Телескоп с жидкостным зеркалом

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 внизу.

Телескопы с жидкостными зеркалами — это телескопы с зеркалами, изготовленными из отражающей жидкости. Чаще всего используется ртуть , но подойдут и другие жидкости (например, легкоплавкие сплавы галлия ). Жидкость и ее емкость вращаются с постоянной скоростью вокруг вертикальной оси, в результате чего поверхность жидкости принимает параболоидную форму. Этот параболический рефлектор может служить главным зеркалом телескопа -рефлектора . Вращающаяся жидкость принимает одинаковую форму поверхности независимо от формы контейнера; Чтобы уменьшить количество необходимого жидкого металла и, следовательно, вес, во вращающемся ртутном зеркале используется контейнер, форма которого максимально приближена к необходимой параболической форме. Жидкие зеркала могут стать недорогой альтернативой обычным большим телескопам . По сравнению с зеркалом из цельного стекла, которое необходимо отлить, отшлифовать и отполировать, изготовление вращающегося зеркала из жидкого металла обходится гораздо дешевле.

Исаак Ньютон заметил, что свободная поверхность вращающейся жидкости образует круглый параболоид и поэтому может использоваться в качестве телескопа, но на самом деле он не смог его построить, поскольку у него не было способа 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 первую рабочую лабораторную жидкость. -зеркальный телескоп.

Другая трудность состоит в том, что жидкометаллическое зеркало можно использовать только в зенитных телескопах , т. е. которые смотрят прямо вверх , поэтому оно не подходит для исследований, когда телескоп должен оставаться направленным в одно и то же место инерциального пространства (возможное исключение из этого правила) . правило может существовать для космического телескопа с жидкостным зеркалом , где эффект земной гравитации заменяется искусственной гравитацией , возможно, путем мягкого продвижения его вперед с помощью ракет). Только телескоп, расположенный на Северном или Южном полюсе , обеспечит относительно статичный вид неба, хотя необходимо будет учитывать температуру замерзания ртути и удаленность этого места. На Южном полюсе уже существует очень большой радиотелескоп , но с Северным полюсом дело обстоит иначе, поскольку он расположен в Северном Ледовитом океане.

Ртутное зеркало Большого зенитного телескопа в Канаде было самым большим зеркалом из жидкого металла, когда-либо построенным. Он имел диаметр 6 метров и вращался 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 погодных условий на испытательном полигоне. По состоянию на 2006 год ^[5] планировалось построить более крупный 8-метровый телескоп с жидкостным зеркалом ALPACA для астрономических целей ^[6] и более крупный проект под названием LAMA с 66 отдельными 6,15-метровыми телескопами с общей собирающей способностью, равной 55-метровый телескоп, разрешающая способность 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 закрывается снизу, по бокам и сверху. Вся сборка вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через центр.

Объяснение равновесия

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

В последующем обсуждении представляет собой ускорение свободного падения , представляет собой угловую скорость вращения жидкости в радианах в секунду, представляет собой массу бесконечно малого участка жидкого материала на поверхности жидкости, является расстоянием участка от ось вращения и представляет собой высоту участка над нулем, который должен быть определен при расчете. ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle h}$

Диаграмма сил (показана) представляет собой снимок сил, действующих на посылку, в невращающейся системе отсчета. Направление каждой стрелки показывает направление силы, а длина стрелки показывает силу силы. Красная стрелка обозначает вес посылки, вызванный силой тяжести и направленный вертикально вниз. Зеленая стрелка показывает выталкивающую силу, действующую на посылку со стороны массы жидкости. Поскольку в состоянии равновесия жидкость не может оказывать силу, параллельную своей поверхности, зеленая стрелка должна быть перпендикулярна поверхности. Короткая синяя стрелка показывает чистую силу, действующую на посылку. Это векторная сумма сил веса и плавучести, действующая горизонтально по направлению к оси вращения. (Она должна быть горизонтальной, поскольку посылка не имеет вертикального ускорения.) Это центростремительная сила , которая постоянно ускоряет посылку к оси, удерживая ее в круговом движении при вращении жидкости.

