Billedkredit: University of Arizona
For mere end 30 år siden kom Dr. Roger Angel til University of Arizona, trukket af de gunstige betingelser for astronomisk observation i Tucson, Arizona-området: adskillige teleskoper er praktisk i nærheden, og naturligvis er vejret vidunderligt tempereret. Men nu foreslår Angel at bygge et teleskop på et sted, der er lidt mere fjernt og ikke så skidt: et polært krater på månen.
Angel er kendt for sine innovationer inden for lette teleskopspejle og adaptive optik, og leder nu et team af forskere fra USA og Canada, der undersøger muligheden for at bygge et Deep-Field Infrared Observatory nær en af månepolerne ved hjælp af et Liquid Mirror Telescope (LMT ).
Dette koncept er et af 12 forslag, der begyndte at modtage finansiering i oktober sidste år fra NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC). Hver får $ 75.000 til seks måneders forskning for at foretage indledende undersøgelser og identificere udfordringer i udviklingen. Projekter, der gør det gennem den første fase, er berettigede til så meget som $ 400.000 mere over to år.
LMT'er fremstilles ved at dreje en reflekterende væske, normalt kviksølv, på en skålformet platform for at danne en parabolisk overflade, perfekt til astronomisk optik. Isaac Newton foreslog oprindeligt teorien, men teknologien til faktisk at skabe en sådan enhed med succes er først for nylig blevet udviklet. Bare en håndfuld LMT'er bruges i dag, herunder en 6 meter LMT i Vancouver, Canada, og en 3 meter version, som NASA bruger til sit Orbital Debris Observatory i New Mexico.
På jorden er LMT'er begrænset i størrelse til ca. 6 meter i diameter, fordi den selvgenererede vind, der kommer fra at dreje teleskopet, forstyrrer overfladen. Som andre jordbaserede teleskoper er LMT'er endvidere udsat for atmosfærisk absorption og forvrængning, hvilket i høj grad reducerer rækkevidden og følsomheden ved infrarød observation. Men den atmosfærefri måne, siger Angel, giver det perfekte sted for denne type teleskop, mens den leverer den tyngdekraft, der er nødvendig for at danne det paraboliske spejl.
Potentialet med en LMT på månen er at fremstille et meget stort teleskop. Som reference har Hubble-rumteleskopet et 2,4 meter spejl, og James Webb-rumteleskopet (JWST), der er udviklet til lancering i 2011, vil have et 6 meter spejl. Konceptet til Angel's NIAC-forslag er et 20 meter spejl, men med den forskning, holdet har gjort indtil videre, ser de nu på at skabe meget store spejle, hvor 100 meter er den store endeindstilling. De overvejer også mindre LMT'er. ”Vi kan tydeligvis ikke gå til månen og gøre et 100 meter spejl til den første ting,” sagde Angel. "Vi ser på en række af skalastørrelser på 2 meter, 20 meter og 100 meter og ser på, hvad potentialet er for hver enkelt." Angel mener, at det 2 meter lange teleskop kunne fremstilles uden nogen menneskelig tilstedeværelse på månen, og være oprettet som et robotteleskop, ligesom de videnskabelige instrumenter på Mars-roverne fungerer nu.
Begrænsningen af et flydende spejl er, at det kun peger lige op, så det ikke er som et standardteleskop, der kan peges i enhver retning og spore genstande på himlen. Det ser kun på det himmelområde, der er direkte overhead.
Så det videnskabelige mål for en LMT er ikke at se over hele himlen, men at tage et område af rummet og se det intenst. Denne type astronomi har været meget "rentabel", som Angel beskrev det, med hensyn til det væld af information, der er blevet samlet. Nogle af de mest produktive videnskabelige bestræbelser fra Hubble-rumteleskopet har været dens "Deep Field" -fotografier.
For at være i stand til kun at se på et område i rummet til enhver tid får Angel og hans team til at se til en af månepolerne for at finde det bedste sted for dette teleskop. Som ved Jordens poler giver kigning lige op fra polen på månen altid det samme ekstragalaktiske synsfelt. ”Hvis vi tager til månens nord- eller sydpol, vil vi altid forestille os en himmelplaster, og så giver dig mulighed for at foretage en ekstremt dyb integration, meget dybere end end Hubble Deep Field." Kombiner det med en stor blænde, og dette teleskop ville give en observationsdybde, som ville være uovertruffen med ethvert teleskop på Jorden eller i rummet. ”Det er niche eller særlig styrke ved dette teleskop,” sagde Angel.
