Телескоп с жидкостным зеркалом

Телескопы с жидкостными зеркалами — это телескопы с зеркалами, изготовленными из отражающей жидкости. Чаще всего используется ртуть подойдут и другие жидкости (например, легкоплавкие сплавы галлия , но ). 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 г.). ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} но только в 1872 году Генри Скей из Данидина , Новая Зеландия , построил первый действующий лабораторный телескоп с жидкостным зеркалом.

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 температуру замерзания ртути и удаленность необходимо будет учитывать этого места. На Южном полюсе уже существует радиотелескоп . , но на Северном полюсе этого нет, 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 . Выведен 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 АЛЬПАКА для астрономических целей. ^{[ 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 закрывается снизу, по бокам и сверху. Вся сборка вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через центр.

Объяснение равновесия

В следующем обсуждении $g$ представляет собой ускорение свободного падения , $\omega$ представляет угловую скорость вращения жидкости в радианах в секунду, $m$ - это масса бесконечно малого количества жидкого материала на поверхности жидкости, $r$ - расстояние посылки от оси вращения, а $h$ — высота посылки выше нуля, определяемого при расчете.

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 $mg$ посылки (красная стрелка), а горизонтальная составляющая силы плавучести должна равняться центростремительной силе $m\omega ^{2}r$ (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:

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

Отмена $m$ с обеих сторон, интегрируя и устанавливая $h=0$ когда $r=0$ приводит к

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

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

Скорость вращения и фокусное расстояние

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

4fh=r^{2},

где $f$ - фокусное расстояние, а $h$ и $r$ определяются, как указано выше.

Деление этого уравнения на последнее уравнение над ним исключает $h$ и $r$ и приводит к

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 измерения должны быть согласованными, например $f$ может быть в метрах, $\omega$ в радианах в секунду и $g$ в метрах на секунду в квадрате.

Если мы напишем $F$ для числового значения фокусного расстояния в метрах и $S$ для числового значения скорости вращения в оборотах в минуту (RPM), ^{[ 9 ]} затем на поверхности Земли, где $g$ составляет примерно 9,81 метра на секунду в квадрате, последнее уравнение сводится к приближению

FS^{2}\approx 447.

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

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 вращающегося телескопа с жидкостным зеркалом чрезвычайно большого диаметра, который будет базироваться на Луне. Низкая температура полезна 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%. Университета Британской Колумбии 6-метровый Большой зенитный телескоп 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 на короткое время 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, такие как долгосрочные обзоры неба и поиск сверхновых . Поскольку Вселенная считается изотропной и однородной (это называется космологическим принципом ), для исследования ее строения космологи могут использовать и сильно уменьшенные в направлении 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 несколько угловые секунды , что, тем не менее, может иметь важное значение в 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/Laval LMT, 2.65 m, 1992
NASA-LMT , 3 m, 1995–2002
ЛЗТ , 6 м, 2003–2016 гг.
ILMT , 4 месяца, испытание 2011 г., открытие в 2022 г. ^{[ 15 ]}

См. 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

^ «Что такое ЛМТ?» .
^ Капоччи (1850 г.). «Г-н Кетле зачитывает следующие выдержки из письма г-на Капоччи, астронома из Неаполя» [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: «Речь идет о получении по низкой цене больших совершенных зеркал, даже параболических […], чтобы идеально собирать отраженные лучи в одной точке…» (Речь идет о получении по низкой цене. , большие совершенные зеркала, даже параболические. Я думаю, что если бы круглому контейнеру, [который был] наполнен ртутью, придать подходящее вращательное движение, и [если бы] это движение было хорошо выполнено и равномерно, то в конечном итоге оно закончилось бы делая поверхность жидкости, устроенная так, чтобы идеально собирать отраженные лучи в точку, …)
↑ 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. Видеть: Креке (1851 г.). «Г-н Кетле сообщает о письме, которое он получил от г-на Креке…» [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.
^ Сноски по физике: Телескопы с жидким зеркалом .
^ Кроттс, Арлин П.; Консорциум АЛЬПАКА (01 декабря 2006 г.). «АЛЬПАКА: недорогой, но уникальный по мощности обзорный телескоп» . Тезисы докладов о заседании Американского астрономического общества . 209 : 99.05. Бибкод : 2006AAS...209.9905C .
^ Обзор АЛЬПАКИ .
^ 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 .
^ Обсерватория жидкого зеркала Британско-Колумбийского университета - совершенствование супертелескопов следующего поколения .
^ Таким образом, F и S — безразмерные числа. 30 об/мин = $\pi$ радиан в секунду.
^ Борра, Эрманно Ф.; и др. (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 . ПМИД 17581579 . S2CID 1977373 .
^ «Телескоп с жидким зеркалом, который придаст наблюдению за звездами новый взгляд» . Говерт Шиллинг. 14 марта 2003 г. Архивировано из оригинала 18 августа 2003 г. Проверено 11 октября 2008 г.
^ 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.
^ 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: числовые имена: список авторов ( ссылка )
^ 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 .
^ «Телескоп с жидким зеркалом открывается в Индии» . Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS). 10 июня 2022 г. doi : 10.1126/science.add4293 . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

Ссылки

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.

[1] «Что такое ЛМТ?» .

[2] Капоччи (1850 г.). «Г-н Кетле зачитывает следующие выдержки из письма г-на Капоччи, астронома из Неаполя» [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: «Речь идет о получении по низкой цене больших совершенных зеркал, даже параболических […], чтобы идеально собирать отраженные лучи в одной точке…» (Речь идет о получении по низкой цене. , большие совершенные зеркала, даже параболические. Я думаю, что если бы круглому контейнеру, [который был] наполнен ртутью, придать подходящее вращательное движение, и [если бы] это движение было хорошо выполнено и равномерно, то в конечном итоге оно закончилось бы делая поверхность жидкости, устроенная 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. Видеть: Креке (1851 г.). «Г-н Кетле сообщает о письме, которое он получил от г-на Креке…» [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 уникальный по мощности обзорный телескоп» . 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 = $\pi$ радиан в секунду.

[Borra_2007-10] Борра, Эрманно Ф.; и др. (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 . ПМИД 17581579 . S2CID 1977373 .

[Schilling_2003-11] «Телескоп с жидким зеркалом, который придаст наблюдению за звездами новый взгляд» . Говерт Шиллинг. 14 марта 2003 г. Архивировано из оригинала 18 августа 2003 г. Проверено 11 октября 2008 г.

[Drift_Scanning-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.

[ACS_2008-13] 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: числовые имена: список авторов ( ссылка )

[Dery_et_al_2008-14] 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}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]