Reflectarea universului: construind cele mai mari telescoape din lume Understand article

Vreme de sute de ani, telescoapele au ajutat astronomii să descopere misterele Universului. Însă ce implică astăzi realizarea unor asemenea instrumente complexe şi ce presupune menţinerea lor în funcţionare optimă?

În anul 1608, un producător de spectacole, germano-olandezul Hans Lippershey a depus un brevet de invenţie pentru un mic dispozitiv cu lentile ce focalizau lumina pentru a produce o imagine mărită a obiectelor îndepărtate: este cel mai vechi proiect cunoscut al unui telescop. La scurt timp după această invenţie, Galileo a construit propriul să telescop, iar acesta a fost primul folosit pentru observaţii astronomice. Patru sute de ani mai târziu, telescoapele încă sunt esenţiale pentru astronomie, dar ele au evoluat de la instrumentele mici, care se ţineu în mână, la dispozitivele gigantice, controlate de calculatoare.

Astăzi, majoritatea marilor telescoape optice şi infraroşii din lume – multe dintre ele fiind construite şi operate de European Southern Observator^w1 (ESO) – folosesc mai degrabă oglinzi decât lentile pentru a strânge şi a focaliza lumina. Şi cu cât este mai mare oglinda, cu atât se poate colecta mai multă lumină, permiţând astronomilor să vadă în detaliu până şi obiecte celeste mai slabe, care adesea sunt foarte îndepărtate. Deşi oglinzile mari sunt mai uşor de realizat decât lentilele mari, producerea de telescoape astronomice moderne încă este o adevărată provocare.

De la Newton până astăzi

Primul telescop cu reflexie reuşit (unul care foloseşte oglinzi în loc de lentile pentru a focaliza lumina) a fost construit de Sir Isaac Newton în anul 1668. Conceptul de bază newtonian foloseşte o oglindă primară concavă (prima oglindă pe care o atinge lumina stelelor la intrarea în telescop) şi o oglindă secundară, plată, poziţionată deasupra oglinzii primare şi înclinată în diagonală pentru a reflecta şi direcţiona lumina către un ocular (fig.). Acelaşi principiu este utilizat astăzi în multe telescoape de amatori şi profesionale. Însă la telescoapele moderne, oglinzile direcţionează lumina către diferite camere foto sau detectoare, în locul ocularului, iar proiectarea telescopului este mai compactă.

Primul telescop cu reflexie al lui Newton a folosit o oglindă primară cu diametrul de 3,3 centimetri. Acum, cel mai mare telescop reflector cu oglindă singulară din lume are aproximativ 8 metri în diametru. De exemplu, Telescopul Foarte Mare (VLT) al ESO, situat în Chile, America de Sud, este alcătuit din patru telescoape fiecare având oglinda primară cu diametrul de 8,2 metri.

Confecţionarea oglinzilor

Materialul predilect pentru realizarea majorităţii oglinzilor telescopice profesionale este sticla (cum ar fi sticla borosilicată, folosită şi pentru vasele ‘Pyrex’) sau un material compozit special de genul sticlă-ceramică. Astfel de materiale pot fi polizate şi şlefuite exact la forma corectă pentru a produce o imagine cât mai bună. De asemenea, ele nu îşi modifică forma sau mărimea ca răspuns la fluctuaţiile de temperatură. Aspectul este deosebit de important, deoarece multe telescoape sunt situate în vârf de munte sau în deşert, unde temperaturile variază semnificativ între zi şi noapte.

Pentru a focaliza cât mai mult din lumina slabă a stelelor, suprafaţa oglinzilor primare trebuie să fie foarte reflectantă. Reflectivitatea înaltă este creată folosind o acoperire extrem de subţire a materialului oglinzii cu un material care reflectă lumina, a cărui identitate depinde de lungimea de undă la care lucrează telescopul. De exemplu, argintul sau aluminiu sunt folosite de obicei pentru oglinzile telescopice lucrând în spectrul vizibil şi în infraroşul apropiat.

Mai mare şi mai bun

Dimensiunile oglinzilor telescopice au crescut considerabil în ultimii 50 de ani, dar astronomii doresc întotdeauna să meargă şi mai departe. Există totuşi o limită: o oglindă cu diametrul mai mare de 8 metri ar fi dificil de polizat şi de şlefuit. Astfel că s-a găsit soluţia practică de a construi oglinzi segmentate. Acestea constau în secţiuni individuale, adesea hexagonale (pentru o cât mai bună juxtapunere), care împreună formează o zonă imensă de colectare a luminii.

Astăzi cea mai mare oglindă segmentată din lume – Marele Telescopic Canarian, din Insulele Canare, Spania – are un diametru de 10,4 metri şi cuprinde 36 de segmente. Dar în 2024 recordul va fi înlocuit de Telescopul Extrem de Mare (ELT), care se construieşte în deşertul Atacama din Chile. Oglinda sa primară, cu un diametru de 39 m, va fi alcătuită din 798 de segmente, fiecare având o suprafaţă de aproximativ 1,4 m². Acest telescop imens, care va fi operat de ESO, va observa Universul cu lungimi de undă din spectrul vizibil şi din infraroşul apropiat.

Şi alte telescoape aflate în curs de realizare, cum ar fi Telescopul de Treizeci de Metri din Hawaii, au adoptat o abordare similară, utilizând ca oglindă un număr mare de segmente mici. Însă altele, cum ar fi Telescopul Gigant Magellan din Chile, vor cuprinde mai puţine segmente, dar mai mari. 

O suprafaţă netedă

Pentru a produce imagini clare şi măsurători astronomice exacte, suprafaţa oglinzilor trebuie să fie perfect netedă. Pentru ELT, fiecare segment individual va fi lustruit cu o precizie de până la 15 nanometri. Aceasta înseamnă că, dacă un segment ar fi de mărimea Europei, eventualele „umflături” de pe suprafaţă ar avea dimensiunea unei gărgăriţe.

Pe măsură ce oglinzile (simple sau segmentate) devin mai mari, ele încep să se îndoaie sub propria greutate datorită gravitaţiei, ceea ce le reduce uniformitatea. Pentru a compensa, VLT se bazează pe o tehnică numită optică activă, care utilizează 150 de actuatoare (servomotoare) pentru reglarea oglinzilor, şi care face corecţii la aproximativ fiecare 30 de secunde. Pentru ELT, nu doar că segmentele individuale trebuie să fie extrem de netede: segmentele trebuie să fie şi perfect aliniate între ele pentru a obţine acelaşi efect ca o singură oglindă. ELT va avea un număr total de 4524 de senzori pe marginile oglinzilor segment; aceştia vor raporta în permanenţă poziţiile proprii, permiţând fiecărui segment să fie ajustat cu precizie prin intermediul a 2394 de actuatori. Acest sistem optic activ va face ca suprafaţa globală a oglinzii primare să fie netedă cu o precizie de aproximativ 50 nanometri – adică o miime din grosimea firului de păr uman.

Menţinerea reflectivităţii

Pentru a se asigura că suprafaţa oglinzilor rămâne cât mai reflexivă, ele trebuie protejate de praf, mai ales dacă au parte de vânturi puternice. Atunci când praful se acumulează pe oglindă, reflexia se reduce cu doar câteva procente, însă aici fiecare foton este valoros pentru a produce imagini de înaltă calitate. De asemenea, praful dispersează lumina şi reduce contrastul în imagini. De aceea oglinzile sunt ţinute acoperite în timpul zilei, iar noaptea telescopul este înclinat înainte de a se deschide cupola, astfel încât orice ar putea fi pe acoperiş (praf, sau poate o pasăre poo) nu cade pe suprafaţa oglinzilor.

De-a lungul timpului, acoperirile reflectante se degradează, astfel că oglinzile trebuie să fie recondiţionate în mod regulat. Oglinzile primare ale VLT, de exemplu, trebuie să fie transportate de pe platforma de observare până la tabăra de bază la aproximativ fiecare 18 luni pentru a li se reface acoperirea reflectivă. Este o provocare deosebită în a lucra cu cea mai scumpă şi cea mai delicată parte a telescopului, astfel că oglinda este transportată cu o viteză de doar 5 km/h. La VLT, întregul proces (de la scoatere până la remontare) durează aproximativ o săptămână.

