NASA/Photo de Guy Plante (Université Laval) Le LMT de 3,7 mètres de diamètre à l'Université Laval à Québec. Depuis sa réparation en 1993, Le télescope spatial Hubble de la NASA a étonné les scientifiques et les citoyens avec ses vues sur l'univers, y compris des aperçus des galaxies connues les plus éloignées. Le miroir dans Hubble, cependant, est relativement petit à 94,5 pouces (près de 8 pieds) de diamètre, une limitation qui a encouragé la NASA à voir plus grand. Le télescope spatial James Webb, un lancement prévu en 2013, disposera d'un miroir de 20 pieds capable de fournir sept fois la surface de collecte de lumière de Hubble.
Mais la NASA envisage également une solution plus intrigante - un type spécial de télescope réfléchissant qui utilise un liquide, pas de verre, comme miroir primaire. Connu comme un télescope à miroir liquide (LMT) , il ne verrait pas l'espace depuis l'orbite terrestre, comme le fait Hubble. Au lieu, il scruterait l'univers depuis la surface de la lune. Le télescope mesurerait entre 66 pieds et 328 pieds de large, ce qui en fait le plus grand télescope connu de l'homme. Il recueillerait 1, 736 fois plus de lumière que Hubble et pénètre dans les profondeurs de l'univers pour voir des objets presque aussi vieux que le Big Bang.
Cet article explique comment fonctionne un télescope à miroir liquide. Il examinera la structure et la fonction d'un LMT, mais il le fera à la lumière d'un déploiement basé sur la lune. Comment diable construit-on un télescope sur la lune ? Est-ce que ça va être difficile de construire un LMT sur la lune ? Et surtout, quelles opportunités un télescope lunaire peut-il offrir ?
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Dans un hangar à avions à Columbus, Ohio, quelque 80 tonnes d'acier, l'électronique et l'équipement cryogénique sont sur le point de se réunir – et de déposer une once d'aluminium dans un revêtement ultra-fin sur un miroir de télescope géant.
Regardez cette vidéo de NASA Brain Bites pour découvrir comment vous pouvez voir la Station spatiale internationale depuis la Terre.
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Un LMT de 3 mètres en Nouveau-Mexique (maintenant fermé) Photo avec l'aimable autorisation de la NASA En principe, un LMT n'est pas différent d'un télescope à réflexion normal. Consultez Comment fonctionnent les télescopes pour une explication détaillée des télescopes. Voici un rapide récapitulatif.
UNE télescope réfléchissant utilise des miroirs pour voir des objets distants. Un miroir primaire recueille la lumière de l'objet, tandis qu'un miroir secondaire focalise l'image sur l'oculaire. Dans un réflecteur conventionnel, le miroir primaire est fabriqué en meulant et en polissant minutieusement le verre à sa forme désirée, généralement une parabole. Une fois le verre préparé, un processus connu sous le nom aluminiser le rend réfléchissant. L'aluminisation consiste à vaporiser l'aluminium sous vide, provoquant le dépôt d'un film de métal d'environ 100 nanomètres d'épaisseur sur le verre. Des défauts dans la production du miroir peuvent affecter les performances du télescope. C'était le problème avec Hubble :la courbe de son miroir principal n'était décalée que d'une fraction de la largeur d'un cheveu, qui a fait réfléchir la lumière loin du centre du miroir, conduisant à des images floues.
Un télescope à miroir liquide, comme son nom l'indique, utilise un liquide, verre non aluminisé, comme son miroir principal. Le liquide, d'habitude Mercure , est versé dans un plat rotatif. La rotation crée deux forces fondamentales qui agissent sur le mercure -- la gravité et inertie . La gravité tire vers le bas sur la surface liquide, tandis que l'inertie tire le liquide latéralement au bord du plat. Par conséquent, le liquide forme une parabole uniforme et parfaite, la surface réfléchissante idéale pour un télescope. Le meilleur de tous, la surface du miroir liquide reste lisse et sans défaut avec peu ou pas d'entretien. Si le liquide est perturbé, la gravité et l'inertie agiront sur le liquide pour le ramener à son état d'origine.
Ernesto Capocci , un astronome italien, a été la première personne à décrire comment un LMT pourrait fonctionner en 1850. Il a conçu l'idée après avoir lu sur les expériences, dirigé par Isaac Newton et d'autres, impliquant des liquides en rotation. Au début du 20e siècle, le physicien américain R.W. Wood a en fait construit ce que Capocci avait décrit 50 ans plus tôt. Le LMT de Wood comportait une couche de mercure d'un centimètre placée dans un plat rotatif. Il a pu observer la lune mais a noté que l'image était déformée. Les astronomes modernes ont appris que la qualité d'image d'un LMT était grandement améliorée si une couche plus fine de mercure était utilisée, les LMT d'aujourd'hui utilisent donc une couche de mercure d'un millimètre.
