Жидкозеркальный телескоп - Liquid-mirror telescope

Жидкозеркальный телескоп. В этой конструкции оптические датчики установлены над зеркалом в модуле в его фокусе, а двигатель и подшипники, которые поворачивают зеркало, находятся в том же модуле, что и датчики. Зеркало подвешено внизу.

Жидкозеркальные телескопы - это телескопы с зеркалами, выполненными из отражающей жидкости. Наиболее распространенная жидкость используется ртуть , но и другие жидкости будут работать так же хорошо (например, легкоплавкие сплавы из галлия ). Жидкость и емкость с ней вращаются с постоянной скоростью вокруг вертикальной оси, в результате чего поверхность жидкости принимает параболоидальную форму. Этот параболический отражатель может служить в качестве главного зеркала в виде зеркального телескопа . Вращающаяся жидкость принимает одинаковую форму поверхности независимо от формы емкости; Чтобы уменьшить количество необходимого жидкого металла и, следовательно, уменьшить вес, во вращающемся ртутном зеркале используется емкость, форма которой максимально приближена к необходимой параболической форме. Жидкие зеркала могут стать недорогой альтернативой обычным большим телескопам . По сравнению с зеркалом из цельного стекла, которое необходимо отливать, шлифовать и полировать, вращающееся зеркало из жидкого металла намного дешевле в производстве.

Исаак Ньютон отметил, что свободная поверхность вращающейся жидкости образует круговой параболоид и поэтому может использоваться в качестве телескопа, но на самом деле он не мог построить его, потому что у него не было возможности стабилизировать скорость вращения. Эта концепция была развита Эрнесто Капоччи из Неаполитанской обсерватории (1850 г.), но только в 1872 г. Генри Ски из Данидина , Новая Зеландия, сконструировал первый рабочий лабораторный телескоп с жидкостным зеркалом.

Другая трудность заключается в том, что зеркало из жидкого металла может использоваться 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 жидким зеркалом , где эффект земной гравитации заменяется искусственной гравитацией , возможно, путем вращения телескопа на очень длинном тросе или плавного продвижения вперед с помощью ракет). Только телескоп, расположенный на Северном или Южном полюсе, может предложить относительно статичный вид неба, хотя необходимо учитывать точку замерзания ртути и удаленность местоположения. На Южном полюсе уже существует очень большой радиотелескоп , но Северный полюс находится в Северном Ледовитом океане.

Ртутное зеркало Большого зенитного телескопа в Канаде было самым большим из когда-либо построенных зеркал из жидкого металла. Он имел диаметр 6 метров и вращался со скоростью около 8,5  оборотов в минуту . Оно было выведено из эксплуатации в 2016 году. Это зеркало было построено для испытаний за 1 миллион долларов, но оно не подходило для астрономии из-за погодных условий на полигоне. По состоянию на 2006 год планировалось построить более крупный 8-метровый телескоп с жидкостным зеркалом ALPACA для астрономического использования и более крупный проект под названием LAMA с 66 отдельными 6,15-метровыми телескопами с общей собирающей силой, равной 55-метровому телескопу. разрешающая способность 70-метрового прицела.

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 вверху. Вся сборка вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через центр.

Объяснение равновесия

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

В нижеследующем обсуждении представляет ускорение свободного падения , представляет угловую скорость вращения жидкости, в радианах в секунду, представляет собой массу бесконечно малой частицы жидкого материала на поверхности жидкости, представляет собой расстояние от этого пакета до ось вращения, а - высота участка над нулем, определяемая при вычислении. ${\ displaystyle g}$${\ displaystyle \ omega}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle h}$

Диаграмма сил (показана) представляет собой снимок сил, действующих на участок, в невращающейся системе отсчета. Направление каждой стрелки показывает направление силы, а длина стрелки показывает силу силы. Красная стрелка представляет собой вес посылки, вызванный силой тяжести и направленной вертикально вниз. Зеленая стрелка показывает силу плавучести, прилагаемую к пакету массой 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. (Он должен быть горизонтальным, поскольку у посылки нет вертикального ускорения.) Это центростремительная сила, которая постоянно ускоряет посылку по направлению 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, касательная которого является частным этих сил. Поскольку зеленая стрелка перпендикулярна поверхности жидкости, наклон поверхности должен быть равным частному от сил: ${\ displaystyle mg}$${\ displaystyle m \ omega ^ {2} r}$

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

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

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

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

Скорость вращения и фокусное расстояние

Уравнение параболоида относительно его фокусного расстояния (см. Параболический рефлектор # Теория ) можно записать как

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

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

Разделив это уравнение на последней выше устраняет и и приводит к ${\ displaystyle h}$${\ displaystyle r}$

${\ Displaystyle 2f \ omega ^ {2} = г,}$

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

Если мы запишем числовое значение фокусного расстояния в метрах и числовое значение скорости вращения в оборотах в минуту (об / мин), то на поверхности Земли, где примерно 9,81 метра в секунду в квадрате, последнее уравнение сводится к приближению ${\ displaystyle F}$${\ displaystyle S}$${\ displaystyle g}$

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

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

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

Скорость вращения все еще в об / мин.

