Telescopio a specchio liquido - Liquid-mirror telescope

Un telescopio a specchio liquido. In questo progetto, i sensori ottici sono montati sopra lo specchio, in un modulo al suo centro, e il motore e i cuscinetti che fanno girare lo specchio sono nello stesso modulo dei sensori. Lo specchio è sospeso sotto.

I telescopi a specchio liquido sono telescopi con specchi realizzati con un liquido riflettente. Il liquido più comunemente utilizzato è il mercurio , ma funzioneranno anche altri liquidi (ad esempio le leghe di gallio a basso punto di fusione ). Il liquido e il suo contenitore vengono fatti ruotare a velocità costante attorno ad un asse verticale, il che fa assumere alla superficie del liquido una forma paraboloide . Questo riflettore parabolico può fungere da specchio primario di un telescopio riflettore . Il liquido rotante assume la stessa forma superficiale indipendentemente dalla forma del contenitore; per ridurre la quantità di metallo liquido necessaria, e quindi il peso, uno specchio rotante al mercurio utilizza un contenitore il più vicino possibile alla forma parabolica necessaria. Gli specchi liquidi possono essere un'alternativa a basso costo ai grandi telescopi convenzionali . Rispetto a uno specchio in vetro solido che deve essere fuso, rettificato e lucidato, uno specchio rotante in metallo liquido è molto meno costoso da produrre.

Isaac Newton ha notato che la superficie libera di un liquido rotante forma un paraboloide circolare e può quindi essere utilizzata come telescopio, ma non poteva effettivamente costruirne uno perché non aveva modo di stabilizzare la velocità di rotazione. Il concetto fu ulteriormente sviluppato da Ernesto Capocci dell'Osservatorio di Napoli (1850), ma fu solo nel 1872 che Henry Skey di Dunedin , in Nuova Zelanda, costruì il primo telescopio a specchio liquido da laboratorio funzionante.

Un'altra difficoltà è che uno specchio di metallo liquido può essere utilizzato solo nei telescopi zenitali , cioè che guardano verso l'alto , quindi non è adatto per indagini in cui il telescopio deve rimanere puntato nella stessa posizione dello spazio inerziale (una possibile eccezione a questo potrebbe esistere una regola per un telescopio spaziale a specchio liquido , in cui l'effetto della gravità terrestre è sostituito dalla gravità artificiale , magari ruotando il telescopio su un cavo molto lungo o spingendolo dolcemente in avanti con i razzi). Solo un telescopio situato al Polo Nord o al Polo Sud offrirebbe una visione relativamente statica del cielo, anche se sarebbe necessario considerare il punto di congelamento del mercurio e la lontananza del luogo. Al Polo Sud esiste già un radiotelescopio molto grande , ma il Polo Nord si trova nell'Oceano Artico.

Lo specchio di mercurio del Large Zenith Telescope in Canada è stato il più grande specchio di metallo liquido mai costruito. Aveva un diametro di 6 metri e ruotava ad una velocità di circa 8,5  giri al minuto . È stato dismesso nel 2016. Questo specchio era un test, costruito per $ 1 milione, ma non era adatto per l'astronomia a causa del tempo del sito di test. A partire dal 2006, sono stati fatti piani per costruire un più grande telescopio a specchio liquido ALPACA di 8 metri per uso astronomico, e un progetto più ampio chiamato LAMA con 66 singoli telescopi da 6,15 metri con una potenza di raccolta totale pari a un telescopio di 55 metri, potere risolutivo di un telescopio di 70 metri.

Forma parabolica formata da una superficie liquida in rotazione. Due liquidi di diversa densità riempiono uno spazio ristretto tra due fogli di plastica trasparente. Lo spazio tra i fogli è chiuso in basso, ai lati e in alto. L'intero gruppo ruota attorno ad un asse verticale passante per il centro.

Spiegazione dell'equilibrio

La forza di gravità (rosso), la forza di galleggiamento (verde) e la risultante forza centripeta (blu)

Nella discussione seguente, rappresenta l' accelerazione di gravità , rappresenta la velocità angolare di rotazione del liquido, in radianti al secondo, è la massa di una particella infinitesimale di materiale liquido sulla superficie del liquido, è la distanza della particella da l'asse di rotazione, ed è l'altezza del pacco sopra uno zero da definire nel calcolo. ${\displaystyle g}$${\displaystyle\omega}$${\displaystyle m}$${\displaystyle r}$${\displaystyleh}$

Il diagramma delle forze (mostrato) rappresenta un'istantanea delle forze che agiscono sul pacco, in un sistema di riferimento non rotante. La direzione di ciascuna freccia mostra la direzione di una forza e la lunghezza della freccia mostra la forza della forza. La freccia rossa rappresenta il peso del pacco, causato dalla gravità e diretto verticalmente verso il basso. La freccia verde mostra la forza di galleggiamento esercitata sul pacco dalla massa del liquido. Poiché, in equilibrio, il liquido non può esercitare una forza parallela alla sua superficie, la freccia verde deve essere perpendicolare alla superficie. La freccia blu corta mostra la forza netta sul pacco. È la somma vettoriale delle forze di peso e di galleggiamento e agisce orizzontalmente verso l'asse di rotazione. (Deve essere orizzontale, poiché il pacco non ha accelerazione verticale.) È la forza centripeta che accelera costantemente il pacco verso l'asse, mantenendolo in movimento circolare mentre il liquido ruota.

