Αντανακλώντας το Σύμπαν: χτίζοντας τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια του κόσμου Understand article

Για εκατοντάδες χρόνια, τα τηλεσκόπια έχουν βοηθήσει τους αστρονόμους να ξεδιαλύνουν τα μυστήρια του Σύμπαντος. Αλλά…

Το 1608, ένας Γερμανό-Ολλανδός κατασκευαστής γυαλιών εν ονόματι Hans Lippershey κατέθεσε δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μια μικρή συσκευή που χρησιμοποιούσε φακούς για να εστιάσει το φως και να παράγει μια μεγεθυμένη όψη μακρινών αντικειμένων: ήταν το πιο πρόωρο γνωστό σχέδιο για ένα τηλεσκόπιο. Λίγο μετά την εφεύρεση αυτή, ο Γαλιλαίος, όπως είναι ευρέως γνωστό, κατασκεύασε ένα δικό του, και ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε ένα τηλεσκόπιο για αστρονομικές παρατηρήσεις. Τετρακόσια χρόνια αργότερα, τα τηλεσκόπια εξακολουθούν να είναι ζωτικής σημασίας για την αστρονομία, αλλά έχουν εξελιχθεί από μικρά, χειροκίνητα όργανα σε γιγάντιες, ελεγχόμενες από υπολογιστή συσκευές.

Σήμερα, τα περισσότερα από τα μεγαλύτερα οπτικά τηλεσκόπια και τα τηλεσκόπια υπερύθρων – πολλά από τα οποία κατασκευάζονται και λειτουργούνται από το Ευρωπαϊκό Αστεροσκοπείο του Νότου^w1 (ESO) – χρησιμοποιούν κάτοπτρα αντί για φακούς για να συγκεντρώσουν και να εστιάσουν το φως. Όσο μεγαλύτερο είναι το κάτοπτρο, τόσο περισσότερο φως μπορεί να συγκεντρώσει, επιτρέποντας στους αστρονόμους να δουν με μεγάλη ακρίβεια αμυδρά ουράνια αντικείμενα – τα οποία είναι συχνά πολύ μακριά. Παρόλο που τα μεγάλα κάτοπτρα παράγονται ευκολότερα από τους μεγάλους φακούς, η παραγωγή σύγχρονων αστρονομικών τηλεσκοπίων εξακολουθεί να αποτελεί πραγματική πρόκληση.

Από τον Νεύτωνα στο σήμερα

Το πρώτο επιτυχημένο τηλεσκόπιο ανακλάσεως (που χρησιμοποιεί κάτοπτρα και όχι φακούς για να εστιάσει το φως) κατασκευάστηκε από τον Ισαάκ Νεύτωνα το 1668. Ο βασικός νευτώνιος σχεδιασμός χρησιμοποιεί ένα κοίλο πρωτεύον κάτοπτρο (το πρώτο κάτοπτρο που χτυπά το αστέρι κατά την είσοδο του στο τηλεσκόπιο) και ένα επίπεδο δευτερεύον κάτοπτρο, το οποίος είναι τοποθετημένο πάνω από το πρωτεύον κάτοπτρο και γωνιακά διαγώνια ώστε να ανακλά και να κατευθύνει το φως σε ένα προσοφθάλμιο. Η ίδια αρχή χρησιμοποιείται σήμερα σε πολλά ερασιτεχνικά και επαγγελματικά τηλεσκόπια. Στα σύγχρονα τηλεσκόπια, τα κάτοπτρα επιτρέπουν στο φως να κατευθύνεται σε διαφορετικές κάμερες ή ανιχνευτές στη θέση του προσοφθάλμιου φακού και επιτρέπουν επίσης το σχεδιασμό πιο συμπαγών τηλεσκοπίων.

Το πρώτο ανακλαστικό τηλεσκόπιο του Νεύτωνα χρησιμοποίησε ένα πρωτεύον κάτοπτρο διαμέτρου 3,3 cm. Τώρα, τα μεγαλύτερα απλά ανακλαστικά κάτοπτρα τηλεσκοπίων στον κόσμο έχουν διάμετρο περίπου 8 m. Το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο (Very Large Telescope –VLT) στη Χιλή της Νότιας Αμερικής για παράδειγμα, αποτελείται από τέσσερα τηλεσκόπια, η διάμετρος του πρωτεύοντος κατόπτρου του καθενός είναι 8,2 m.   