Сила плавучести (зеленая стрелка) имеет вертикальную составляющую, которая должна равняться весу посылки (красная стрелка), а горизонтальная составляющая силы плавучести должна равняться центростремительной силе (синяя стрелка). Следовательно, зеленая стрелка отклонена от вертикали на угол, тангенс которого является частным этих сил. Поскольку зеленая стрелка перпендикулярна поверхности жидкости, наклон поверхности должен быть равным частному сил: ${\displaystyle mg}$ ${\displaystyle m\omega ^{2}r}$

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

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

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

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

Скорость вращения и фокусное расстояние

Уравнение параболоида через его фокусное расстояние (см. Параболический отражатель#Теория ) можно записать как

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

где – фокусное расстояние, и и определяются, как указано выше. ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle r}$

Деление этого уравнения на последнее уравнение над ним исключает и и приводит к ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle r}$

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

который связывает угловую скорость вращения жидкости с фокусным расстоянием параболоида, возникающего 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, в метрах, в радианах в секунду и в метрах на секунду в квадрате. ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle g}$

Если записать числовое значение фокусного расстояния в метрах, а числовое значение скорости вращения в оборотах в минуту (об/мин) ^[9] , то на поверхности Земли, где примерно 9,81 метра на 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 находится в об/мин.

Телескопы с жидкостными зеркалами

Обычные наземные телескопы с жидкостными зеркалами

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

Телескопы с жидкостными зеркалами на Луне

Низкотемпературные ионные жидкости (ниже 130  К ) были предложены ^[10] в качестве жидкой основы для телескопа с вращающимся жидкостным зеркалом чрезвычайно большого диаметра, который будет базироваться на Луне. Низкая температура выгодна для визуализации длинноволнового инфракрасного света, который представляет собой форму света (чрезвычайно смещенного в красную сторону ), приходящего из самых отдаленных частей видимой Вселенной. Такая жидкая основа будет покрыта тонкой металлической пленкой, образующей отражающую поверхность.

Космические кольцевые телескопы с жидкостными зеркалами

Конструкция телескопа с жидкостным зеркалом Райса аналогична конструкции обычных телескопов с жидкостным зеркалом. Это будет работать только в космосе; но на орбите гравитация не исказит форму зеркала, придав ему параболоид. В конструкции жидкость хранится в плоскодонной кольцеобразной емкости с приподнятыми внутренними краями. Центральная фокальная область будет прямоугольной, но вторичное прямоугольно-параболическое зеркало будет собирать свет в фокус. В остальном оптика аналогична другим оптическим телескопам. Светосила телескопа Райса примерно равна ширине, умноженной на диаметр кольца, за вычетом некоторой доли, зависящей от оптики, конструкции надстройки и т. д.

Преимущества и недостатки

Самым большим преимуществом жидкого зеркала является его небольшая стоимость, около 1% от стоимости обычного зеркала телескопа. Это снижает стоимость всего телескопа как минимум на 95%. 6-метровый Большой зенитный телескоп Университета Британской Колумбии стоил примерно в пятидесятую часть стоимости обычного телескопа со стеклянным зеркалом. ^[11] Самым большим недостатком является то, что зеркало можно направить только строго вверх. В настоящее время ведутся исследования по разработке телескопов, которые можно наклонять, но в настоящее время, если бы жидкое зеркало вышло из зенита , оно потеряло бы свою форму. Следовательно, вид зеркала меняется по мере вращения Земли , и объекты невозможно физически отслеживать. Объект можно ненадолго отследить с помощью электроники, пока он находится в поле зрения, перемещая электроны через ПЗС-матрицу с той же скоростью, что и движение изображения; эта тактика называется временной задержкой и интегрированием или дрейфовым сканированием. ^[12] Эти ограничения не затрагивают некоторые виды астрономических исследований, например, долгосрочные обзоры неба и поиск сверхновых . Поскольку Вселенная считается изотропной и однородной (это называется космологическим принципом ), то для исследования ее строения космологи могут использовать и сильно уменьшенные по направлению зрения телескопы.

