Πέμπτη, 12 Οκτωβρίου 2017

Μπορούμε να κατασκευάσουμε ένα τηλεσκόπιο χωρίς κάτοπτρα ή φακούς;


Συσκευή απεικόνισης μεγάλης περιοχής (Large Area Imager )για το Αστεροσκοπείο Calar Alto (LAICA)  J.W. Fried


Η τοποθέτηση συστοιχίας CCD στην κύρια εστίαση ενός τηλεσκοπίου, είναι ένας σίγουρος τρόπος για να παραχτεί μια εξαιρετική εικόνα. Είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται εδώ και πάνω από 100 χρόνια. Αλλά είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν CCD αντί για κάτοπτρα ή φακούς;

Για εκατοντάδες χρόνια, η αρχή πίσω από το τηλεσκόπιο πολύ απλή. Κατάλληλα τοποθετημένοι φακοί ή κάτοπτρα, έτσι ώστε να συλλεχθεί μια μεγάλη ποσότητα φωτός, στη συνέχεια αυτό το φως να εστιαστεί σε έναν ανιχνευτή (όπως ένα μάτι, μια φωτογραφική πλάκα ή μια ηλεκτρονική συσκευή ) με σκοπό, να μπορέσουμε να δούμε πολύ πιο πέρα ​​από τις δυνατότητες που έχει το γυμνό, ανθρώπινο μάτι. Με την πάροδο του χρόνου, οι φακοί και τα βασικά, ή πρωτεύοντα κάτοπτρα, έχουν αποκτήσει μεγαλύτερη διάμετρο, κατασκευάζονται με μεγαλύτερη ακρίβεια, ενώ οι ανιχνευτές έχουν προχωρήσει στο σημείο όπου μπορούν να συλλέξουν και να επεξεργαστούν καλύτερα κάθε εισερχόμενο προς αυτούς φωτόνιο. Η ποιότητα των ανιχνευτών μπορεί να σας κάνει να αναρωτιέστε γιατί τελικά περιοριζόμαστε από τη χρήση κατόπτρων! Αυτό είναι κάτι που θέλει να ανακαλύψει ο Pedro Teixeira:

Γιατί χρειαζόμαστε έναν φακό και έναν κάτοπτρο για να φτιάξουμε ένα τηλεσκόπιο τώρα που έχουμε αισθητήρες CCD; Αντί να έχετε έναν κάτοπτρο 10 μέτρων και έναν φακό που εστιάζει το φως σε έναν μικρό αισθητήρα, γιατί να μην έχετε έναν αισθητήρα 10 μέτρων;

Είναι μια πολύ έξυπνη ερώτηση, μιας και κάτι τέτοιο θα ήταν επαναστατικό, αν μπορούσαμε φυσικά να το επιτύχουμε.


Σύγκριση μεγεθών σε κάτοπτρα διαφόρων υπαρχόντων και προτεινόμενων τηλεσκοπίων. Όταν το τηλεσκόπιο GMT αρχίσει να λειτουργεί, θα είναι το μεγαλύτερο στον κόσμο, όπως επίσης θα είναι και το πρώτο κλασσικού τύπου, οπτικό τηλεσκόπιο μήκους 25 μέτρων + στην ιστορία, το οποίο αργότερα θα ξεπεραστεί από το ELT. Αλλά, όλα αυτά τα τηλεσκόπια είναι κατοπτρικά
Εικόνα:  Wikimedia Commons user Cmglee

Ανεξάρτητα με πόση ανακλαστική ικανότητα κατασκευάζουμε τις επιφάνειες των φακών και των κατόπτρων των τηλεσκοπίων, ανεξάρτητα από το πόσο λειαίνουμε και γυαλίζουμε τους φακούς, ανεξάρτητα από το πόσο ομοιόμορφα και προσεκτικά επικαλύπτουμε τα εξωτερικά στρώματα (φινίρισμα), και ανεξάρτητα από το πόσο καλά απωθούμε και εξαλείφουμε τη σκόνη, δεν θα υπάρχει ποτέ κάτοπτρο ή φακός 100% οπτικά τέλειος. Κάποιο μικρό κλάσμα φωτός θα χαθεί σε κάθε στάδιο της κατασκευαστικής διαδικασίας, και σε κάθε ανάκλαση. Δεδομένου ότι οι καλύτεροι σχεδιασμοί τηλεσκοπίων, απαιτούν τοποθέτηση πολλαπλών κατόπτρων συμπεριλαμβανομένης και μιας μεγάλης τρύπας στον πρωτεύον κάτοπτρο έτσι ώστε να επιτευχθεί ένα ιδανικό σημείο για να αντανακλάται το συλλεγόμενο φως, υπάρχει εγγενής περιορισμός στο σχεδιασμό της χρήσης κατόπτρων και φακών για τη συλλογή πληροφοριών σχετικά με το Σύμπαν.

