Dlaczego budujemy większe teleskopy lądowe zamiast wystrzelić większe w kosmos?

To pytanie jest kontynuacją Czy większe teleskopy mają lepsze wyniki?

O ile większe musi być lustro naziemne, aby pasowało do tego, co może zrobić kosmiczne lustro? Chyba pytam przede wszystkim o światło widzialne, ale interesuje mnie też ogólnie.

Myślę, że na ziemi, jesteś bezpieczny od mikrometeorytów, więc prawdopodobnie potrwa to dłużej. W którym momencie budowanie teleskopu na Księżycu czy coś takiego staje się tańsze?

Jest tańsze.

(1) Dzięki optyce adaptacyjnej można uzyskać rozdzielczość 0,1 sekundy łukowej na ziemi (co prawda tylko na szczycie góry o szczególnie dobrym przepływie powietrza, ale nadal!). Eliminuje to jedną z głównych zalet przestrzeni, dopóki lustro nie przekroczy średnicy kilku metrów.

(2) Owiewki rakietowe to osłony, które chronią ładunki podczas naddźwiękowych prędkości atmosferycznych osiąganych podczas startu. 5-metrowa owiewka jest w przybliżeniu największą, którą można latać, co ogranicza rozmiar jednoczęściowych luster, które można uruchomić. (Lustro Dreaded Webb Telescope składa się z elementów, które będą się układać w przestrzeni - bardzo przerażający i bardzo drogi projekt.)

(3) Obsługa teleskopu na szczycie Mauna Kea lub w wysokich chilijskich Andach jest trudnym i kosztownym procesem. Obsługa teleskopu na orbicie sprawia, że ​​wygląda to jak mała zmiana. (Koszt porównywalny z kosztem budowy nowego gigantycznego lunety na Ziemi.) A serwis na orbicie nie może być nawet wykonany przy użyciu obecnej technologii, z wyjątkiem niskiej orbity ziemskiej.

(4) Podczas gdy wysoka rozdzielczość to jedna granica w astronomii, głęboka jest inna, a głęboka wymaga dużych lusterek. 30-metrowe lustro na Ziemi gromadzi znacznie więcej światła niż 5-metrowe lustro w przestrzeni. Gigantyczne teleskopy naziemne po prostu lepiej sobie radzą jako lekkie wiadra do spektroskopii niż cokolwiek, co możemy jeszcze umieścić w kosmosie.

Najważniejsze jest to, że wraz z rozwojem optyki adaptacyjnej, kosmiczne teleskopy o rozmiarach, które obecnie można budować i które można wyrzucać, straciły główną przewagę nad teleskopami naziemnymi. A ponieważ kosztują od 10 do 100 razy więcej, nie warto budować ich z wielu powodów.

Teleskopy kosmiczne nadal mają znaczącą krawędź w częściach widma zablokowanych przez atmosferę, takich jak UV i IR (Webb), i do niektórych zadań obejmujących długoterminową fotometrię o wysokiej dokładności (Kepler) i astrometrię (Gaia). Ale w przypadku ogólnego zastosowania równowaga wydaje się mocno osadzona na ziemi w przypadku dużych teleskopów.

Zmieni się to, gdy lot kosmiczny stanie się tańszy - na przykład SpaceX BFR, z 9-metrową owiewką i znacznie niższymi kosztami startu, daje wielką nadzieję teleskopom kosmicznym.

Oprócz świetnej odpowiedzi Marka ...

Dlaczego budujemy większe teleskopy lądowe zamiast wystrzelić większe w kosmos?

Gdybyś miał pieniądze na dwa domy, jeden w pobliżu pracy i „letni domek” w lesie, jak podzieliłbyś swój budżet?

To pytanie jest kontynuacją Czy większe teleskopy mają lepsze wyniki?

Tak, i nie jestem fanem tych odpowiedzi, być może @MarkOlson też nie jest pod wrażeniem.

W tych odpowiedziach brakuje adaptacyjnej optyki (odrzucenie jej jako drogiej i niezbyt skutecznej) oraz możliwości łatwego ulepszenia wszystkiego oprócz wielkości budynku i głównego lustra.

O ile większe musi być lustro naziemne, aby pasowało do tego, co może zrobić kosmiczne lustro? Chyba pytam przede wszystkim o światło widzialne, ale interesuje mnie też ogólnie.

To nie tyle „ile większy”, to „skutecznie promować swój pomysł, zabezpieczyć jak najwięcej środków i zbudować największy budynek z największym możliwym lustrem głównym”. Kop głęboko i zbuduj, co możesz, a nie zmodernizuj tak dużego, jak możesz - czujniki i superkomputery mogą naprawić resztę.