Поскольку металлическая ртуть и ее пары токсичны для людей и животных, остается проблема ее использования в любом телескопе, где она может повлиять на пользователей и других людей, находящихся в его районе. В Большом зенитном телескопе ртутное зеркало и люди-операторы размещаются в отдельно вентилируемых помещениях. В месте его расположения в канадских горах температура окружающей среды довольно низкая, что снижает скорость испарения ртути. Вместо ртути можно использовать менее токсичный металл галлий , но его недостатком является высокая стоимость. Недавно канадские исследователи предложили замену магнитно-деформируемых жидких зеркал , состоящих из суспензии наночастиц железа и серебра в этиленгликоле . Помимо низкой токсичности и относительно низкой стоимости, такое зеркало будет иметь то преимущество, что его можно будет легко и быстро деформировать с помощью изменения напряженности магнитного поля . ^{[13] [14]}

Гироскопические эффекты

Обычно зеркало телескопа с жидкостным зеркалом вращается вокруг двух осей одновременно. Например, зеркало телескопа на поверхности Земли вращается со скоростью несколько оборотов в минуту вокруг вертикальной оси для сохранения своей параболической формы, а также со скоростью один оборот в сутки вокруг земной оси из-за вращение Земли. Обычно (за исключением случаев, когда телескоп расположен на одном из полюсов Земли) два вращения взаимодействуют так, что в системе отсчета, неподвижной относительно местной поверхности Земли, зеркало испытывает крутящий момент вокруг оси, перпендикулярно обеим осям вращения, т.е. горизонтальная ось, ориентированная с востока на запад. Поскольку зеркало жидкое, оно реагирует на этот крутящий момент, изменяя направление прицеливания. Точка неба, на которую направлено зеркало, находится не точно над головой, а немного смещена к северу или югу. Величина смещения зависит от широты, скорости вращения и параметров конструкции телескопа. На Земле смещение невелико, обычно составляет несколько угловых секунд , что, тем не менее, может быть значительным при астрономических наблюдениях. Если бы телескоп находился в космосе и вращался для создания искусственной гравитации, смещение могло бы быть намного больше, возможно, на несколько градусов. Это усложнило бы работу телескопа.

Список телескопов с жидкими зеркалами

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

• UBC/Лаваль LMT, 2,65 м, 1992 г.
• НАСА-ЛМТ , 3 м, 1995–2002 гг.
• ЛЗТ , 6 м, 2003–2016 гг.
• ILMT , 4 месяца, испытание 2011 г., открытие в 2022 г. ^[15]