Ο στόχος είναι ξεκάθαρος και αξιοθαύμαστος: και αναφέρεται στην αποκοπή στα τυχόν περιττά προπαρασκευαστικά βήματα έτσι ώστε να  εξαλειφθούν τυχόν απώλειες στο συλλεγόμενο από τα τηλεσκόπια φως. Μπορεί να φαίνεται σαν μια απλή ιδέα, και καθώς οι αισθητήρες CCD γίνονται ολοένα και πιο διαδεδομένοι και πιο προσιτοί οικονομικά, ίσως κάποια μέρα να διαδραματίσουν σοβαρό ρόλο στο μέλλον της Αστρονομίας. Όμως η πραγμάτωση ενός ¨ονείρου¨ όπως αυτό δεν θα είναι κάτι απλό, κι αυτό γιατί υπάρχουν μερικά πολύ σημαντικά εμπόδια που πρέπει να ξεπεραστούν για να έχουμε ένα τηλεσκόπιο χωρίς κάτοπτρα ή φακούς. Ας δούμε όμως περί τίνος πρόκειται.       



Αυτή η εικόνα του 1887 του λεγόμενου ¨Μεγάλου Νεφελώματος της Ανδρομέδας¨ όπως το ονόμαζαν εκείνη την εποχή, ήταν η πρώτη απεικόνιση της σπειροειδούς δομής του πλησιέστερου γειτονικού μας Γαλαξία. Το γεγονός ότι φαίνεται τόσο λευκός είναι επειδή η λήψη έγινε χωρίς τη χρήση φίλτρων, είναι δηλαδή μη σύνθετη εικόνα κατά την οποία τα βασικά χρώματα κόκκινο, πράσινο και μπλε, αναλύονται και στη συνέχεια συνθέτονται για την παραγωγή της τελικής εικόνας.
Δικαιώματα εικόνας: Isaac Roberts

Α) Τα CCD είναι εξαιρετικά στο να υπολογίζουν, να σταθμίζουν αν θέλετε το φως, αλλά δεν ταξινομούνται ή φιλτράρονται ανάλογα με το μήκος κύματος που δέχονται. Έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί οι παλιές φωτογραφίες που βλέπετε από αστέρια και γαλαξίες είναι μονόχρωμες, παρόλο που τα αστέρια και οι γαλαξίες έχουν καθαρά χρώματα; Είναι επειδή τα τηλεσκόπια δεν συλλέγουν φως με πολλαπλά φίλτρα ξεχωριστής κυματομορφής. Ακόμη και τα σύγχρονα τηλεσκόπια τοποθετούν ένα φίλτρο μεταξύ του εισερχόμενου φωτός και της κάμερας CCDs, για να βελτιώνουν ή και να τελειοποιούν ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος ή ένα σύνολο από μήκη κύματος, έτσι ώστε να μπορούν να ληφθούν πολλές εικόνες με πολλαπλά φίλτρα, ανακατασκευάζοντας τελικά μια εικόνα είτε αληθούς, είτε ψευδούς χρώματος.


 Ο γαλαξίας της Ανδρομέδας (M31), όπως απεικονίζεται από ένα επίγειο τηλεσκόπιο με πολλαπλά φίλτρα, ανακατασκευάστηκε έτσι ώστε να δημιουργηθεί μία έγχρωμη εικόνα. Δικαιώματα εικόνας: Adam Evans / cc-by-2.0


Αυτό θα μπορούσε να ξεπεραστεί δημιουργώντας ένα πλήρες σύνολο φίλτρων για κάθε μεμονωμένο στοιχείο CCD, αλλά κάτι τέτοιο θα ήταν πολύπλοκο, δαπανηρό, και θα απαιτούσε τα φίλτρα αυτά να τοποθετούνται κάπου πίσω από τα στοιχεία CCD, μιας και θα έπρεπε να διατηρηθεί καθαρή ολόκληρη η περιοχή συλλογής του φωτός, όπου κανονικά θα τοποθετηθεί ένα κάτοπτρο ή ένας φακός, στοχεύοντας στον ουρανό. Δεν είναι κάτι καταλυτικό, αλλά είναι ένα στοιχείο για το οποίο δεν υπάρχει επί του παρόντος τουλάχιστον, κάποια λύση.


