حقوق الصورة: جامعة أريزونا
قبل أكثر من 30 عامًا ، أتى دكتور روجر أنجل إلى جامعة أريزونا ، مستمدًا من الظروف المواتية للمراقبة الفلكية في منطقة توكسون ، أريزونا: العديد من المقاريب قريبة بشكل ملائم ، وبالطبع ، فإن الطقس معتدل بشكل رائع. ولكن الآن ، يقترح أنجيل بناء تلسكوب في مكان بعيد إلى حد ما وليس معتدلًا جدًا: فوهة قطبية على سطح القمر.
يشتهر Angel بابتكاراته في مرايا التلسكوب خفيفة الوزن والبصريات التكيفية ، ويقود الآن فريقًا من العلماء من الولايات المتحدة وكندا الذين يستكشفون جدوى بناء مرصد الأشعة تحت الحمراء العميق بالقرب من أحد أقطاب القمر باستخدام تلسكوب المرآة السائلة (LMT ).
هذا المفهوم هو واحد من 12 اقتراحًا بدأت في تلقي التمويل في أكتوبر الماضي من معهد ناسا للمفاهيم المتقدمة (NIAC). يحصل كل منها على 75000 دولار لمدة ستة أشهر من البحث لإجراء دراسات أولية وتحديد التحديات في التنمية. المشاريع التي تصل إلى المرحلة الأولى مؤهلة للحصول على ما يصل إلى 400.000 دولار على مدى عامين.
تصنع LMTs من خلال تدوير سائل عاكس ، عادة الزئبق ، على منصة على شكل وعاء لتشكيل سطح مكافئ ، مثالي للبصريات الفلكية. اقترح إسحاق نيوتن في الأصل النظرية ، لكن التكنولوجيا اللازمة لإنشاء مثل هذا الجهاز بنجاح تم تطويرها مؤخرًا فقط. يتم استخدام عدد قليل فقط من LMTs اليوم ، بما في ذلك LMT بطول 6 أمتار في فانكوفر ، كندا ، ونسخة 3 أمتار تستخدمها وكالة ناسا لمرصد الحطام المداري في نيو مكسيكو.
على الأرض ، يقتصر حجم LMTs على حوالي 6 أمتار لأن الرياح الناتجة عن غزل التلسكوب تزعج السطح. بالإضافة إلى ذلك ، مثل التلسكوبات الأرضية الأخرى ، تخضع LMTs لامتصاص وتشويه الغلاف الجوي ، مما يقلل بشكل كبير من نطاق وحساسية المراقبة بالأشعة تحت الحمراء. يقول أنجل إن القمر الخالي من الغلاف الجوي يوفر الموقع المثالي لهذا النوع من التلسكوب بينما يوفر الجاذبية اللازمة لتكوين المرآة المكافئة.
إمكانات LMT على القمر هي عمل تلسكوب كبير جدًا. كمرجع ، يحتوي تلسكوب هابل الفضائي على مرآة بطول 2.4 متر ، وسيحتوي تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) الذي تم تطويره للإطلاق في عام 2011 على مرآة بطول 6 أمتار. إن مفهوم مقترح Angel's NIAC هو مرآة 20 مترًا ، ولكن مع البحث الذي قام به الفريق حتى الآن ، فإنهم يبحثون الآن في إنشاء مرايا كبيرة جدًا ، مع كون 100 متر هو الخيار النهائي الكبير. إنهم يفكرون في LMTs أصغر أيضًا. قال آنجل "من الواضح أننا لا نستطيع الذهاب إلى القمر وجعل المرآة 100 متر هي أول شيء". "نحن نتطلع إلى سلسلة من المقاييس مترين و 20 مترا و 100 متر ، وننظر في الإمكانات لكل منها." يعتقد Angel أن التلسكوب الذي يبلغ طوله 2 مترًا يمكن صنعه بدون أي وجود بشري على القمر ، ويتم إعداده على شكل تلسكوب روبوتي ، تمامًا مثل الأجهزة العلمية الموجودة على متن مركبتي المريخ التي تعمل الآن.
الحد من المرآة السائلة هو أنها تشير فقط لأعلى ، لذا فهي ليست مثل التلسكوب القياسي الذي يمكن توجيهه في أي اتجاه وتتبع الأجسام في السماء. إنه ينظر فقط إلى منطقة السماء التي هي علوية مباشرة.
لذا ، فإن الهدف العلمي لـ LMT هو عدم النظر إلى السماء بأكملها ، ولكن أخذ مساحة واحدة والنظر إليها بشكل مكثف. لقد كان هذا النوع من علم الفلك "مربحًا" للغاية ، كما وصفه Angel ، من حيث ثروة المعلومات التي تم جمعها. كانت بعض من أكثر الجهود العلمية إنتاجية من تلسكوب هابل الفضائي هي صور "الميدان العميق".
أن تكون قادرًا على النظر إلى منطقة واحدة فقط من المساحة في جميع الأوقات ، يدفع Angel وفريقه إلى النظر إلى أحد أقطاب القمر للحصول على أفضل موقع لهذا التلسكوب. كما هو الحال في أقطاب الأرض ، فإن النظر مباشرة من القطبين على القمر يوفر دائمًا نفس مجال الرؤية خارج المجرة. "إذا ذهبنا إلى القطب الشمالي أو الجنوبي للقمر ، فسنقوم بتصوير بقعة واحدة من السماء طوال الوقت ، وهذا يسمح لك بعمل تكامل عميق للغاية ، أعمق بكثير حتى من حقل هابل العميق." قم بدمج ذلك مع فتحة كبيرة ، وسيوفر هذا التلسكوب عمق المراقبة التي لا مثيل لها مع أي تلسكوب على الأرض أو في الفضاء. قال أنجل: "هذا هو المكان المناسب أو القوة الخاصة لهذا التلسكوب".
هناك جانب صاعد آخر من المرايا السائلة هو أنها غير مكلفة للغاية مقارنة بعملية صنع مرآة قياسية عن طريق إنشاء وتلميع واختبار قطعة كبيرة من الزجاج الصلب ، أو إنشاء قطع أصغر يجب تلميعها واختبارها ثم دمجها معًا جدًا بدقة. أيضًا ، لا تحتاج LMTs إلى حوامل باهظة الثمن أو دعم أو أنظمة تتبع أو قبة.
وقال أنجيل "من المتوقع أن تتجاوز التكلفة الإجمالية لتليسكوب جيمس ويب مليار دولار ، على أن يكون السعر على المرآة وحدها حوالي ربع مليون دولار". "هذه المرآة هي 6 أمتار ، لذلك إذا قمنا بتوسيع تلك التكنولوجيا إلى مرايا أكبر في الفضاء ، فسوف نكسر البنك في نهاية المطاف ، ولن نتمكن من توفيرها من خلال التكنولوجيا الحالية لصنع المرآة المصقولة و إيصاله إلى الفضاء. "
على الرغم من أن التلسكوب الذي يبلغ طوله 2 متر سيكون نموذجًا أوليًا ، إلا أنه سيظل ذا قيمة فلكية. "يمكننا أن نفعل أشياء مكملة لتلسكوب سبيتزر الفضائي وتلسكوب ويب ، حيث أن تلسكوب 2 متر على القمر سيملأ المنطقة بين هذين التلسكوبين." توفر المرآة التي يبلغ قطرها 20 مترًا دقة أعلى 3 مرات من JWST ، ومن خلال دمج "المصراع" أو تركه مفتوحًا لفترات طويلة ، مثل العام ، يمكن رؤية الأشياء أكثر خفوتًا 100 مرة. ستوفر مرآة بطول 100 متر بيانات خارج المخططات.