Myślę, że na ziemi, jesteś bezpieczny od mikrometeorytów, więc prawdopodobnie potrwa to dłużej. W którym momencie budowanie teleskopu na Księżycu czy coś takiego staje się tańsze?

Teleskopy naziemne i kosmiczne są przydatne, a mniej księżycowe.

Kiedy mamy „The Acme Telescope Company” otwierającą swój pierwszy sklep na Księżycu, cena zakupu spadnie, do tego czasu Ziemia i kosmos będą tańsze. Dzięki technologii kosmicznej może spotkać cię w połowie drogi do naprawy, a naziemny (nawet na szczycie góry) warsztat naprawczy jest często pod ręką.

W Paranal budynek konserwacji lusterek znajduje się na szczycie góry, w pobliżu lusterek.

Artykuł w Scientific America: Czy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba „jest zbyt duży, by upaść”? wyjaśnia:

„Zakładając, że dotrzemy do trajektorii wtrysku do Ziemi-Słońca L2, oczywiście następną najbardziej ryzykowną rzeczą jest rozmieszczenie teleskopu. I w przeciwieństwie do Hubble'a nie możemy go naprawić. Nawet robot nie może wyjść i go naprawić. Podejmujemy więc wielkie ryzyko, ale za wielką nagrodę - mówi Grunsfeld.

Podejmowane są jednak skromne wysiłki, aby JWST był „serwisowalny” jak Hubble,według Scotta Willoughby'ego, menedżera programu JWST w Northrop Grumman Aerospace Systems w Redondo Beach w Kalifornii. Firma lotnicza jest głównym wykonawcą NASA do opracowania i integracji JWST, a jej zadaniem było zapewnienie „pierścienia interfejsu pojazdu startowego” w teleskopie, który mógłby być „uchwycony przez coś”, niezależnie od tego, czy jest to astronauta, czy robot zdalnie sterowany, mówi Willoughby. Gdyby statek kosmiczny został wysłany do L2 w celu dokowania z JWST, mógłby wówczas podjąć próbę naprawy - lub, jeśli obserwatorium działa dobrze, wystarczy uzupełnić zbiornik paliwa, aby przedłużyć jego żywotność. Ale obecnie nie ma pieniędzy na taką heroiczność. W przypadku, gdy JWST cierpi z powodu tego, co w locie kosmicznym subtelnie nazywa się „złym dniem”, czy to z powodu awarii rakiety, usterki rozmieszczenia, czy czegoś nieprzewidzianego, Grunsfeld mówi, że obecnie istnieje zespół obserwatoriów kosmicznych,

Uruchom dostarczone odkuwki pierścienia interfejsu pojazdu (LVIR) (2)

Cytat ze strony internetowej „ James Webb Space Telescope ” (JWST):

Ukończone zwierciadło główne będzie ponad 2,5 razy większe niż średnica zwierciadła głównego Teleskopu Kosmicznego Hubble'a, który ma średnicę 2,4 metra, ale waży około połowę mniej.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zbierze światło około 9 razy szybciej niż Kosmiczny Teleskop Hubble'a, jeśli weźmie się pod uwagę szczegóły dotyczące względnych rozmiarów, kształtów i cech lustra w każdym projekcie - powiedział Eric Smith, naukowiec z programu JWST w centrali NASA, Waszyngton Zwiększona wrażliwość pozwoli naukowcom zobaczyć, kiedy pierwsze galaktyki powstały tuż po Wielkim Wybuchu. Większy teleskop będzie miał zalety we wszystkich aspektach astronomii i zrewolucjonizuje badania nad tym, jak kształtują się i ewoluują gwiazdy i układy planetarne.

Zobacz także: „ Webb kontra teleskop Hubble'a ”:

... bardziej odległe obiekty są bardziej przesunięte ku czerwieni, a ich światło jest wypychane z promieniowania UV i optycznego do bliskiej podczerwieni. Zatem obserwacje tych odległych obiektów (jak na przykład pierwsze galaktyki powstałe we Wszechświecie) wymagają teleskopu na podczerwień.

Jest to kolejny powód, dla którego Webb nie zastępuje Hubble'a, ponieważ jego możliwości nie są identyczne. Webb będzie przede wszystkim patrzył na Wszechświat w podczerwieni, podczas gdy Hubble bada go przede wszystkim na długościach fal optycznych i ultrafioletowych (choć ma pewne możliwości podczerwieni). Webb ma również znacznie większe lustro niż Hubble. Ten większy obszar gromadzenia światła oznacza, że ​​Webb może zajrzeć w przeszłość bardziej niż Hubble. Hubble jest na bardzo bliskiej orbicie wokół Ziemi, a Webb będzie w odległości 1,5 miliona kilometrów (km) w drugim punkcie Lagrange (L2).

...