Η συσκευή απεικόνισης μεγάλης περιοχής του αστεροσκοπείου Calar Alto στην Ισπανία. Εικόνα: (LAICA) / J.W. Fried

Τα CCD μεγάλης περιοχής είναι εξαιρετικά χρήσιμα για τη συγκέντρωση και την ανίχνευση του φωτός καθώς και για την ενίσχυση κάθε μεμονωμένου φωτονίου που εισέρχεται. Αλλά χωρίς κάτοπτρο ή φακό για να προεστιάσει το φως, η πανκατευθηντική  (omnidirectional) φύση των CCDs θα αποτύχει να παράξει μια σημαντική εικόνα του παρατηρούμενου αντικειμένου.


Β) Τα CCD δεν σταθμίζουν, δεν υπολογίζουν τρόπο τινά, την κατεύθυνση του εισερχόμενου φωτός. Για να δημιουργήσουν αυτές τις εξαιρετικές εικόνες, τα τηλεσκόπια δεν χρειάζεται μόνο να υπολογίσουν την ένταση και τη κυματομορφή του εισερχόμενου φωτός, αλλά και την κατεύθυνση του. Οι φακοί και τα κάτοπτρα έχουν την υπέροχη ιδιότητα ότι το φως που προέρχεται από μια εξαιρετικά μακρινή πηγή που είναι κάθετη προς το επίπεδο του βασικού κατόπτρου συγκεντρώνεται έτσι ώστε να φτάσει στην κάμερα, στη φωτογραφική πλάκα, στο μάτι μας, στο CCD, ενώ το φως από άλλες κατευθύνσεις αντανακλάται. Όμως ο αισθητήρας CCD μπορεί να συλλέξει και να καταγράψει, το φως που δέχεται από οποιαδήποτε κατεύθυνση. Όσο και αν καταφέρετε έγκαιρα να εστιάσετε, ή να ευθυγραμμίσετε το φως που δέχεται ένας αισθητήρας CCD, το μόνο που θα καταφέρετε είναι να δείτε παντού έναν λαμπερό, κατάλευκο ουρανό, επειδή δεν θα έχετε εισάγει (εστίαση από φακό ή κάτοπτρο) κατευθυντήριες πληροφορίες για το εισερχόμενο φως.

Σχηματικό διάγραμμα των εγκαταστάσεων του ηλιακού τηλεσκοπίου McMath-Pierce, ο οποίος είναι ο μακρύτερος άξονας τηλεσκοπίου / οπτικής σήραγγας στον κόσμο. Τελικά, ακόμα και αυτό το τηλεσκόπιο απαιτεί την εγκατάσταση ενός κατόπτρου για να επιτύχει εικόνες υψηλής ποιότητας.
Εικόνα: NOAO / AURA / NSF

Ίσως να θεωρηθεί ότι μια πιθανή λύση σε αυτό το πρόβλημα είναι η κατασκευή ενός αδιαφανή σωλήνα με εξαιρετικά μεγάλο μήκος, κάθετος στο επίπεδο της συστοιχίας CCD, αλλά ακόμα και αυτή η διάταξη έχει ένα πρόβλημα: χωρίς φακό ή κάτοπτρο, το φως από οτιδήποτε βρίσκεται μέσα στο οπτικό πεδίο (FOV ή field-of-view) μπορεί εύκολα να ¨χτυπήσει¨ κάθε εικονοστοιχείο (pixel) στη συστοιχία των CCDs . Ακόμη και ο μακρύτερος άξονας/σήραγγα που κατασκευάστηκε ποτέ για τους σκοπούς αυτούς, το ηλιακό τηλεσκόπιο McMath-Pierce, στην Αριζόνα των ΗΠΑ απαιτεί ακόμη ένα βασικό κάτοπτρο ή έναν φακό για να εστιάσει το φως. Αυτός είναι ο μεγαλύτερος ανασταλτικός παράγοντας για τη χρήση αποκλειστικά και μόνο ενός CCD, για τον υπολογισμό και την εκτίμηση της εισερχόμενης ποσότητας φωτός, και ο μεγαλύτερος λόγος που χρειάζεστε έναν κάτοπτρο ή ένα φακό.



Αυτή η φωτογραφία, που λήφθηκε στις εγκαταστάσεις της Γαλλικής εταιρείας Astrium στην Toulouse, παρουσιάζει το πλήρες σύνολο των 106 CCD που αποτελούν το εστιακό επίπεδο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου Γαία (Gaia). Τα CCD είναι βιδωμένα στη δομή υποστήριξης των CCD (CSS). Το CSS (η γκρίζα πλάκα κάτω από τα CCD σε αυτή τη φωτογραφία) ζυγίζει περίπου 20 κιλά και είναι κατασκευασμένη από καρβίδιο του πυριτίου (SiC), ένα υλικό που παρέχει αξιοσημείωτη θερμική και μηχανική σταθερότητα. Το εστιακό επίπεδο είναι 1 × 0,5 μέτρα.
Εικόνα: ESA's Gaia / Astrium

