Телескоп с жидкостным зеркалом

Телескоп, зеркало которого представляет собой отражающую жидкость

Телескоп с жидкостным зеркалом. В этой конструкции оптические датчики установлены над зеркалом, в модуле в его фокусе, а двигатель и подшипники, поворачивающие зеркало, находятся в том же модуле, что и датчики. Зеркало подвешено ниже.

Телескопы с жидкостным зеркалом — это телескопы с зеркалами, изготовленными из отражающей жидкости. Наиболее распространенной используемой жидкостью является ртуть , но подойдут и другие жидкости (например, легкоплавкие сплавы галлия ). Жидкость и ее контейнер вращаются с постоянной скоростью вокруг вертикальной оси, что заставляет поверхность жидкости принимать параболоидную форму. Этот параболический отражатель может служить главным зеркалом отражающего телескопа . Вращающаяся жидкость принимает ту же форму поверхности независимо от формы контейнера; чтобы уменьшить количество необходимого жидкого металла и, следовательно, вес, вращающееся ртутное зеркало использует контейнер, который максимально близок к необходимой параболической форме. Жидкостные зеркала могут быть недорогой альтернативой обычным большим телескопам . По сравнению с цельным стеклянным зеркалом, которое необходимо отливать, шлифовать и полировать, вращающееся жидкометаллическое зеркало намного дешевле в производстве.

Исаак Ньютон заметил, что свободная поверхность вращающейся жидкости образует круговой параболоид и поэтому может использоваться в качестве телескопа, но он не мог построить его, поскольку не имел возможности стабилизировать скорость вращения. ^[1] Эта концепция была далее развита Эрнесто Капоччи (1798–1864) из Неаполитанской обсерватории (1850), ^{[2] [3]} но только в 1872 году Генри Скей из Данидина , Новая Зеландия, построил первый работающий лабораторный жидкозеркальный телескоп.

Другая трудность заключается в том, что жидкометаллическое зеркало может использоваться только в зенитных телескопах , т. е. в тех, которые смотрят прямо вверх , поэтому оно не подходит для исследований, где телескоп должен оставаться направленным на одно и то же место инерциального пространства (возможное исключение из этого правила может существовать для жидкозеркального космического телескопа , где эффект земного притяжения заменяется искусственной гравитацией , возможно, путем плавного продвижения его вперед с помощью ракет). Только телескоп, расположенный на Северном полюсе или Южном полюсе, мог бы предложить относительно статичный вид неба, хотя необходимо учитывать точку замерзания ртути и удаленность местоположения. Радиотелескоп уже существует на Южном полюсе, но то же самое не относится к Северному полюсу, поскольку он расположен в Северном Ледовитом океане.

Ртутное зеркало Большого Зенитного Телескопа в Канаде было самым большим жидкометаллическим зеркалом, когда-либо построенным. Оно имело диаметр 6 метров и вращалось со скоростью около 8,5  оборотов в минуту . Оно было выведено из эксплуатации в 2016 году. ^[4] Это зеркало было тестовым, построенным за 1 миллион долларов, но оно не подходило для астрономии из-за погоды на испытательном полигоне. По состоянию на 2006 год ^[5] планировалось построить более крупный 8-метровый жидкозеркальный телескоп ALPACA для астрономического использования, ^[6] и более крупный проект под названием LAMA с 66 отдельными 6,15-метровыми телескопами с общей собирающей способностью, равной 55-метровому телескопу, и разрешающей способностью 70-метрового телескопа. ^{[7] [8]}

Параболическая форма, образованная вращающейся поверхностью жидкости. Две жидкости разной плотности заполняют узкое пространство между двумя листами прозрачного пластика. Зазор между листами закрыт снизу, по бокам и сверху. Вся конструкция вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через центр.

Объяснение равновесия

Сила тяжести (красный), сила плавучести (зеленый) и результирующая центростремительная сила (синий)

В следующем обсуждении представляет собой ускорение свободного падения , представляет собой угловую скорость вращения жидкости в радианах в секунду, - масса бесконечно малой частицы жидкого материала на поверхности жидкости, - расстояние частицы от оси вращения, - высота частицы над нулем, которая должна быть определена в расчете. ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle h}$

Диаграмма сил (показана) представляет собой моментальный снимок сил, действующих на посылку, в невращающейся системе отсчета. Направление каждой стрелки показывает направление силы, а длина стрелки показывает величину силы. Красная стрелка представляет вес посылки , вызванный гравитацией и направленный вертикально вниз. Зеленая стрелка показывает силу плавучести , действующую на посылку со стороны объема жидкости. Поскольку в равновесии жидкость не может оказывать силу, параллельную ее поверхности, зеленая стрелка должна быть перпендикулярна поверхности. Короткая синяя стрелка показывает чистую силу , действующую на посылку. Это векторная сумма сил веса и плавучести, и она действует горизонтально по направлению к оси вращения. (Она должна быть горизонтальной, поскольку посылка не имеет вертикального ускорения.) Это центростремительная сила , которая постоянно ускоряет посылку по направлению к оси, поддерживая ее в круговом движении по мере вращения жидкости.