En anden side med flydende spejle er, at de er meget billige sammenlignet med processen med at fremstille et standard spejl ved at oprette, polere og teste et stort, stift glasstykke eller oprette mindre stykker, der skal poleres, testes og derefter sammenføjes meget nøjagtigt. LMT'er behøver heller ikke dyre monteringer, understøttelser, sporingssystemer eller en kuppel.
”De samlede omkostninger ved James Webb-teleskopet forventes at overstige en milliard dollars med prismærket alene i spejlet omkring en kvart million dollars,” sagde Angel. ”Det spejl er 6 meter, så hvis vi skalerer den teknologi til endnu større spejle i rummet, vil vi i sidste ende bryde banken, og vi vil ikke have råd til dem ved den nuværende teknologi til at fremstille det polerede spejl og at få det op til rummet. ”
Selvom det 2 meter lange teleskop ville være en prototype, ville det stadig være astronomisk værdifuldt. ”Vi kunne gøre ting, der er gratis med Spitzer-rumteleskopet og Webb-teleskopet, da det 2 meter-teleskop på månen ville fylde territoriet mellem disse to teleskoper.” Et 20 meter spejl giver opløsning 3 gange større end JWST, og ved at integrere eller lade "lukkeren" være åben i lange perioder, ligesom et år, kunne objekter, der var 100 gange svagere, ses. Et 100 meter spejl giver data, der er fra kortene.
En af udfordringerne med at udvikle en LMT på månen er at skabe lejer til at dreje platformen glat og i konstant hastighed. Luftlejer bruges til LMT'er på Jorden, men uden luft på månen er det umuligt. Angel og hans team ser på kryogene leviteringslejer, svarende til hvad der bruges til magnetisk levitationstog for at få en friktionsfri bevægelse ved hjælp af et magnetfelt. Angel tilføjede, ”Som en bonus kan du med de lave temperaturer på månen gøre det uden at bruge noget energi, fordi du kan lave en superledende magnet, der giver dig mulighed for at lave en levitation, som ikke kræver en kontinuerlig input af elektrisk energi. ”
Angel kaldte lejerne en kritisk komponent i teleskopet. "Med ingen luft på månen til at skabe vind, er der ingen grænser for størrelse eller nå den nøjagtighed, som du har brug for, så længe lejet er i orden," sagde Angel.
Én udvikling af projektet siden modtagelse af NIAC-finansieringen er placeringen af teleskopet. I det oprindelige forslag favoriserede Angel's hold månens sydpol i Shackleton-krateret. Men nordpolen tilbyder faktisk et bedre synsfelt til ekstragalaktisk observation, indså de, og Angel afventer data fra Det Europæiske Rumorganisations SMART-1 månebane, der for nylig begyndte at undersøge månens polære regioner.
”I de polare områder er der nogle kratere, hvor solen aldrig lyser og aldrig opvarmer jorden,” sagde Angel. ”Det er ekstremt koldt der, ikke for langt over absolut nul. I stedet for at bygge teleskopet under sådanne fjendtlige forhold, ville vi forsøge at bygge teleskopet på et højdepunkt på den ene af polerne, hvor der ville være solskin næsten kontinuerligt. Dette ville give solenergi, og forholdene ville være bedre for de mennesker, der bor der. Alt hvad du skal gøre er at placere en cylindrisk Mylar-skærm omkring teleskopet for at forhindre, at solen nogensinde rammer det, og det vil køle af ligesom i bunden af kraterne. ”
Med infrarød observation er et koldt teleskop vigtigt for at kunne se koldere og svagere genstande i rummet. At have teleskopet på næsten absolut nul (0 grader Kelvin, -273 C, -460 F) ville være ideelt. Da kviksølv vil fryse ved disse temperaturer, er en anden udfordring for projektet at finde den rigtige væske til at dreje til spejlet. Nogle af kandidaterne er ethan, methan og andre små kulbrinter, som væskerne, der blev fundet på Titan af Huygens-sonden, der landede på Saturns største måne den 14. januar.