Κατασκευάζοντας τα κάτοπτρα

Το υλικό επιλογής για τα περισσότερα επαγγελματικά κάτοπτρα τηλεσκοπίων είναι το γυαλί (όπως το βοριοπυριτικό γυαλί, το οποίο χρησιμοποιείται για μαγειρικά σκεύη “Pyrex”) ή ένα ειδικό γυάλινο κεραμικό σύνθετο υλικό. Τέτοια υλικά μπορούν να τριφτούν και να λειανθούν ακριβώς στο σωστό σχήμα για να παράγουν μια καλή εικόνα. Επίσης δεν αλλάζουν σχήμα ή μέγεθος με τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό γιατί πολλά τηλεσκόπια βρίσκονται ψηλά στα βουνά ή στην έρημο, όπου οι θερμοκρασίες διαφέρουν σημαντικά μεταξύ ημέρας και νύχτας.

Για να εστιαστεί όσο το δυνατό περισσότερο το αμυδρό φως ενός αστέρα, η επιφάνεια του πρωτεύοντος κατόπτρου πρέπει να είναι ιδιαίτερα ανακλαστική. Η ανακλαστικότητα δημιουργείται χρησιμοποιώντας εξαιρετικά λεπτή επικάλυψη από υλικό που ανακλά το φως, η ταυτότητα του οποίου εξαρτάται από το μήκος κύματος λειτουργίας του τηλεσκοπίου. Για παράδειγμα, ασήμι ή αλουμίνιο συχνά χρησιμοποιείται σε κάτοπτρα τηλεσκοπίων του ορατού και του εγγύς υπερύθρου.

Μεγαλύτερο και καλύτερο

Το μέγεθος των κατόπτρων των τηλεσκοπίων έχει αυξηθεί σημαντικά τα τελευταία 50 χρόνια, αλλά οι αστρονόμοι πάντα θέλουν να έχουν μεγαλύτερους. Ωστόσο, υπάρχει ακόμα ένα όριο: ένα κάτοπτρο πολύ μεγαλύτερο από 8 m θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο να κοπεί και να λειανθεί. Έτσι, μια λύση είναι να κατασκευαστούν κάτοπτρα σε μικρότερα κομμάτια αντί ενός. Αυτά αποτελούνται από ξεχωριστά, συχνά εξαγωνικά τμήματα, που όλα μαζί αποτελούν μια τεράστια περιοχή συλλογής φωτός.

Επί του παρόντος, το μεγαλύτερο κάτοπτρο σε τμήματα – το Μεγάλο Τηλεσκόπιο των Καναρίων, στα Κανάρια Νησιά της Ισπανίας – έχει μήκος 10,4 m και αποτελείται από 36 τμήματα. Αλλά το 2024, θα αντικατασταθεί από το Εξαιρετικά Μεγάλο Τηλεσκόπιο (ELT), το οποίο βρίσκεται υπό κατασκευή στην έρημο Ατακάμα της Χιλής. Το πρωτεύον κάτοπτρο, με διάμετρο 39 m, θα αποτελείται από 798 τμήματα, με κάθε τμήμα να έχει εμβαδό περίπου 1,4 m². Αυτό το τεράστιο τηλεσκόπιο, το οποίο θα λειτουργεί από το ESO, θα παρατηρεί το Σύμπαν σε μήκη κύματος του ορατού και του εγγύς υπερύθρου.

Άλλα τηλεσκόπια που βρίσκονται σε εξέλιξη, όπως το Τηλεσκόπιο Τριάντα Μέτρων στη Χαβάη, έχουν υιοθετήσει παρόμοια προσέγγιση, χρησιμοποιώντας έναν μεγάλο αριθμό μικρών τμημάτων. Άλλα, όπως το Γιγαντιαίο Τηλεσκόπιο του Μαγγελάνου στη Χιλή, θα αποτελείται από λιγότερα – αλλά μεγαλύτερα – τμήματα.

Μια λεία επιφάνεια

Για την παραγωγή ευκρινών εικόνων και ακριβών μετρήσεων, η επιφάνεια των κατόπτρων πρέπει να είναι απόλυτα λεία. Για το ELT, κάθε μεμονωμένο τμήμα θα λειανθεί σε ακρίβεια νανομέτρων. Αυτό σημαίνει ότι αν ένα τμήμα ήταν στο μέγεθος της Ευρώπης, τυχόν υπολείμματα εξογκωμάτων θα ήταν στο μέγεθος μιας πασχαλίτσας.  