La forza di galleggiamento (freccia verde) ha una componente verticale, che deve essere uguale al peso del pacco (freccia rossa), e la componente orizzontale della forza di galleggiamento deve essere uguale alla forza centripeta (freccia blu). Pertanto, la freccia verde è inclinata rispetto alla verticale di un angolo la cui tangente è il quoziente di queste forze. Poiché la freccia verde è perpendicolare alla superficie del liquido, la pendenza della superficie deve essere lo stesso quoziente delle forze: ${\displaystyle mg}$${\displaystyle m\omega ^{2}r}$

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

Annullando il su entrambi i lati, integrando e impostando quando porta a ${\displaystyle m}$${\displaystyleh=0}$${\displaystyle r=0}$

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

Questo è della forma , dove è una costante, che mostra che la superficie è, per definizione, un paraboloide . ${\displaystyle h=kr^{2}}$${\displaystyle k}$

Velocità di rotazione e lunghezza focale

L'equazione del paraboloide in termini di lunghezza focale (vedi Parabolic Reflector#Theory ) può essere scritta come

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

dove è la lunghezza focale, e e sono definiti come sopra. ${\displaystyle f}$${\displaystyleh}$${\displaystyle r}$

Dividendo questa equazione per l'ultima sopra si elimina e e porta a ${\displaystyleh}$${\displaystyle r}$

${\displaystyle 2f\omega ^{2}=g,}$

che mette in relazione la velocità angolare della rotazione del liquido con la lunghezza focale del paraboloide prodotto dalla rotazione. Notare che non sono coinvolte altre variabili. La densità del liquido, ad esempio, non ha alcun effetto sulla lunghezza focale del paraboloide. Le unità devono essere coerenti, ad esempio possono essere in metri, in radianti al secondo e in metri al secondo al quadrato. ${\displaystyle f}$${\displaystyle\omega}$${\displaystyle g}$

Se scriviamo per il valore numerico della lunghezza focale in metri, e per il valore numerico della velocità di rotazione in giri al minuto (RPM), quindi sulla superficie terrestre, dove è circa 9,81 metri al secondo quadrato, l'ultima equazione si riduce all'approssimazione ${\displaystyle F}$${\displaystyle S}$${\displaystyle g}$

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

Se la lunghezza focale è in piedi anziché in metri, questa approssimazione diventa

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

La velocità di rotazione è ancora in RPM.

Telescopi a specchio liquido

Telescopi terrestri convenzionali a specchio liquido

Questi sono fatti di liquido immagazzinato in un contenitore cilindrico fatto di un materiale composito , come Kevlar . Il cilindro viene fatto girare fino a raggiungere alcuni giri al minuto. Il liquido forma gradualmente un paraboloide , la forma di uno specchio telescopico convenzionale. La superficie dello specchio è molto precisa e piccole imperfezioni nella forma del cilindro non la intaccano. La quantità di mercurio utilizzata è piccola, meno di un millimetro di spessore.

Telescopi a specchio liquido basati sulla luna

Liquidi ionici a bassa temperatura (sotto i 130  kelvin ) sono stati proposti come base fluida per un telescopio a specchio liquido rotante di diametro estremamente grande da basare sulla Luna. La bassa temperatura è vantaggiosa nell'imaging della luce infrarossa a onde lunghe, che è la forma di luce (estremamente spostata verso il rosso ) che arriva dalle parti più distanti dell'universo visibile. Tale base liquida sarebbe ricoperta da una sottile pellicola metallica che forma la superficie riflettente.

Telescopi spaziali a specchio liquido ad anello

Il design del telescopio a specchio liquido Rice è simile ai telescopi a specchio liquido convenzionali. Funzionerà solo nello spazio; ma in orbita, la gravità non distorcerà la forma dello specchio in un paraboloide. Il design presenta un liquido conservato in un contenitore a forma di anello a fondo piatto con bordi interni rialzati. L'area focale centrale sarebbe rettangolare, ma uno specchio parabolico rettangolare secondario raccoglierebbe la luce in un punto focale. Altrimenti l'ottica è simile ad altri telescopi ottici. Il potere di raccolta della luce di un telescopio Rice è equivalente a circa la larghezza per il diametro dell'anello, meno una frazione basata sull'ottica, sul design della sovrastruttura, ecc.

