Течни огледални телескопи за наука
За да се направи параболично огледало, е достатъчно да се обърне отразяваща течна повърхност, например живак. Техническият прогрес сега позволява да се произвеждат гигантски телескопи на по-ниска цена според тази древна концепция.
Шестметровият телескоп с течен живачен огледален телескоп на Големия Зенит се върти със скорост 7 оборота в минута.
Огледалата за телескоп обикновено са направени от стъкло. Най-големите от тях днес, тези на телескопите Twin Keck на върха на Мауна Кеа, Хавай, са сегментирани огледала, всяко от които се състои от 36 шестоъгълни елемента, с общ диаметър десет метра. Тези парчета стъкло трябва да бъдат внимателно полирани с точност до няколко десетки нанометра, преди да бъдат покрити с тънък слой алуминий или сребро, предназначени да ги направят отразяващи. Необходима е сложна опорна система, за да се предотврати деформацията на повърхността на температурните промени или собственото им тегло. Повечето съвременни големи телескопи са оборудвани и с адаптивни оптични системи, набор от сензори и крикове, които непрекъснато регулират формата на огледалото в малък мащаб, за да компенсират изкривяванията, причинени от атмосферната турбуленция. Тези инструменти са чудеса на технологията, но са изключително скъпи: телескоп с диаметър шест метра струва около десет милиона долара. Но колкото и изненадващо да звучи, сравнимо представяне може да се постигне чрез просто завъртане на плоска повърхност, покрита с живак.
Принципът е прост. Повърхността на течността в равновесие е повърхност с постоянна потенциална енергия, т.е. всяка промяна в потенциала на тази повърхност би представлявала сила, която би накарала течността да тече. В покой потенциалната енергия на даден обект е пропорционална на височината му. По този начин повърхността, приета от повечето течности, е равна (ако пренебрегнем капилярността). Но ако придадем на тази течност въртене с постоянна ъглова скорост около вертикална ос, потенциалната енергия зависи не само от височината, но и от разстоянието до оста (тя намалява като квадрат на това разстояние). Под действието на гравитацията и центробежната сила повърхността след това приема еквипотенциалната форма на параболоид.
Но параболоидът е точно формата, необходима за фокусиране на светлината! Падащите лъчи, успоредни на оста, се отразяват по такъв начин, че да се срещнат в точка, фокусна точка на огледалото. Лъчите, пристигащи от други посоки, не са фокусирани толкова точно, но добавянето на подходящ набор от лещи пред фокусната точка осигурява качествено изображение за широко зрително поле. Поради това повечето големи астрономически телескопи използват параболични (или почти параболични) първични огледала и вторични огледала или лещи, за да коригират аберациите в полето на оптичната ос.
Идеята за използване на въртяща се течност за фокусиране на светлината не е нова. Италианският астроном Ернесто Капочи от обсерваторията в Неапол е първият, който описва тази възможност още през 1850 г., въпреки че никога не прилага идеята на практика. Валидността на концепцията е демонстрирана през 1872 г., когато Хенри Ски от Обсерваторията Дънидин в Нова Зеландия конструира течно огледало с диаметър 14 инча в лабораторията си. През 1909 г. американският физик Робърт Ууд от университета "Джон Хопкинс" построява първите цялостни телесни огледални телескопи. Най-успешният модел имаше огледало с диаметър 51 сантиметра. Той се въртеше на механична опора, задвижвана от гумен колан. С този телескоп Ууд успява да разграничи компонентите на четворната звездна система ε Lyrae, чиито звезди са разделени само на 2,3 секунди дъга, едва на порядък над теоретичната граница поради дифракцията за огледало с този диаметър.
Телескопът на Ууд обаче беше непрактичен. Той беше затруднен от вибрации и лека нестабилност на огледалото. Нещо повече, липсата на прецизност при управлението на скоростта на въртене доведе до вариации във фокусното му разстояние. Освен това, тъй като оста на въртене трябваше да бъде вертикална, телескопът можеше да наблюдава само тясно поле, разположено директно в линията, в което въртенето на Земята даваше постоянно движение на звездите. Подобни проблеми обясняват защо пистата с течни огледални телескопи е била изоставена за близо три четвърти век.
През 1982 г. канадският физик Ермано Бора, тогава в университета в Лавал в Квебек, решава да преразгледа подхода на Ууд. Е. Бора и колегите му вярваха, че техническият прогрес ще преодолее трудностите, спряли Ууд по това време. По-специално Е. Бора осъзна, че проблемът с отклонението на изображението в зрителното поле, дължащ се на въртенето на Земята, може да бъде решен чрез заместване на традиционния филм с ccd детектор (устройство, свързано със заряд), тип интегриран силиций схема, която оборудва всички цифрови фотоапарати и други видеокамери днес. Принципът е следният: фотоните, които удрят силициевата решетка, осигуряват достатъчно енергия, за да придвижат електроните към потенциални кладенци, създадени от напрежения, приложени към редица електроди. В края на времето на експозиция напреженията се променят така, че да се преместят електроните на повърхността на устройството до ръба на мрежата, а след това оттам към усилвател, който генерира поредица от сигнали за напрежение. брой електрони, събрани във всяка потенциална ямка. Изображението се чете пиксел по пиксел и се изпраща на компютър.
Когато осветлението е слабо, достатъчно е да увеличите времето за експозиция, за да позволите на сензора ccd да събере достатъчно светлина. За съжаление, ако ccd се използват стандартно с течен огледален телескоп, който не може да проследи обект, движещ се по небето, звездите ще се появят като пътеки, а не като остри точки, а изображенията ще бъдат размазани.
Въпреки това е възможно да се преодолее тази празнина, като се играе на напрежението. Прилагайки подходящите напрежения към електродите на ccd със съответната скорост, човек може да принуди електроните да се движат със същата скорост и в същата посока като изображението на небето, проектирано от телескопа. Ако тази смяна се направи внимателно, електроните остават във фаза с фотоните, които ги произвеждат и размазването на изображението изчезва.
Когато изображението на звезда достигне ръба на ccd сензора, това се случва и със съответните електрони. Четенето - и експозицията - е непрекъснато, обикновено със скорост от няколко десетки решетъчни линии в секунда. Времето за експозиция, необходимо на изображението на звездата да се отклони от едната страна на сензора към другата, е от порядъка на една или две минути. Астрономите често използват тази техника на „почистване“, когато наблюдават с конвенционални телескопи, тъй като това е много ефективен начин за заснемане на изображението на голяма част от небето.
Телескопи за систематични изследвания
Въпреки че идеята за сканиране е насърчила Е. Бора да реанимира телесните телескопи с течни огледала, той никога не е достигнал точката да използва тази техника. Въпреки това той представи и други нововъведения. За да преодолее вибрациите и трептенията, Е. Бора използва въздушен лагер, чиито повърхности, които се въртят една върху друга, полирани с прецизност, са разделени от тънък слой въздух под налягане. Тези лагери са практически без триене и по този начин осигуряват плавно въртене. Използвайки синхронен двигател, задвижван от пиезоелектричен осцилатор, Е. Бора също елиминира вариациите на скоростта, които затрудняват инструмента на Ууд.