أحد التحديات في تطوير LMT على القمر هو إنشاء محامل لتدوير المنصة بسلاسة وبسرعة ثابتة. يتم استخدام محامل الهواء لـ LMTs على الأرض ، ولكن مع عدم وجود هواء على القمر ، فهذا مستحيل. ينظر أنجل وفريقه إلى محامل الرفع المبردة ، على غرار ما يستخدم لقطارات الرفع المغناطيسي للحصول على حركة بدون احتكاك باستخدام مجال مغناطيسي. أضاف Angel ، "كمكافأة ، مع درجات الحرارة المنخفضة على القمر ، يمكنك القيام بذلك دون إنفاق أي طاقة لأنك تستطيع صنع مغناطيس فائق التوصيل يسمح لك بعمل محمل رفع لا يتطلب إدخالًا مستمرًا للطاقة الكهربائية. "
وصف الملاك المحامل بأنها عنصر حاسم في التلسكوب. "بدون هواء على القمر لإحداث الريح ، ليس هناك حد لحجم أو الوصول إلى الدقة التي تحتاجها طالما أن المحمل على ما يرام ،" قال Angel.
أحد مواقع المشروع منذ تلقي تمويل NIAC هو موقع التلسكوب. في الاقتراح الأولي ، فضل فريق أنجل القطب الجنوبي للقمر في فوهة شاكلتون. لكن القطب الشمالي يقدم بالفعل مجال رؤية أفضل للمراقبة خارج المجرة ، كما أدركوا ، وينتظر أنجل بيانات من المسبار القمري SMART-1 التابع لوكالة الفضاء الأوروبية التي بدأت مؤخرًا في مسح المناطق القطبية للقمر.
قال أنجيل: "في المناطق القطبية هناك بعض الحفر التي لا تشرق فيها الشمس ولا تسخن الأرض". "الجو بارد للغاية هناك ، ليس بعيدًا جدًا عن الصفر المطلق. بدلاً من بناء التلسكوب في مثل هذه الظروف العدائية ، سنحاول بناء التلسكوب على قمة أي من القطبين ، حيث سيكون هناك أشعة الشمس بشكل مستمر تقريبًا. وهذا سيوفر الطاقة الشمسية وستكون الظروف أفضل للناس الذين يعيشون هناك. كل ما عليك فعله هو وضع شاشة مايلر أسطوانية حول التلسكوب لمنع الشمس من ضربها على الإطلاق وسوف يبرد تمامًا كما هو الحال في أسفل الفوهات. "
من خلال المراقبة بالأشعة تحت الحمراء ، يعد التلسكوب البارد أمرًا حيويًا حتى يتمكن من رؤية الأجسام الأكثر برودة وخفة في الفضاء. سيكون امتلاك التلسكوب عند الصفر المطلق تقريبًا (0 درجة كلفن ، -273 درجة مئوية ، -460 فهرنهايت) أمرًا مثاليًا. نظرًا لأن الزئبق سيتجمد عند درجات الحرارة هذه ، فإن التحدي الآخر للمشروع هو العثور على السائل المناسب للدوران على المرآة. بعض المرشحين هم الإيثان والميثان والهيدروكربونات الصغيرة الأخرى ، مثل السوائل التي تم العثور عليها في تيتان بواسطة مسبار Huygens ، الذي هبط على أكبر قمر زحل في 14 يناير.
"لكن هذه السوائل ليست لامعة ، لذلك عليك معرفة كيفية إيداع معدن لامع مثل الألومنيوم مباشرة على سطح السائل" ، قال Angel. "عادة عندما نصنع تلسكوب فلكي ، نصنع المرايا من الزجاج ، والتي لا تعكس الكثير ثم تتبخر الألومنيوم أو الفضة على الزجاج. على القمر ، علينا تبخير المعدن على السائل بدلاً من الزجاج ".
هذا هو أحد المجالات الرئيسية للبحث بموجب جائزة NIAC. في الدراسات الأولية ، تمكن فريق أنجل من تبخير معدن على سائل ، على الرغم من أنه ليس في درجات الحرارة الباردة المطلوبة. ومع ذلك ، يتم تشجيعهم بالنتائج حتى الآن.
فريق Angel غير نموذجي لمشروع NIAC ، حيث إنه تعاون دولي ، ولا يمول NIAC الشركاء الدوليين. قال أنجل "يحدث أن خبراء العالم في صنع مقاريب مرآة سائلة دوارة كلها في كندا ، لذلك كان من الضروري نوعًا ما إذا كنا نفكر في القيام بذلك على سطح القمر الذي نأتي به إلينا". "لحسن الحظ ، لقد جاءوا على التذكرة الخاصة بهم ، إذا جاز التعبير ، وهم متحمسون للمشروع."
الأعضاء الكنديون في الفريق هم إيمانو بورا ، من جامعة لافال في كيبيك ، الذين كانوا يبحثون ويبنون LMTs منذ أوائل الثمانينيات ، وبول هيكسون ، من جامعة كولومبيا البريطانية ، الذين ، بمساعدة بورا ، قاموا ببناء LMT بطول 6 أمتار في فانكوفر. ومن بين المتعاونين الآخرين كي ما في جامعة تكساس في هيوستن وهو خبير في المحامل المبردة ووارين دافيسون من جامعة أريزونا وهو خبير في الهندسة الميكانيكية في التلسكوبات وطالب الدراسات العليا سوريش سيفاناندام.
تم إنشاء NIAC في عام 1998 للحصول على مفاهيم ثورية من الأشخاص والمنظمات خارج وكالة الفضاء التي يمكن أن تعزز مهام وكالة ناسا. تم اختيار المفاهيم الفائزة لأنها "تدفع حدود العلم والتكنولوجيا المعروفة" و "تظهر الصلة بمهمة وكالة ناسا" ، وفقًا لوكالة ناسا. ومن المتوقع أن يستغرق تطوير هذه المفاهيم عقدًا على الأقل.
يقول Angel أن الحصول على جائزة NIAC يمثل فرصة رائعة. وقال "سوف نكتب بلا شك اقتراحاً للمرحلة الثانية (من تمويل NIAC)". "لقد حددنا خلال المرحلة الأولى بعض المشاكل الأكثر أهمية في هذا المشروع ، وما هي الخطوات العملية التي يجب أن نتخذها الآن. لقد فتحنا بعض الأسئلة ، وهناك بعض الاختبارات البسيطة التي يمكننا القيام بها لمعرفة ما إذا كان هناك أي توقف عن العرض أم لا. "
إن أكبر عقبة في جعل المرصد القمري للأشعة تحت الحمراء حقيقة واقعة هو على الأرجح خارج يد أنجل. قال أنجل: "القمر مكان مثير للاهتمام للقيام بالعلوم". "ومع ذلك ، فهي تعتمد على التزام كبير من الموارد من قبل وكالة ناسا للعودة إلى القمر." بالتأكيد ، لبناء التلسكوبات الكبيرة التي يبلغ طولها 20 أو 100 متر ، يجب أن يكون هناك وجود مأهول على القمر. "إذن" ، تابع أنجل ، "من خلال ربط علمك في هذا الاتجاه ، تصبح ذيل كلب كبير جدًا لا يمكنك التحكم فيه على الإطلاق"؟
يأمل أنجل أن تتمكن وكالة ناسا والولايات المتحدة من الحفاظ على زخم رؤية استكشاف الفضاء والعودة إلى القمر. "أعتقد في نهاية المطاف أن الانتقال إلى الفضاء هو شيء لدى البشر الرغبة في القيام به وسوف يفعلونه في وقت ما" ، قال Angel. "عندما يحدث ذلك ، فإن الحصول على أشياء مثيرة للاهتمام بمجرد الوصول إلى هناك أمر مهم. علينا أن نعرف لماذا تركنا سطح هذا الكوكب للذهاب إلى القمر. نحن نستكشف ، نعم ، ولكن لا يمكننا استكشاف القمر فحسب ، بل نستخدمه كمكان لإجراء بحث علمي خارج القمر. أعتقد أنه شيء يجب أن يحدث في الصورة الكبيرة ".
نانسي أتكينسون كاتبة مستقلة وسفيرة النظام الشمسي في وكالة ناسا. تعيش في إلينوي.