Смотрите также

• Список деталей и конструкции телескопа
• Список типов телескопов
• Ртутное стекло , изделия из декоративного стекла с внутренним посеребрением, названные в честь 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. Из стр. 300: «Il agit d'obtenir, à peu de frais, de grands mirroirs parfaits, même paraboliques. […] de manière à rassembler parfaitement les rayons refléchis en un point,…» (Это вопрос получения по низкой цене , большие совершенные зеркала, даже параболические. Я думаю, что если бы круглому баллону, [который был] наполнен ртутью, придать подходящее вращательное движение, и [если] это движение было бы хорошо выполнено и равномерно, то в конечном итоге это привело бы к поверхность жидкости устроена так, чтобы идеально собирать отраженные лучи в точку,…)
3. Зимой 1850 года голландский астроном Фридрих Вильгельм Кристиан Креке (1812–1882) выполнил предложенный Капоччи эксперимент: он подвесил чашу с ртутью на скрученном шнуре; когда шнур размотался, ртуть приняла форму параболоида. В зеркале впечатляло отражение газовой люстры. См.: Креке (1851). «Г-н Кетле fait part d'une lettre qu'il a reçu de M. Krecke,…» [г-н. Кетле опубликовал часть письма, полученного им от г-на Креке…]. Бюллетени Королевской академии наук, литературы и изящных искусств Бельгии (на французском языке). 18, пт. 1: 363–365.
4. Сноски по физике: Телескопы с жидким зеркалом.
5. Кроттс, Арлин П.; Консорциум АЛЬПАКА (01 декабря 2006 г.). «АЛЬПАКА: недорогой, но уникально мощный обзорный телескоп для получения изображений». Тезисы докладов о заседании Американского астрономического общества . 209 : 99.05. Бибкод : 2006AAS...209.9905C.
6. Обзор АЛЬПАКИ.
7. Хиксон, Пол; Ланцетта, Кеннет М. (2004). «Зеркальная решетка большой апертуры (LAMA): обзор проекта». В Ардеберге Арне Л; Андерсен, Торбен (ред.). Второй семинар Бакаскога по чрезвычайно большим телескопам. Том. 5382. стр. 115–126. дои : 10.1117/12.566118. hdl : 2429/37487. S2CID  43104264.
8. Обсерватория жидкого зеркала Британско-Колумбийского университета - совершенствование супертелескопов следующего поколения.
9. Таким образом, F и S — безразмерные числа. 30 об/мин = радианы в секунду. ${\displaystyle \pi }$
10. Борра, Эрманно Ф.; и другие. (21 июня 2007 г.). «Нанесение металлических пленок на ионную жидкость как основа лунного телескопа». Природа . 447 (7147): 979–981. Бибкод : 2007Natur.447..979B. дои : 10.1038/nature05909. PMID  17581579. S2CID  1977373.
11. "Телескоп с жидким зеркалом, позволяющий по-новому взглянуть на звездное небо" . Говерт Шиллинг. 14 марта 2003 г. Архивировано из оригинала 18 августа 2003 г. Проверено 11 октября 2008 г.
12. Рабиновиц, Дэвид. «Сканирование дрейфа (интеграция с задержкой» (PDF) . Центр астрономии и астрофизики Йельского университета . Калифорнийский технологический институт. Архивировано из оригинала (PDF) 27 апреля 2015 г. Проверено 27 апреля 2015 г.
13. Американское химическое общество (12 ноября 2008 г.) (12 ноября 2008 г.). «Прогресс в области жидкого зеркала может привести к улучшению проверки зрения и усовершенствованию телескопов». Новости науки . Science Daily (онлайн). Архивировано из оригинала 27 апреля 2015 г. Проверено 24 ноября 2009 г.{{cite news}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
14. Дери, JP; Борра, EF; Ритси, AM (2008). «Феррожидкость на основе этиленгликоля для изготовления магнитно-деформируемых жидких зеркал». Химия материалов . 20 (20): 6420. doi : 10.1021/cm801075u .
15. «Телескоп с жидким зеркалом открывается в Индии» . Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS). 10 июня 2022 г. doi : 10.1126/science.add4293. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )

Рекомендации

• Экономист – Зеркало, Зеркало
• Международный проект 4-метрового телескопа с жидким зеркалом
• Большой Зенитный Телескоп
• Галлиевое жидкое зеркало
• Гибсон, БК (1991). «Телескопы с жидкими зеркалами: история» (PDF) . Журнал Королевского астрономического общества Канады . 85 (4): 158–171. Бибкод : 1991JRASC..85..158G.
• Хиксон, Пол (май – июнь 2007 г.). «Старая идея астрономических изображений переживает технологическое возрождение» (PDF) . Американский учёный . Проверено 23 апреля 2007 г.

Внешние ссылки

• Большой зенитный телескоп Телескоп с ртутным зеркалом диаметром 6 метров.