Şi pentru oglinda primară ELT, fiecare dintre cele 798 segmente va avea nevoie de recondiţionarea stratului reflectiv la fiecare 18 luni. Cea mai eficientă modalitate de a face acest lucru este de a demonta, recondiţiona şi remonta câte două sau trei segmente în fiecare zi. Telescopul poate funcţiona în mod eficient şi când are câteva segmente lipsă, permiţând deci un timp de funcţionare maxim. Spre deosebire, atunci când oricare dintre oglinzile VLT sunt recondiţionate, telescopul nu mai funcţionează.

Explorarea universului

Proiectarea, construirea şi exploatarea unor astfel de telescoape mari nu sunt sarcini uşoare. Dar perspectivele incitante – descoperirea planetelor asemănătoare Pământului, măsurarea proprietăţilor primelor stele şi galaxii, sau cercetarea naturii materiei întunecate şi a energiei – merită efortul. În deceniile următoare, telescoapele cele mai avansate din lume au potenţialul de a revoluţiona înţelegerea universului, aşa cum a făcut-o şi telescopul lui Galileo acum 400 de ani.

Web References

• w1 – ESO este cea mai importantă organizaţie inter-guvernamentală de astronomie din Europa şi cel mai productiv observator astronomic terestru din lume, cu sediul în Garching, lângă München, în Germania, iar telescoapele sale se află în Chile, America de Sud.

Resources

• Aflaţi mai multe despre VLT şi ELT de pe web-site-ul ESO.
• Pentru o comparaţie infografică a dimensiunii oglinzii principale a ELT cu cea a altor telescoape majore terestre, vizitaţi web-site-ul ESO.
• Aflaţi mai multe despre producerea oglinzilor pentru telescopul ELT accesând web-site-ul SCHOTT.
• Învăţaţi despre cum se lucrează la VLT din deşertul Atacama, din Chile. Vedeţi:
  • Pierce D (2006) Running one of the world’s largest telescopes. Science in School 1: 56–60.
• Informaţii suplimentare despre oglinda principală a ELT sunt disponibile prin revista trimestrială a ESO, The Messenger (Mesagerul).

Institutions

Author(s)

Nicole Shearer este comunicator de ştiinţă, şi are o diplomă de master în fizică şi o diplomă de licenţă în fizică şi astrofizică de la Universitatea Durham, Marea Britanie. La momentul scrierii articolului, Nicole făcea un stagiu de internship în comunicare ştiinţifică, de şase luni, la ESO.

Tania Johnston a lucrat timp de peste zece ani în domeniul comunicării astronomice, cu accent special pe acordarea de sprijin profesorilor în utilizarea astronomiei la predarea ştiinţelor. Tania lucrează la ESO în funcţia de coordonator ESO Supernova.

Review

Reflexia luminii este un concept central pentru subiectele de fizică ondulatorie şi de optică din curricula ştiinţei şcolare. Profesorii se pot folosi de acest articol, care oferă informaţii actualizate despre oglinzile din telescoape moderne mari, pentru a aduce astfel de subiecte în atenţia elevilor. Mai mult, materialul poate contribui la conştientizarea elevilor cu privire la aplicaţiile ştiinţei şi la provocările pe care tehnologia modernă le poate rezolva.

Întrebările privind înţelegerea subiectului pot include:

• Cine a făcut primele observaţii astronomice folosind un telescop?
• Cine a construit şi a folosit primul telescop cu reflexie?
• De ce este folosită sticla pentru confecţionarea oglinzilor din telescoapele astronomice mari?
• Cum se pot construi telescoape cu oglinzi mai mari de 8 metri în diametru?

Stuart Farmer, profesor de fizică, Colegiul Robert Gordon, Scoţia, Marea Britanie

License

CC-BY

Download

Download this article as a PDF