Jak daleko zajdzie Webb?

Ze względu na czas podróży światła, im dalej znajduje się przedmiot, tym bardziej cofamy się w czasie, którego szukamy.

Ta ilustracja porównuje różne teleskopy i to, jak daleko wstecz widzą. Zasadniczo Hubble [HST] widzi odpowiednik „małych galaktyk”, a Webb Telescope [JWST] może widzieć „małe galaktyki”. Jednym z powodów, dla których Webb będzie mógł zobaczyć pierwsze galaktyki, jest to, że jest to teleskop na podczerwień. Wszechświat (a więc i znajdujące się w nim galaktyki) rozszerza się. Kiedy mówimy o najodleglejszych obiektach, w grę wchodzi rzeczywiście Generał Einsteina. Mówi nam, że ekspansja wszechświata oznacza, że ​​przestrzeń między obiektami faktycznie się rozciąga, powodując, że obiekty (galaktyki) oddalają się od siebie. Co więcej, każde światło w tej przestrzeni również się rozciąga, przesuwając długość fali tego światła na dłuższe. Może to powodować, że odległe obiekty będą bardzo słabe (lub niewidoczne) przy widzialnych długościach fali światła, ponieważ to światło dociera do nas jako światło podczerwone. Teleskopy na podczerwień, takie jak Webb, są idealne do obserwacji tych wczesnych galaktyk.

Aktualizacje w adaptacyjnych technikach optycznych są w toku, patrz: „ Szybkie koherentne obrazowanie różnicowe w teleskopach naziemnych za pomocą samoprzystojnej kamery ” (7 czerwca 2018 r.), Autor: Benjamin L. Gerard, Christian Marois i Raphaël Galicher:

„Opracowujemy ramy dla jednej takiej metody opartej na samokoordynacyjnej kamerze (SCC), która ma być zastosowana do naziemnych teleskopów, zwanej Techniką Szybkiej Atmosfery SCC (FAST). Pokazujemy to za pomocą specjalnie zaprojektowanego koronografu i spójnego algorytm różnicowego obrazowania, rejestrowanie obrazów co kilka milisekund pozwala na odjęcie atmosferycznych i statycznych plamek przy jednoczesnym zachowaniu przepustowości egzoplanety bliskiej jedności. Szczegółowe symulacje osiągają kontrast zbliżony do granicy szumu fotonu po 30 sekundach dla pasma 1% w paśmie H zarówno w gwiazdach o jasności 0, jak i 5. W przypadku wielkości 5 jest to około 110 razy lepszy kontrast surowy niż w przypadku instrumentów ExAO, jeśli dokonamy ekstrapolacji na godzinę obserwacji, ilustrując, że poprawa czułości dzięki tej metodzie może odgrywać istotną rolę w przyszłym wykrywaniu i charakteryzowaniu egzoplanet o mniejszej masie.

Krótko mówiąc, czasami mogą całkowicie usunąć atmosferę. Nadchodzą ulepszenia.

ESO 4LGSF - Laser Stars Guility Facility - Cztery lasery służą do tworzenia gwiazd przewodnich dla AO.

Odpowiadając na twoje pytanie dotyczące budowania na Księżycu: podlega to tym samym kosztom startu i ograniczeniom co w przypadku lunety kosmicznej, a ponadto musisz poradzić sobie z lądowaniem i ugięciem grawitacyjnym. Pierwszą rzeczą, której potrzebujesz, jest działająca baza księżycowa, która może wytwarzać wszystkie komponenty z lokalnych surowców. Gdy to już będzie na swoim miejscu (wstaw duży śmiech tutaj), nadal będziesz potrzebować optyki adaptacyjnej (podobnie jak lunety wieloelementowe, takie jak JWebb) do wyrównywania i kompensacji ugięcia grawitacyjnego, ale ponieważ są one statyczne, nie potrzebujesz wysokiej częstotliwości reakcja wymagana na Ziemi do obsługi aberracji atmosferycznych. Będziesz chciał budować na „ciemnej stronie”, aby światło Terran nie zepsuło wszystkiego.

Odpowiedz na teleskopy na Księżycu. Przebywanie na powierzchni Księżyca stwarza problemy w porównaniu do swobodnego pływania w kosmosie z daleka od dowolnej planety / księżyca. Grawitacja zniekształca zwierciadła / mechanikę, wymaga dodatkowej inżynierii w celu utrzymania ciężaru, półksiężyc jest w dowolnym momencie blokowany przez księżyc, emisja ciepła z ziemi, zmiany temperatury z cyklem dzień-noc, pył ...

Daleka strona Księżyca byłaby najlepszym miejscem do prowadzenia obserwacji radiowych niskiej częstotliwości. Księżyc blokuje wszystkie emisje z ziemi.