Καθώς τα κάτοπτρα (ενιαία ή σε τμήματα) γίνονται μεγαλύτερα, αρχίζουν να κάμπτονται λόγω του δικού τους βάρους εξαιτίας της επίδρασης της βαρύτητας. Για να αντισταθμιστεί το γεγονός, το VLT βασίζεται σε μια τεχνική που ονομάζεται ενεργή οπτική, η οποία χρησιμοποιεί 150 ενεργοποιητές για να ρυθμίζει το κάτοπτρο, κάνοντας διορθώσεις περίπου κάθε 30 δευτερόλεπτα. Για το ELT, δεν είναι μόνο ότι τα μεμονωμένα τμήματα πρέπει να είναι εξαιρετικά λεία: τα τμήματα πρέπει επίσης να είναι τέλεια ευθυγραμμισμένα με τα γειτονικά τους για να επιτύχουν το ίδιο αποτέλεσμα με ένα ενιαίο κάτοπτρο. Το ELT θα έχει συνολικά 4524 αισθητήρες στις άκρες των κατοπτρικών τμημάτων, αναφέροντας συνεχώς τις θέσεις τους, επιτρέποντας σε κάθε τμήμα να ρυθμίζεται με ακρίβεια χρησιμοποιώντας 2394 ενεργοποιητές. Αυτό το σύστημα ενεργού οπτικής θα κάνει τη συνολική επιφάνεια του πρωτεύοντος κατόπτρου λεία σε ακρίβεια περίπου 50 νανόμετρα – ένα χιλιοστό του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας.

Διατηρώντας την ανακλαστικότητα

Για να εξασφαλιστεί ότι η επιφάνεια των κατόπτρων παραμένει όσο το δυνατό πιο ανακλαστική, πρέπει να προστατεύεται από τη σκόνη σε ισχυρούς ανέμους. Όταν συσσωρεύεται σκόνη στα κάτοπτρα, μπορεί να μειωθεί η ανακλαστικότητα σε μικρό ποσοστό επί τοις εκατό, αλλά κάθε φωτόνιο είναι πολύτιμο για την παραγωγή εικόνων υψηλής ποιότητας. Η σκόνη επίσης σκεδάζει το φως και μειώνει την αντίθεση στις εικόνες. Κατά τη διάρκεια της ημέρας, τα κάτοπτρα παραμένουν καλυμμένα, και τη νύχτα το τηλεσκόπιο είναι υπό κλίση πριν ανοίξει ο θόλος, έτσι ώστε οτιδήποτε στην οροφή (όπως σκόνη ή περιττώματα πουλιών) να μην αποτίθενται στην επιφάνεια των κατόπτρων.

Με την πάροδο του χρόνου, οι ανακλαστικές επιστρώσεις αλλοιώνονται, οπότε τα κάτοπτρα πρέπει να επαναεπικαλύπτονται σε τακτική βάση. Τα πρωτεύοντα κάτοπτρα του VLT, για παράδειγμα, πρέπει να μεταφέρονται κάτω από την πλατφόρμα παρατήρησης στη βάση κάθε περίπου 18 μήνες. Είναι ιδιαίτερα δύσκολο στο χειρισμό το πιο ακριβό και ευαίσθητο τμήμα του τηλεσκοπίου, έτσι το κάτοπτρο μεταφέρεται με ταχύτητα μόλις 5 km/h. Η όλη διαδικασία (από την αφαίρεση μέχρι την επανατοποθέτηση) διαρκεί περίπου μια εβδομάδα.

Για το πρωτεύον κάτοπτρο του ELT, κάθε ένα από τα 798 τμήματα του θα χρειαστεί να επαναεπικαλυφθεί κάθε 18 μήνες. Ο πιο αποτελεσματικός τρόπος για να γίνει αυτό είναι η αφαίρεση, η επαναεπικάλυψη και αντικατάσταση δύο ή τριών τμημάτων κάθε μέρα. Το τηλεσκόπιο μπορεί ακόμα να λειτουργεί αποτελεσματικά με δύο τμήματα να λείπουν, επιτρέποντας το μέγιστο χρόνο λειτουργίας. Αντίθετα, όταν κάποια από τα κάτοπτρα του VLT επαναεπικαλύπτονται, το τηλεσκόπιο είναι εκτός λειτουργίας.