”Men disse væsker er ikke skinnende, så du er nødt til at finde ud af, hvordan man afsætter et skinnende metal som aluminium direkte på væskeoverfladen,” sagde Angel. ”Normalt når vi laver et astronomisk teleskop, fremstiller vi spejlerne af glas, hvilket ikke reflekterer meget, og så fordamper du aluminium eller sølv på glasset. På månen skulle vi fordampe metallet på væsken i stedet for på glasset. ”
Det er et af de vigtigste forskningsområder under NIAC-prisen. I de første undersøgelser har Angel's team været i stand til at fordampe et metal på en væske, skønt det endnu ikke er ved de krævede kolde temperaturer. De opmuntres dog af resultaterne indtil videre.
Angel's team er atypisk for et NIAC-projekt, idet det er et internationalt samarbejde, og NIAC finansierer ikke internationale partnere. ”Det sker, at verdenseksperterne på fremstilling af spinde-flydende spejlteleskoper alle er i Canada, så det var lidt vigtigt, at hvis vi overvejer at gøre det på månen, at vi bringer dem ind,” sagde Angel. ”Heldigvis er de kommet ind på deres egen billet, så at sige, og er begejstrede over projektet.”
De canadiske medlemmer af teamet er Emanno Borra fra Laval University i Quebec, der har undersøgt og opbygget LMT'er siden begyndelsen af 1980'erne, og Paul Hickson fra University of British Columbia, der med Borras hjælp byggede 6 meter LMT i Vancouver. Andre samarbejdspartnere inkluderer Ki Ma ved University of Texas i Houston, der er ekspert på kryogene lejer, Warren Davison fra University of Arizona, der er maskinteknisk ekspert i teleskoper, og kandidatstuderende Suresh Sivanandam.
NIAC blev oprettet i 1998 for at anmode om revolutionære koncepter fra mennesker og organisationer uden for rumfartsagenturet, der kunne fremme NASAs missioner. De vindende koncepter vælges, fordi de "skubber grænserne for kendt videnskab og teknologi" og "viser relevans for NASA-missionen", ifølge NASA. Disse koncepter forventes at tage mindst et årti at udvikle sig.
Angel siger, at modtagelse af NIAC-prisen er en stor mulighed. ”Vi vil uden tvivl skrive et forslag til fase II (af NIAC-finansieringen),” sagde han. ”Vi har i fase I identificeret, hvad der er nogle af de mest kritiske problemer i dette projekt, og hvilke praktiske skridt vi skal tage nu. Vi har åbnet nogle spørgsmål, og der er nogle enkle test, vi kan gøre for at se, om der er nogen showstoppere eller ej. ”
Den største forhindring i at gøre Lunar Infrared Observatory til virkelighed er sandsynligvis helt ud af Engels hænder. ”Månen er et meget interessant sted at gøre videnskab,” sagde Angel. ”Imidlertid er det baseret på en betydelig ressourceforpligtelse fra NASA til at vende tilbage til månen.” For at bygge de store 20 eller 100 meter teleskoper skulle det bestemt være en bemandet tilstedeværelse på månen. ”Så fortsatte Angel,” ved at hive din videnskab i den retning, bliver du halen til en meget stor hund, som du absolut ikke har kontrol over? ”
Angel håber, at NASA og USA kan opretholde momentumet for Vision for Space Exploration og vende tilbage til månen. ”Jeg tror i sidste ende, at det at flytte ud i rummet er noget, som mennesker har en trang til at gøre og vil gøre engang,” sagde Angel. ”Når det sker, er det vigtigt at have interessante ting at gøre, når vi kommer derhen. Vi må vide, hvorfor vi forlod overfladen af denne planet for at gå til månen. Vi udforsker, ja, men vi kan udforske ikke kun månen, men bruge det som et sted at udføre videnskabelig forskning ud over månen. Jeg tror, det er noget, der i det store billede skulle ske. ”
Nancy Atkinson er freelance forfatter og NASA Solar System Ambassador. Hun bor i Illinois.