Выталкивающая сила (зеленая стрелка) имеет вертикальную составляющую, которая должна быть равна весу посылки (красная стрелка), а горизонтальная составляющая выталкивающей силы должна быть равна центростремительной силе (синяя стрелка). Таким образом, зеленая стрелка наклонена от вертикали на угол, тангенс которого является отношением этих сил. Поскольку зеленая стрелка перпендикулярна поверхности жидкости, наклон поверхности должен быть тем же отношением сил: ${\displaystyle mg}$ ${\displaystyle m\omega ^{2}r}$

${\displaystyle {\frac {dh}{dr}}={\frac {m\omega ^{2}r}{mg}}.}$

Отмена с обеих сторон, интегрирование и установка когда приводит к ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle h=0}$ ${\displaystyle r=0}$

${\displaystyle h={\frac {1}{2g}}\omega ^{2}r^{2}.}$

Это имеет вид , где — константа, показывающая, что поверхность по определению является параболоидом . ${\displaystyle h=kr^{2}}$ ${\displaystyle k}$

Скорость вращения и фокусное расстояние

Уравнение параболоида в терминах его фокусного расстояния (см. Параболический отражатель#Теория ) можно записать как

${\displaystyle 4fh=r^{2},}$

где — фокусное расстояние, а и определены, как указано выше. ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle r}$

Разделив это уравнение на последнее вышеприведенное, мы устраняем и и получаем ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle r}$

${\displaystyle 2f\omega ^{2}=g,}$

которая связывает угловую скорость вращения жидкости с фокусным расстоянием параболоида, который получается в результате вращения. Обратите внимание, что никакие другие переменные не задействованы. Например, плотность жидкости не влияет на фокусное расстояние параболоида. Единицы должны быть согласованными, например, могут быть в метрах, в радианах в секунду и в метрах в секунду в квадрате. ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle g}$

Если записать численное значение фокусного расстояния в метрах, а численное значение скорости вращения в оборотах в минуту (RPM), ^[9] то на поверхности Земли, где составляет приблизительно 9,81 метра в секунду в квадрате, последнее уравнение сводится к приближению ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle g}$

${\displaystyle FS^{2}\approx 447.}$

Если фокусное расстояние указано в футах , а не в метрах, это приближение становится

${\displaystyle FS^{2}\approx 1467.}$

Скорость вращения по-прежнему указывается в об/мин.

Телескопы с жидкостным зеркалом

Обычные наземные жидкозеркальные телескопы

Они сделаны из жидкости, хранящейся в цилиндрическом контейнере из композитного материала , такого как кевлар . Цилиндр вращается до тех пор, пока не достигнет нескольких оборотов в минуту. Жидкость постепенно образует параболоид , форму обычного телескопического зеркала. Поверхность зеркала очень точна, и небольшие дефекты формы цилиндра не влияют на нее. Количество используемой ртути мало, менее миллиметра в толщину.

Лунные жидкозеркальные телескопы

Низкотемпературные ионные жидкости (ниже 130  кельвинов ) были предложены ^[10] в качестве жидкой основы для вращающегося жидкозеркального телескопа чрезвычайно большого диаметра, который будет базироваться на Луне. Низкая температура выгодна для визуализации длинноволнового инфракрасного света, который является формой света (крайне смещенного в красную область ), который приходит из самых отдаленных частей видимой Вселенной. Такая жидкая основа будет покрыта тонкой металлической пленкой, которая образует отражающую поверхность.

Космические кольцевые жидкозеркальные телескопы

Конструкция жидкозеркального телескопа Райса похожа на обычные жидкозеркальные телескопы. Он будет работать только в космосе; но на орбите гравитация не исказит форму зеркала в параболоид. Конструкция представляет собой жидкость, хранящуюся в плоскодонном кольцеобразном контейнере с приподнятыми внутренними краями. Центральная фокальная область будет прямоугольной, но вторичное прямоугольно-параболическое зеркало будет собирать свет в фокусную точку. В остальном оптика похожа на другие оптические телескопы. Светосила телескопа Райса приблизительно эквивалентна ширине, умноженной на диаметр кольца, за вычетом некоторой доли, основанной на оптике, конструкции надстройки и т. д.