Les avantages des télescopes à miroir liquide
Le plus grand avantage d'un LMT est son coût relativement faible. Les télescopes à liquide coûtent beaucoup moins cher à construire que les miroirs en aluminium poli de taille similaire. Par exemple, le Grand télescope Zenith portait une étiquette de prix de 1 million de dollars. Un télescope à miroir en verre comparable coûterait 100 fois plus cher à construire. Et les LMT coûtent moins cher à entretenir, principalement parce que le miroir liquide n'a pas besoin d'être nettoyé, ajusté ou aluminisé.
Bien sûr, il y a quelques inconvénients. Le mercure est extrêmement toxique, donc travailler avec elle pose des risques pour la santé à long terme. Non seulement que, le plat contenant le mercure ne peut être incliné que jusqu'à ce que le liquide se répande. Cela limite la vue d'un LMT, qui ne peut que regarder vers le haut.
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Le grand télescope Zénith NASA/Photo de Paul Hickson (Université de la Colombie-Britannique) Le plus grand LMT sur Terre est le Grand télescope Zénith en Colombie-Britannique. Son miroir liquide en rotation mesure près de 20 pieds de diamètre et pèse trois tonnes, ce qui en fait le troisième plus grand télescope en Amérique du Nord. Le plat qui contient le mercure est fabriqué à partir de segments hexagonaux collés ensemble pour former une coquille. Chaque pièce a un noyau en mousse haute densité recouvert de fibre de verre. Pour donner à la coque une forme concave, il est chauffé dans un grand four. Un mur au bord du miroir empêche le mercure de se répandre.
Une poutre en acier et 19 patins réglables soutiennent le plat. La ferme, à son tour, est soutenu par un acier inoxydable palier à air conçu uniquement pour le grand télescope Zenith. Un roulement à air est un type spécial de roulement qui utilise un mince film d'air sous pression comme lubrifiant autour de l'arbre qui fait tourner le miroir. Les roulements normaux qui utilisent des lubrifiants à l'huile sont moins efficaces, car ils produisent des vibrations et des rotations instables qui dégradent la qualité de l'image. En tant que solution sans frottement, un palier à air élimine ces problèmes, conduisant à un parfaitement lisse, rotation sans vibration. Un moteur à courant continu sans balais intégré fait tourner la broche du palier à air et peut faire tourner une charge jusqu'à 10 tonnes à environ 10 tours par minute.
©2007 HowStuffWorks Six pieds de support fixent le miroir primaire à un anneau au sommet du télescope. L'anneau supporte le détecteur et une lentille de réfraction plus petite qui aide à focaliser l'image. Le détecteur comprend un appareil à couplage de charge (CCD), qui rassemble des photons de lumière et les convertit en éléments d'image, ou pixels. Ces pixels sont transférés sur un écran d'ordinateur et assemblés pour former une image qui peut être manipulée et améliorée pour améliorer les détails de l'image. L'ordinateur n'est pas logé dans la structure de l'observatoire du télescope, mais dans un immeuble voisin.
Le seul problème avec le Grand télescope Zenith - un problème qu'il partage avec tous les télescopes terrestres - est son emplacement. Même à une altitude de 1, 295 pieds, l'atmosphère protège toujours sa vue sur les cieux. Si un télescope à miroir liquide pouvait être placé sur la lune, où il n'y a pas d'atmosphère pour bloquer les ultraviolets, infrarouge et autres formes d'énergie, cela pourrait donner des résultats encore plus spectaculaires. Mais, comme nous le verrons dans la section suivante, construire un LMT sur la lune présente ses propres défis.
Un rendu de la NASA d'un télescope à miroir liquide lunaire Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA Un télescope à miroir liquide construit à la surface de la lune est un télescope à miroir liquide lunaire (LLMT) . Ce n'est vraiment pas différent du Grand télescope Zénith décrit dans la dernière section, sauf que le liquide choisi doit avoir les bonnes propriétés s'il veut rester liquide dans le climat rigoureux de la lune. Le mercure ne fonctionnera pas car son point de congélation est de -101,966° F (-74,43° C). La basse température sur la lune peut atteindre -243° F (-153° C), alors le mercure se solidifierait, ce qui en fait un choix inacceptable pour le miroir primaire.
Récemment, les scientifiques ont découvert une classe de liquides qui pourraient rendre un LLMT possible. Ils sont connus comme fluides ioniques , et ils ont ces propriétés importantes :
Plus important encore, les liquides ioniques peuvent être recouverts de matériaux qui leur confèrent une réflectivité élevée. Un fluide ionique prometteur est le 1-éthyl-3-méthyli-
éthylsulfate de midazolium, commercialement connu sous le nom ECOENG 212 . ECOENG 212 peut être revêtu d'argent, ce qui le rend hautement réfléchissant. Sa réflectivité peut être encore améliorée en déposant d'abord un film de chrome, suivi de l'argent. ECOENG 212 a un point de congélation de -144° F (-98° C), cependant, il pourrait donc encore se solidifier dans les températures glaciales de la lune. Étant donné qu'il existe des millions de liquides ioniques, les scientifiques sont convaincus qu'ils trouveront un autre candidat avec un meilleur profil de point de congélation.