Εξερευνώντας το Σύμπαν

Ο σχεδιασμός, η κατασκευή και η λειτουργία τέτοιας μεγάλης κλίμακας τηλεσκοπίων δεν είναι εύκολο έργο. Αλλά οι συναρπαστικές προοπτικές – η ανακάλυψη πλανητών που μοιάζουν με τη Γη, η μέτρηση των ιδιοτήτων των πρώτων αστέρων και γαλαξιών, και η ανίχνευση της φύσης της σκοτεινής ύλης και ενέργειας – αξίζουν τη σκληρή δουλειά. Στις προσεχείς δεκαετίες, τα πιο προηγμένα τηλεσκόπια του κόσμου έχουν τη δυνατότητα να φέρουν επανάσταση στην κατανόηση μας για το Σύμπαν, όπως έκανε το τηλεσκόπιο του Γαλιλαίου πριν 400 χρόνια.

Web References

• w1 –Το ESO είναι ο κυριότερος διακυβερνητικός οργανισμός αστρονομίας στην Ευρώπη και το πιο παραγωγικό επίγειο αστρονομικό παρατηρητήριο στον κόσμο, με έδρα το Garching, κοντά στο Μόναχο της Γερμανίας και τα τηλεσκόπια του στη Χιλή.

Resources

• Μάθετε περισσότερα για το VLT και το ELT από την  ιστοσελίδα του ESO.
• Για μια σύγκριση του μεγέθους του κυρίως κατόπτρου του ELT με τα άλλα κύρια επίγεια τηλεσκόπια, επισκεφτείτε την  ιστοσελίδα του ESO.
• Για να βρείτε περισσότερα για την παραγωγή του κατόπτρου για το ELT επισκεφτείτε την  ιστοσελίδα SCHOTT.
• Για να μάθετε πως είναι να εργάζεστε στο VLT στην έρημο Ατακάμα της Χιλής, δείτε:
  • Pierce D (2006) Χρησιμοποιώντας ένα από τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια στον κόσμο. Science in School 1.
• Περισσότερες πληροφορίες για το πρωτεύον κάτοπτρο του ELT είναι διαθέσιμες στο τριμηνιαίο περιοδικό The Messenger.

Institutions

Author(s)

Η Nicole Shearer είναι science communicator με μεταπτυχιακό τίτλο στη φυσική και πτυχίο στη φυσική και αστροφυσική από το Πανεπιστήμιο του Durham του ΗΒ. Τη στιγμή της συγγραφής, η Nicole ήταν υπό εξάμηνη πρακτική άσκηση επικοινωνίας της επιστήμης με το ESO.

Η Tanıa Johnston εργάστηκε για περισσότερα από δέκα χρόνια στον τομέα επικοινωνίας της αστρονομίας, με κύριο επίκεντρο την παροχή υποστήριξης στους εκπαιδευτικούς για τη χρήση της αστρονομίας στη διδασκαλία των Φυσικών Επιστημών. Η Tania εργάζεται για το ESO ως συντονιστής του ESO Supernova.

Review

Η ανάκλαση είναι μια βασική έννοια των κυμάτων και της οπτικής στα σχολικά πρόγραμμα σπουδών των Φυσικών Επιστημών. Οι εκπαιδευτικοί μπορούν να αντλήσουν από αυτό το άρθρο, το οποίο παρέχει ενημερωμένες πληροφορίες σχετικά με τα κάτοπτρα στα μεγάλα σύγχρονα τηλεσκόπια, ώστε να φέρνουν τέτοια θέματα στους μαθητές. Επιπλέον, μπορεί να βοηθήσει τους μαθητές να συνειδητοποιήσουν τις εφαρμογές της επιστήμης και τις προκλήσεις που η σύγχρονη τεχνολογία μπορεί να υπερνικήσει.

Ερωτήσεις κατανόησης μπορεί να περιέχουν:

• Ποιος έκανε τις πρώτες αστρονομικές παρατηρήσεις χρησιμοποιώντας τηλεσκόπιο;
• Ποιος κατασκεύασε και χρησιμοποίησε το πρώτο ανακλαστικό τηλεσκόπιο;
• Γιατί χρησιμοποιείται το γυαλί για την κατασκευή κατόπτρων στα μεγάλα αστρονομικά τηλεσκόπια;
• Πως είναι δυνατό να κατασκευαστούν τηλεσκόπια με κάτοπτρα διαμέτρου μεγαλύτερη από 8 m;

Ο Stuart Farmer είναι διδάσκων φυσικής στο Κολέγιο του Robert Gordon στη Σκωτία του ΗΒ.

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF