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:
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?
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.
пользовательLTK
Игорь Тюльканов