Ils devront également trouver un autre moyen de soutenir le miroir primaire. Le palier à air utilisé dans le grand télescope Zenith ne fonctionnera pas sur la lune car il n'y a pas d'air pour alimenter le système. Une solution serait un palier magnétique supraconducteur. Un tel roulement est basé sur la même technologie utilisée dans les véhicules maglev, qui utilisent un champ magnétique pour faire léviter un véhicule au-dessus d'une voie de guidage. Dans ce cas, le champ magnétique crée un coussin sans frottement entre la broche et son logement.
Bien sûr, tous ces matériaux devront être expédiés par fusée vers la lune et assemblés là-bas. Même en tenant compte de cela, un télescope à miroir liquide pose beaucoup moins de problèmes logistiques qu'un télescope à réflexion classique en verre. Le miroir, parce que c'est liquide, sera simplement transporté dans une cruche et stocké jusqu'à ce que l'infrastructure du télescope soit prête. Ensuite, un astronaute versera le liquide dans le plat pour former le miroir primaire. Le système de fermes utilisé pour supporter la parabole et le miroir pourrait être préconstruit et déployé de manière robotique, son cadre se dépliant comme un parapluie qui s'ouvre. Mais utiliser un robot pour construire un LMT sur la lune nécessiterait que l'instrument reste assez petit. Comme nous le verrons dans la section suivante, le LMT envisagé par les astronomes et les ingénieurs de la NASA est tout sauf petit.
Image d'étoiles et de galaxies prise avec le LMT de 6 mètres à l'Université de la Colombie-Britannique NASA/Photo de Paul Hickson (Université de la Colombie-Britannique) Un télescope à miroir liquide placé sur la lune présente instantanément un avantage majeur par rapport à un télescope terrestre :il est exempt de distorsion atmosphérique, qui affecte les images célestes. Pour la même raison, il est également capable de détecter d'autres formes d'énergie électromagnétique. La plupart des types de rayonnement électromagnétique, à l'exception de la lumière visible et des ondes radio, sont absorbés par l'atmosphère terrestre. Sur la Lune, qui n'a pas d'atmosphère du tout, un télescope serait exposé à tout le spectre du rayonnement électromagnétique - rayons gamma, rayons X, lumière ultraviolette, lumière visible, rayonnement infrarouge, micro-ondes et ondes radio.
Un télescope utilisant un liquide ionique comme miroir principal serait particulièrement sensible à la lumière visible et au rayonnement infrarouge. Ce serait important pour observer les objets les plus éloignés de l'univers, qui s'éloignent rapidement de la Terre. L'effet Doppler les amène à créer un rayonnement dans la plus grande longueur d'onde, partie infrarouge du spectre.
La taille est également un facteur clé. Dans l'environnement de faible gravité de la lune, il est beaucoup plus facile de construire de grandes structures. L'équipe qui a conçu le LLMT pense pouvoir construire un miroir liquide primaire d'une largeur de 66 à 328 pieds. Un tel miroir serait capable d'observer des objets 100 à 1, 000 fois plus faible que la prochaine génération de télescopes - y compris le télescope spatial James Webb - est capable de le faire. Cela signifie que les astronomes pourraient utiliser l'instrument pour scruter plus profondément dans l'espace et le temps que jamais auparavant. Pour la première fois, nous pourrions être en mesure de détecter les toutes premières phases de l'univers juste après le Big Bang, élargir notre compréhension du comportement de l'univers nouvellement formé.
À l'heure actuelle, le LLMT est encore un concept. Le projet a reçu un financement de l'Institute for Advanced Concepts de la NASA pour une étude visant à montrer comment un télescope sur la lune pourrait soutenir l'astronomie. Ceci est important car la lune est la première cible de la Vision pour l'exploration spatiale, une initiative cherchant comment sortir de l'orbite terrestre à des fins d'exploration humaine et de découverte scientifique. Si la NASA peut démontrer que les avant-postes lunaires seraient pratiques, à la fois économique et scientifique, alors le public - et en fin de compte le Congrès - pourrait être disposé à montrer un soutien financier approprié.
Un télescope à miroir liquide lunaire fait partie de plusieurs projets qui aideront la NASA à prouver la faisabilité de l'exploration spatiale. Même encore, il pourrait être déployé au plus tôt en 2020. Jusque-là, les astronomes devront se contenter de télescopes à miroir liquide, comme le Grand télescope Zénith, qui voient les cieux depuis la Terre.
Pour en savoir plus sur les télescopes à miroirs liquides lunaires, consultez les liens sur la page suivante.