Преимущества и недостатки

Наибольшим преимуществом жидкого зеркала является его небольшая стоимость, около 1% от стоимости обычного зеркала телескопа. Это снижает стоимость всего телескопа по крайней мере на 95%. 6-метровый Большой Зенитный Телескоп Университета Британской Колумбии стоил примерно в пять раз меньше, чем обычный телескоп со стеклянным зеркалом. ^[11] Наибольшим недостатком является то, что зеркало можно направить только прямо вверх. Ведутся исследования по разработке телескопов, которые можно наклонять, но в настоящее время, если жидкое зеркало наклонится из зенита , оно потеряет свою форму. Поэтому вид зеркала меняется по мере вращения Земли , и объекты невозможно физически отслеживать. Объект можно кратковременно отслеживать электронным способом, пока он находится в поле зрения, перемещая электроны по ПЗС с той же скоростью, что и изображение; эта тактика называется временной задержкой и интеграцией или сканированием дрейфа. ^[12] Некоторые типы астрономических исследований не подвержены этим ограничениям, например, долгосрочные обзоры неба и поиски сверхновых . Поскольку считается, что Вселенная изотропна и однородна (это называется космологическим принципом ), то для исследования ее структуры космологи могут также использовать телескопы, сильно уменьшенные в направлении зрения.

Поскольку пары ртути токсичны для людей и животных, остается проблема ее использования в любом телескопе, где она может повлиять на его пользователей и других людей в его области. В Большом Зенитном телескопе ртутное зеркало и операторы-люди размещаются в отдельных вентилируемых помещениях. В месте его расположения в канадских горах температура окружающей среды довольно низкая, что снижает скорость испарения ртути. Менее токсичный металл галлий может использоваться вместо ртути, но его недостатком является высокая стоимость. Недавно канадские исследователи предложили заменить ее магнитно-деформируемыми жидкими зеркалами, состоящими из суспензии наночастиц железа и серебра в этиленгликоле . Помимо низкой токсичности и относительно низкой стоимости, такое зеркало будет иметь преимущество в том, что его можно легко и быстро деформировать с помощью изменений напряженности магнитного поля . ^{[13] [14]}

Гироскопические эффекты

Обычно зеркало телескопа с жидким зеркалом вращается вокруг двух осей одновременно. Например, зеркало телескопа на поверхности Земли вращается со скоростью несколько оборотов в минуту вокруг вертикальной оси, чтобы поддерживать свою параболическую форму, а также со скоростью один оборот в день вокруг оси Земли из-за вращения Земли. Обычно (за исключением случаев, когда телескоп расположен на одном из полюсов Земли) два вращения взаимодействуют таким образом, что в системе отсчета, которая неподвижна относительно локальной поверхности Земли, зеркало испытывает крутящий момент вокруг оси, которая перпендикулярна обеим осям вращения, т. е. горизонтальной оси, выровненной с востока на запад. Поскольку зеркало жидкое, оно реагирует на этот крутящий момент, изменяя направление своего прицеливания. Точка на небе, на которую направлено зеркало, не находится точно над головой, а слегка смещена к северу или югу. Величина смещения зависит от широты, скорости вращения и параметров конструкции телескопа. На Земле смещение невелико, обычно несколько угловых секунд , что, тем не менее, может быть существенным в астрономических наблюдениях. Если бы телескоп находился в космосе, вращаясь для создания искусственной гравитации, смещение могло бы быть гораздо больше, возможно, на много градусов. Это добавило бы сложности в работу телескопа.

Список телескопов с жидкостным зеркалом

Исторически существуют различные прототипы. После возрождения интереса к технологии в 1980-х годах было реализовано несколько проектов.

• UBC/Laval LMT, 2,65 м, 1992 г.
• NASA-LMT , 3 м, 1995–2002 гг.
• ЛЗТ , 6 м, 2003–2016
• ILMT , 4 м, тест 2011 г., открытие в 2022 г. ^[15]

Смотрите также

• Список деталей и конструкции телескопа
• Список типов телескопов
• Ртутное стекло , посеребренные изнутри декоративные стеклянные изделия, названные так из-за их сходства с ртутью.
• Ртутное серебрение — метод нанесения тонкого слоя драгоценного металла на предмет из недрагоценного металла.
• Вращающаяся печь , используемая для изготовления больших стеклянных зеркал.
• Космический телескоп с жидкостным зеркалом
• Солнечная плита
• Зеркальное отражение