Жидкозеркальные телескопы

Обычные наземные телескопы с жидкостными зеркалами

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 по форме обычного телескопического зеркала. Поверхность зеркала очень точная, небольшие дефекты формы цилиндра на нее не влияют. Используемое количество ртути невелико, менее миллиметра в толщину.

Жидкозеркальные телескопы на Луне

Низкотемпературные ионные жидкости (ниже 130  кельвинов ) были предложены в качестве жидкой основы для вращающегося жидкостного зеркального телескопа чрезвычайно большого диаметра, который будет базироваться на Луне. Низкая температура дает преимущество при визуализации длинноволнового инфракрасного света, который представляет собой форму света (с очень сильным красным смещением ), приходящего из самых далеких частей видимой Вселенной. Такая жидкая основа должна быть покрыта тонкой металлической пленкой, которая образует отражающую поверхность.

Кольцевые жидкостные зеркальные телескопы космического базирования

Жидкость-зеркальный телескоп Райс дизайн похож на обычные жидкостных зеркальные телескопы. Он будет работать только в космосе; но на орбите гравитация не искажает форму зеркала в параболоид. Конструкция предусматривает хранение жидкости в контейнере кольцевой формы с плоским дном и приподнятыми внутренними краями. Центральная фокальная область будет прямоугольной, но вторичное прямоугольно-параболическое зеркало будет собирать свет в фокальную точку. 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 жидкостного зеркала является его небольшая стоимость, около 1% от обычного зеркала телескопа. Это снижает стоимость всего телескопа как минимум на 95%. Университет Британской Колумбии 6-метровый «s Большой Zenith Telescope стоимостью около пятидесятых столько , сколько обычный телескоп со стеклянным зеркалом. Самый большой недостаток в том, что зеркало можно направлять только вверх. В настоящее время ведутся исследования по созданию телескопов, которые можно наклонять, но в настоящее время, если жидкое зеркало отклонится из зенита , оно потеряет свою форму. Следовательно, вид зеркала меняется по мере вращения Земли , и объекты нельзя физически отслеживать. Находясь в поле зрения, объект можно кратковременно отслеживать с помощью электроники, перемещая электроны по ПЗС-матрице с той же скоростью, что и изображение; эта тактика называется временной задержкой и интегрированием или сканированием дрейфа. Некоторые виды астрономических исследований не подвержены этим ограничениям, например, долгосрочные обзоры неба и поиск сверхновых . Поскольку Вселенная считается изотропной и однородной (это называется космологическим принципом ), при исследовании ее структуры космологи могут также использовать телескопы, сильно уменьшенные в направлении их взгляда.

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 лиц в своем районе. В Большом телескопе Зенит ртутное зеркало и люди-операторы размещены в отдельно вентилируемых помещениях. В его расположении в канадских горах температура окружающей среды довольно низкая, что снижает скорость испарения ртути. Вместо ртути можно использовать менее токсичный металлический галлий , но его недостатком является высокая стоимость. Недавно канадские исследователи предложили заменить магнитно-деформируемые жидкие зеркала, состоящие из суспензии наночастиц железа и серебра в этиленгликоле . В дополнение к низкой токсичности и относительно низкой стоимости такое зеркало могло бы иметь преимущество, заключающееся в том, что оно легко и быстро деформируется с использованием изменений напряженности магнитного поля .

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, чтобы сохранить свою параболическую форму, а также со скоростью один оборот в день вокруг оси Земли из-за вращение Земли. Обычно (кроме случаев, когда телескоп расположен на одном из полюсов Земли), два вращения взаимодействуют так, что в системе отсчета, которая является стационарной относительно локальной поверхности Земли, зеркало испытывает крутящий момент вокруг оси, которая перпендикулярно обеим осям вращения, т. е. горизонтальная ось, направленная с востока на запад. Поскольку зеркало жидкое, оно реагирует на этот крутящий момент изменением направления своего прицеливания. Точка в небе, на которую направлено зеркало, находится не совсем 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 угловых секунд , что, тем не менее, может быть значительным в астрономических наблюдениях. Если бы телескоп находился в космосе, вращаясь для создания искусственной гравитации, смещение могло бы быть намного больше, возможно, на много градусов. Это усложнило бы работу телескопа.

Список жидкостных зеркальных телескопов

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

• UBC / Laval LMT, 2,65 м, 1992 г.
• NASA-LMT, 3 м, 1995–2002 гг.
• ЛЗТ , 6 м, 2003–? (с момента вывода из эксплуатации с 2019 г.)
• ИЛМТ, 4 м, проба 2011 г.

Смотрите также

• Список частей и конструкции телескопа
• Список типов телескопов
• Ртутное стекло , посеребренные изнутри изделия из декоративного стекла, названные в честь их сходства с ртутью.
• Серебрение ртутью , метод нанесения тонкого слоя драгоценного металла на объект из недрагоценных металлов.
• Вращающаяся печь , используемая для изготовления больших стеклянных зеркал.
• Космический телескоп с жидкостным зеркалом
• Солнечная плита
• Зеркальное отражение

Примечания

использованная литература

внешние ссылки

• Большой зенитный телескоп Ртутный зеркальный телескоп диаметром 6 метров.