Теоретически какой самый большой оптический телескоп может существовать?

Недавно я прочитал очередную новость об E-ELT . Он будет иметь сегментированное главное зеркало диаметром 39,3 метра. И меня заинтересовал следующий вопрос: Теоретически какой размер главного зеркала (одиночное/множественное/сегментное) может иметь телескоп на Земле для наблюдения в оптическом диапазоне? И почему? Я имею в виду, какие существуют физические ограничения?

И тот же вопрос про космос (не на Земле)?

Обновлять:

По совету @TildalWave, чтобы ответить на этот вопрос, давайте внесем несколько изменений:

  1. Главное зеркало должно быть сегментировано (или его разновидности) как на E-ELT.
  2. Предположим, у нас есть большая (несколько квадратных километров) плоская поверхность высоко над уровнем моря.
  3. Мы должны построить телескоп для наблюдения в оптическом диапазоне.

Я знаю, что существует концепция OWL с сегментированным главным зеркалом диаметром 100 метров.

Но как насчет 500 метров в диаметре или 1000? Возможно ли это в теории?

Мне нравится статья о OWL и мне нравится ее название, но, поскольку она больше даже не обсуждается в реальном смысле, она, вероятно, довольно близка к теоретическому пределу, которого мы можем достичь в ближайшем будущем.
@userLTK, название офигенное)), но говоря о лимитах, исходя из статьи OWL, мне показалось, что лимиты не столько физические, сколько финансовые

Ответы (1)

Все сложно.

До конца 20-го века мы пытались делать все большие и большие монолитные телескопы. Это работало довольно хорошо вплоть до 5-метрового параболического зеркала на горе Паломар в Калифорнии в 1940-х годах. Это сработало, но едва ли, для 6-метрового зеркала на Кавказе в России в 1970-х годах. Это сработало, но это было большим достижением для двойных 8,4-метровых зеркал для LBT в Аризоне в 2000-х годах.

В конце концов мы узнали, что путь не в том, чтобы отливать все большие и большие плиты стекла с низким коэффициентом расширения. Принято считать, что где-то чуть меньше 10 метров в диаметре — это максимально возможный диаметр для монолитных зеркал.

Можно сделать меньшие зеркальные сегменты (от 1 до нескольких метров в диаметре каждый) и объединить их в мозаичное зеркало. Несколько сложнее вырезать асимметричную параболическую (или гиперболическую, или эллиптическую, или сферическую) отражающую изогнутую поверхность в таком сегменте, но гораздо проще решать проблемы с температурой и охлаждением, когда вам приходится иметь дело с более мелкими твердыми объектами.

Каждый сегмент установлен в активной зеркальной ячейке с пьезоприводами, которые очень точно контролируют его положение. Все сегменты должны соединяться в единую гладкую поверхность с точностью лучше 100 микрон (гораздо лучше, чем в реальности). Итак, теперь у вас есть большой массив массивных объектов, динамически управляемых с помощью компьютера, каждый со своими собственными режимами вибрации, каждый со своим источником механического шума, каждый со своими движениями теплового расширения, и все они «танцуют» вверх и вниз несколько микрон на пьезоэлементах.

Можно ли организовать такую ​​большую систему? Да. 100-метровая СОВ считалась технически осуществимой. С точки зрения удержания зеркал на одном уровне, структура даже большего размера должна быть выполнимой; приводы с компьютерным управлением должны преодолевать большинство вибраций и сдвигов на довольно большие расстояния.

Как вы сказали, настоящие ограничения - финансовые. Сложность такой системы возрастает пропорционально квадрату диаметра, а вместе со сложностью увеличивается и стоимость.


Все обсуждение выше касалось телескопов с «заполненной апертурой»: при заданной круглой форме определенного диаметра она заполняется зеркальными сегментами. При заданной апертуре эта конструкция улавливает наибольшее количество света.

Но отверстие не должно быть заполнено. Он может быть в основном пустым. У вас может быть несколько отражающих сегментов на периферии, а центр будет в основном пустым. У вас будет та же разрешающая способность (вы увидите те же мелкие детали), просто яркость изображения уменьшится, потому что вы захватываете меньше света.

Это принцип интерферометра. Двойные 10-метровые сегментированные зеркала Кека на Гавайях могут работать как интерферометр с базовой линией 85 метров. Это фактически эквивалентно одной 85-метровой апертуре с точки зрения разрешающей способности, но, очевидно, не с точки зрения яркости изображения (количества захватываемого света).

У ВМС США есть интерферометр в Аризоне с зеркалами, расположенными на трех плечах в форме буквы Y, каждое плечо имеет длину 250 метров. Это дает инструменту базовую линию (эквивалентную апертуру) в несколько сотен метров.

Университет Сиднея имеет базовый интерферометр на 640 метров в австралийской пустыне.

Интерферометры нельзя использовать для изучения очень слабых объектов, потому что они не могут улавливать достаточно света. Но они могут производить данные очень высокого разрешения по ярким объектам — например, они используются для измерения диаметра звезд, таких как Бетельгейзе.

Базовую линию интерферометра можно сделать очень большой. Для наземных инструментов теперь вполне выполнима базовая линия шириной в несколько километров. В будущем можно будет сделать больше.

Идут разговоры о создании интерферометров в космосе, на орбите вокруг Земли или даже больше. Это обеспечит базовую линию, по крайней мере, в тысячи километров. Сейчас это невозможно, но в будущем кажется осуществимым.

большое спасибо за ваш подробный ответ. Это очень интересно и познавательно. К сожалению, я мало знаю астрофизику, космологию и физику. Но я очень увлечен этими темами. Я хотел бы отметить, что мне немного грустно, что большинство людей не интересуется космосом. Это одна из причин недостаточного финансирования действительно интересных проектов, таких как OWL. Я думаю, что это не очень большая сумма для нескольких стран с хорошей экономикой.
Вы будете удивлены, насколько астрофизика и космология — это просто причудливая физика. Таким образом, хорошее понимание физики будет иметь большое значение здесь. И затем, с практической точки зрения, любительская астрономия не так уж и сложна; 8-дюймовый телескоп Добсона не очень дорог и займет вас на долгое время.
@IgorTyulkanov Я согласен с вами, что люди не так заинтересованы в космосе, как могли бы (может быть, из-за светового загрязнения, может быть, из-за смартфона, может быть, по другим причинам). Мне удалось заинтересовать детей со смартфонов астрономией с помощью видео Kurzgesagt, например, mahttps://youtu.be/pP44EPBMb8A, и нет, я не связан с Kurzgesagt.