Примечания

1. «Что такое LMT?».
2. Капоччи (1850). «Господин Кетле зажег Extraits suivants d'une lettre de M. Capocci, астронома в Неаполе» [г-н. Кетле зачитывает следующие отрывки из письма г-на Капоччи, астронома из Неаполя. Бюллетени Королевской академии наук, литературы и изящных искусств Бельгии (на французском языке). 17, пт. 2: 299–302. Со стр. 300: «Il agit d'obtenir, à peu de frais, de grands mirroirs parfaits, même paraboliques. […] de manière à rassembler parfaitement les rayons réfléchis en un point, …» (Речь идет о получении, по низкой цене, больших совершенных зеркал, даже параболических. Я думаю, что если бы круглому контейнеру, [который] был наполнен ртутью, было придано подходящее вращательное движение, и [если] это движение было бы хорошо выполнено и равномерно, оно в конечном итоге привело бы к тому, что поверхность жидкости была бы устроена таким образом, чтобы идеально собирать отраженные лучи в точку, … )
3. Зимой 1850 года голландский астроном Фридрих Вильгельм Христиан Креке (1812 – 1882) выполнил предложенный Капоччи эксперимент: он подвесил чашу с ртутью на витом шнуре; по мере того, как шнур разматывался, ртуть принимала форму параболоида. Зеркало создавало впечатляющие отражения газовой люстры. См.: Креке (1851). "M. Quetelet fait part d'une lettre qu'il a reçu de M. Krecke, …" [Г-н Кетеле опубликовал часть письма, которое он получил от г-на Креке, …]. Bulletins de l'Académie Royale des Sciences, des Lettres et des Beaux-arts de Belgique (на французском языке). 18, pt. 1: 363–365.
4. Примечания по физике: Телескопы с жидкостным зеркалом.
5. Crotts, Arlin P.; Консорциум ALPACA (2006-12-01). "ALPACA: Недорогой, но уникально мощный обзорный телескоп". Тезисы докладов Американского астрономического общества . 209 : 99.05. Bibcode : 2006AAS...209.9905C.
6. Обзор АЛЬПАКА.
7. Хиксон, Пол; Ланцетта, Кеннет М. (2004). «Большая апертурная зеркальная решетка (LAMA): обзор проекта». В Ardeberg, Arne L; Andersen, Torben (ред.). Второй семинар Backaskog по чрезвычайно большим телескопам. Том 5382. С. 115–126. doi :10.1117/12.566118. hdl :2429/37487. S2CID  43104264.
8. Обсерватория жидкостного зеркала Университета Британской Колумбии — совершенствование следующего поколения супертелескопов.
9. Таким образом, F и S — безразмерные числа. 30 об/мин = радиан в секунду. ${\displaystyle \pi }$
10. Борра, Эрманно Ф.; и др. (21 июня 2007 г.). «Нанесение металлических пленок на ионную жидкость как основа для лунного телескопа». Nature . 447 (7147): 979–981. Bibcode :2007Natur.447..979B. doi :10.1038/nature05909. PMID  17581579. S2CID  1977373.
11. "Жидкозеркальный телескоп, который даст новый импульс наблюдению за звездами". Говерт Шиллинг. 2003-03-14. Архивировано из оригинала 2003-08-18 . Получено 2008-10-11 .
12. Рабинович, Дэвид. «Сканирование дрейфа (интеграция с задержкой по времени)» (PDF) . Центр астрономии и астрофизики Йельского университета . Калтех. Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2015 г. . Получено 27 апреля 2015 г. .
13. Американское химическое общество (2008, 12 ноября) (12 ноября 2008 г.). «Прогресс в области жидких зеркал может привести к улучшению проверки зрения и телескопов». Science News . Science Daily (онлайн). Архивировано из оригинала 27-04-2015 . Получено 24 ноября 2009 г.{{cite news}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
14. Дери, Дж. П.; Борра, Э. Ф.; Ритси, А. М. (2008). «Феррожидкость на основе этиленгликоля для изготовления магнитно-деформируемых жидких зеркал». Химия материалов . 20 (20): 6420. doi : 10.1021/см801075u .
15. «Жидкозеркальный телескоп открывается в Индии». Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS). 10 июня 2022 г. doi :10.1126/science.add4293. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )

Ссылки

• The Economist – Зеркало, зеркало
• Проект 4-метрового международного жидкозеркального телескопа
• Большой Зенитный Телескоп
• Галлиевое жидкое зеркало
• Гибсон, Б.К. (1991). «Жидкозеркальные телескопы: история» (PDF) . Журнал Королевского астрономического общества Канады . 85 (4): 158–171. Bibcode : 1991JRASC..85..158G.
• Хиксон, Пол (май–июнь 2007 г.). «Старая идея астрономической визуализации переживает технологически обусловленный ренессанс» (PDF) . American Scientist . Получено 23.04.2007 .

Внешние ссылки

• Большой зенитный телескоп Ртутный зеркальный телескоп диаметром 6 метров.