Vantaggi e svantaggi

Il più grande vantaggio di uno specchio liquido è il suo basso costo, circa l'1% di uno specchio per telescopio convenzionale. Questo riduce il costo dell'intero telescopio di almeno il 95%. L'University of British Columbia di 6 metri s’ Large Zenith Telescope costo di circa un cinquantesimo tanto quanto un telescopio convenzionale con uno specchio di vetro. Il più grande svantaggio è che lo specchio può essere puntato solo verso l'alto. Sono in corso ricerche per sviluppare telescopi che possono essere inclinati, ma attualmente se uno specchio liquido dovesse inclinarsi fuori dallo zenit , perderebbe la sua forma. Pertanto, la vista dello specchio cambia mentre la Terra ruota e gli oggetti non possono essere tracciati fisicamente. Un oggetto può essere tracciato elettronicamente brevemente mentre si trova nel campo visivo spostando gli elettroni attraverso il CCD alla stessa velocità con cui si muove l'immagine; questa tattica è chiamata ritardo e integrazione o scansione della deriva. Alcuni tipi di ricerca astronomica non sono interessati da queste limitazioni, come le indagini del cielo a lungo termine e le ricerche di supernova . Poiché si crede che l' universo sia isotropo e omogeneo (questo è chiamato il principio cosmologico ), l'indagine della sua struttura da parte dei cosmologi può anche utilizzare telescopi molto ridotti nella loro direzione di vista.

Poiché il metallo di mercurio e il suo vapore sono tossici sia per l'uomo che per gli animali, rimane un problema per il suo utilizzo in qualsiasi telescopio in cui può influenzare i suoi utenti e altri nella sua area. Nel Large Zenith Telescope, lo specchio di mercurio e gli operatori umani sono alloggiati in stanze ventilate separatamente. Nella sua posizione nelle montagne canadesi, la temperatura ambiente è piuttosto bassa, il che riduce il tasso di evaporazione del mercurio. Il gallio, un metallo meno tossico, può essere usato al posto del mercurio, ma ha lo svantaggio di un costo elevato. Recentemente ricercatori canadesi hanno proposto la sostituzione di specchi liquidi magneticamente deformabili composti da una sospensione di nanoparticelle di ferro e argento in glicole etilenico . Oltre alla bassa tossicità e al costo relativamente contenuto, tale specchio avrebbe il vantaggio di essere facilmente e rapidamente deformabile mediante variazioni di intensità del campo magnetico .

Effetti giroscopici

Di solito, lo specchio di un telescopio a specchio liquido viene ruotato su due assi contemporaneamente. Ad esempio, lo specchio di un telescopio sulla superficie terrestre ruota alla velocità di pochi giri al minuto attorno ad un asse verticale per mantenere la sua forma parabolica, e anche alla velocità di un giro al giorno attorno all'asse terrestre a causa della la rotazione della Terra. Solitamente (tranne se il telescopio si trova in corrispondenza di uno dei poli terrestri), le due rotazioni interagiscono in modo che, in un sistema di riferimento stazionario rispetto alla superficie locale della Terra, lo specchio subisca una coppia attorno ad un asse che è perpendicolare ad entrambi gli assi di rotazione, cioè un asse orizzontale allineato est-ovest. Poiché lo specchio è liquido, risponde a questa coppia cambiando la direzione di mira. Il punto nel cielo verso cui è puntato lo specchio non è esattamente sopra la testa, ma è leggermente spostato a nord oa sud. L'entità dello spostamento dipende dalla latitudine, dalle velocità di rotazione e dai parametri di progettazione del telescopio. Sulla Terra, lo spostamento è piccolo, tipicamente pochi secondi d'arco , che può, tuttavia, essere significativo nelle osservazioni astronomiche. Se il telescopio fosse nello spazio, ruotando per produrre gravità artificiale, lo spostamento potrebbe essere molto più grande, forse molti gradi. Ciò aggiungerebbe complessità al funzionamento del telescopio.

Elenco dei telescopi a specchio liquido

Storicamente esistono vari prototipi. A seguito di una ripresa dell'interesse per la tecnologia negli anni '80, diversi progetti sono stati realizzati.

• UBC/Laval LMT, 2,65 m, 1992
• NASA-LMT, 3 m, 1995–2002
• LZT , 6 m, 2003–? (dal dismesso a partire dal 2019)
• ILMT, 4 m, prova 2011

Guarda anche

• Elenco delle parti e della costruzione del telescopio
• Elenco dei tipi di telescopi
• Vetro al mercurio , prodotti in vetro decorativo argentato internamente chiamati per la loro somiglianza con il mercurio
• L'argentatura al mercurio , una tecnica per applicare un sottile strato di un metallo prezioso a un oggetto di metallo di base
• Forno rotante , utilizzato per realizzare grandi specchi di vetro
• Telescopio spaziale a specchio liquido
• Fornello solare
• Riflesso speculare

Appunti

Riferimenti

link esterno

• Large Zenith Telescope Un telescopio a specchio al mercurio del diametro di 6 metri.