọi vòng bi là một thành phần quan trọng của kính thiên văn. Không có không khí trên mặt trăng để tạo ra gió, không có giới hạn về kích thước hoặc đạt đến độ chính xác mà bạn yêu cầu miễn là ổ đỡ ổn, ông Angel Angel nói.
Một sự phát triển của dự án kể từ khi nhận được tài trợ của NIAC là vị trí của kính viễn vọng. Trong đề xuất ban đầu, đội Angel Angel ủng hộ cực nam của mặt trăng trong miệng núi lửa Shackleton. Nhưng cực bắc thực sự mang đến một tầm nhìn tốt hơn cho việc quan sát ngoài vũ trụ, họ nhận ra và Angel đang chờ dữ liệu từ quỹ đạo mặt trăng của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu SMART-1 gần đây đã bắt đầu khảo sát các vùng cực của mặt trăng.
Hồi ở vùng cực có một số miệng hố nơi mặt trời không bao giờ chiếu sáng và không bao giờ làm nóng mặt đất, ông Angel Angel nói. Ở đây cực kỳ lạnh, không quá xa so với độ không tuyệt đối. Thay vì chế tạo kính viễn vọng trong điều kiện thù địch như vậy, chúng tôi sẽ cố gắng chế tạo kính viễn vọng trên đỉnh của một trong hai cực, nơi sẽ có ánh nắng mặt trời gần như liên tục. Điều này sẽ cung cấp năng lượng mặt trời và các điều kiện sẽ tốt hơn cho những người sống ở đó. Tất cả những gì bạn phải làm là đặt một màn hình Mylar hình trụ xung quanh kính viễn vọng để ngăn ánh nắng mặt trời chiếu vào và nó sẽ nguội đi giống như ở dưới đáy các miệng hố.
Với việc quan sát hồng ngoại, một kính viễn vọng lạnh là rất quan trọng để có thể nhìn thấy các vật thể lạnh hơn và mờ hơn trong không gian. Có kính thiên văn ở gần độ không tuyệt đối (0 độ Kelvin, -273 C, -460 F) sẽ là lý tưởng. Vì thủy ngân sẽ đóng băng ở những nhiệt độ đó, một thách thức khác cho dự án là tìm ra chất lỏng phù hợp để quay cho gương. Một số ứng cử viên là ethane, metan và các hydrocacbon nhỏ khác, như chất lỏng được tìm thấy trên Titan bởi tàu thăm dò Huygens, đã hạ cánh trên mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ vào ngày 14 tháng 1.
Nhưng các chất lỏng này không sáng bóng, vì vậy bạn phải tìm ra cách đặt một kim loại sáng bóng như nhôm trực tiếp lên bề mặt chất lỏng, theo Angel Angel. Thông thường khi chúng ta chế tạo một kính viễn vọng thiên văn, chúng ta tạo ra các gương bằng thủy tinh, nó không phản chiếu rất nhiều và sau đó bạn làm bay hơi nhôm hoặc bạc lên kính. Trên mặt trăng, chúng ta sẽ phải làm bay hơi kim loại trên chất lỏng chứ không phải thủy tinh.
Đó là một trong những lĩnh vực nghiên cứu chính của giải thưởng NIAC. Trong các nghiên cứu ban đầu, nhóm Angel Angel đã có thể làm bay hơi kim loại thành chất lỏng, mặc dù chưa ở nhiệt độ lạnh cần thiết. Tuy nhiên, họ được khuyến khích bởi các kết quả cho đến nay.
Nhóm Angel Angel không điển hình cho một dự án NIAC, trong đó nó là một sự hợp tác quốc tế và NIAC không tài trợ cho các đối tác quốc tế. Chuyện xảy ra là các chuyên gia thế giới về chế tạo kính thiên văn gương xoay đều ở Canada, do đó, điều quan trọng là nếu chúng ta nghĩ đến việc làm điều đó trên mặt trăng mà chúng ta mang chúng vào, thì Angel Angel nói. May mắn thay, họ đã đến bằng vé riêng của mình, có thể nói, và rất hào hứng với dự án.
Các thành viên Canada của đội là Emanno Borra, từ Đại học Laval ở Quebec, người đã nghiên cứu và xây dựng LMT từ đầu những năm 1980, và Paul Hickson, từ Đại học British Columbia, với sự giúp đỡ của Borra, đã xây dựng LMT 6 mét ở Vancouver. Các cộng tác viên khác bao gồm Ki Ma tại Đại học Texas ở Houston, một chuyên gia về vòng bi, Warren Davison từ Đại học Arizona, một chuyên gia kỹ thuật cơ khí trong kính viễn vọng, và nghiên cứu sinh Suresh Sivanandam.
NIAC được thành lập vào năm 1998 để thu hút các khái niệm cách mạng từ người dân và các tổ chức bên ngoài cơ quan vũ trụ có thể thúc đẩy các sứ mệnh của NASA. Các khái niệm chiến thắng được lựa chọn bởi vì họ đã đẩy các giới hạn của khoa học và công nghệ đã biết, và thể hiện sự liên quan đến nhiệm vụ của NASA, theo NASA. Những khái niệm này dự kiến sẽ mất ít nhất một thập kỷ để phát triển.
Angel nói rằng nhận được giải thưởng NIAC là một cơ hội tuyệt vời. Chắc chắn chúng tôi sẽ viết một đề xuất cho Giai đoạn II (tài trợ của NIAC), ông nói. Chúng tôi đã xác định được trong giai đoạn I một số vấn đề quan trọng nhất trong dự án này và những bước thực tế chúng ta nên làm bây giờ. Chúng tôi đã mở một số câu hỏi, và có một số thử nghiệm đơn giản chúng tôi có thể làm để xem liệu có bất kỳ điểm dừng chương trình nào hay không.
Rào cản lớn nhất trong việc biến Đài quan sát hồng ngoại mặt trăng trở thành hiện thực, rất có thể, hoàn toàn nằm ngoài tầm tay của Angel. Mặt trăng là một nơi rất thú vị để làm khoa học, Angel Angel nói. Tuy nhiên, nó đã được xác nhận dựa trên một cam kết đáng kể về tài nguyên của NASA để trở lại mặt trăng. Chắc chắn, để chế tạo các kính viễn vọng lớn 20 hoặc 100 mét sẽ phải có sự hiện diện có người lái trên mặt trăng. Vì vậy, Thiên thần, tiếp tục, bằng cách quá giang khoa học của bạn theo hướng đó, bạn trở thành cái đuôi của một con chó rất lớn mà bạn hoàn toàn không kiểm soát được?
Thiên thần hy vọng rằng NASA và Hoa Kỳ có thể duy trì động lực của Tầm nhìn khám phá không gian và trở lại mặt trăng. Cuối cùng, tôi nghĩ rằng việc di chuyển ra ngoài vũ trụ là điều mà con người có một sự thôi thúc phải làm và đôi khi sẽ làm, đôi khi Angel Angel nói. Khi điều đó xảy ra, có những điều thú vị để làm một khi chúng ta đến đó là điều quan trọng. Chúng ta phải biết tại sao chúng ta rời khỏi bề mặt của hành tinh này để đi đến mặt trăng. Chúng tôi khám phá, vâng, nhưng chúng tôi có thể khám phá không chỉ mặt trăng, mà còn sử dụng nó như một nơi để nghiên cứu khoa học ngoài mặt trăng. Tôi nghĩ rằng đó là một cái gì đó mà trong bức tranh lớn sẽ xảy ra.
Nancy Atkinson là một nhà văn tự do và Đại sứ Hệ mặt trời của NASA. Cô ấy sống ở Illinois.