Γ). Τα στοιχεία CCD κοστίζουν πολύ ακριβά για να καλύψουν μια συστοιχία διαμέτρου 10 μέτρων, καθιστώντας τα ένα πολύ ακριβό κομμάτι του εξοπλισμού. Χαρακτηριστικά, ένα CCD 12 MegaPixel τελευταίας τεχνολογίας, με κάθε εικονοστοιχείο (pixel) μόλις διαμέτρου 3,1 μικρών, - μαζί με τους μικροφακούς που το καλύπτουν-, πωλείται σήμερα περίπου 3.700 δολάρια. Για να καλυφθεί μια περιοχή ισοδύναμη με έναν κάτοπτρο διαμέτρου 10 μέτρων απαιτούνται περίπου 700.000 από αυτά τα εικονοστοιχεία: ένα κόστος που προσεγγίζει το απαγορευτικό ποσό των τριών δισεκατομμυρίων δολαρίων. Για λόγους σύγκρισης, το Μεγάλο Ευρωπαϊκό Τηλεοπτικό τηλεσκόπιο (ELT), με διάμετρο βασικού κατόπτρου 39 μέτρων, έχει εκτιμώμενο κόστος για ολόκληρη την εγκατάσταση και τον εξοπλισμό μικρότερο από το ήμισυ, μόλις 1083 εκατομμύρια ευρώ.


Το διάγραμμα αυτό δείχνει το νέο οπτικό σύστημα 5 κατόπτρων του Εξαιρετικά Μεγάλου Τηλεσκόπιου (ELT) του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESO). Πριν φθάσει στα επιστημονικά όργανα, το φως αντανακλάται αρχικά από τον τεράστιο κοίλο βασικό κάτοπτρο (M1), των 39 μέτρων, και στη συνέχεια ανακλάται από δύο ακόμα κάτοπτρα των 4 μέτρων, ένα κυρτό (M2) και ένα κοίλο (M3). Οι τελευταίοι δύο καθρέφτες (M4 και M5) σχηματίζουν ένα ενσωματωμένο σύστημα προσαρμοστικής οπτικής ( adaptive optics ) που επιτρέπει την δημιουργία εξαιρετικά ευκρινών εικόνων στο τελικό εστιακό επίπεδο.
Εικόνα: ESO


Η επιπλέον ποσότητα φωτός που θα κερδίζαμε χρησιμοποιώντας CCD χωρίς κάτοπτρα είναι μικρή, καθώς χάνεται μόνο το 5-10% του φωτός ανά ανάκλαση, αλλά κερδίζουμε επιπλέον 1500% (και δεν είναι τυπογραφικό λάθος!) πηγαίνοντας από ένα διαμέτρου 10 μέτρων, σε ένα κλασσικό τηλεσκόπιο διαμέτρου 39 μέτρων. Με απλά λόγια, υπάρχουν καλύτεροι τρόποι να ξοδέψετε τα χρήματά σας εάν ο στόχος σας είναι να συγκεντρώσετε περισσότερο φως και να αποκτήσετε υψηλότερη ανάλυση.



Τό Παρατηρητήριο του Επιστημονικού ινστιτούτου Carnegie (Carnegie Institution for Science Collection)  στη βιβλιοθήκη Huntington, στο San Marino, στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ.


Δ) Εάν ο στόχος σας είναι να εξοικονομήσετε βάρος, υπάρχει μια καλύτερη λύση. Το διαστημικό τηλεσκόπιο Χάμπλ (Hubble ST) ήταν μια απίστευτη πρόκληση, τόσο η εκτόξευσή του όσο και η περαιτέρω λειτουργία του, όχι μόνο λόγω του μεγέθους του αλλά λόγω του βάρους του. Το βάρος του βασικού κατόπτρου ήταν ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια που αντιμετώπισε η αποστολή. Αντίθετα, το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb θα έχει έκταση περισσότερες από επτά φορές την περιοχή συλλογής φωτός του Hubble, αλλά θα ζυγίζει μόλις το μισό από τον πολύ μικρότερο προκάτοχό του. Το μυστικό; Τοποθετήστε τον καθρέφτη σας στο επιθυμητό σημείο, διαμορφώστε τον, γυαλίστε τον, και στη συνέχεια ανοίχτε μια τρύπα στο πίσω μέρος.


Η εγκατάσταση του 18ου και τελικού τμήματος του βασικού κατόπτρου του Διαστημικού Τηλεσκοπίου JWST. Τα μαύρα καλύμματα, τα οποία έχουν επικάλυψη χρυσού, προστατεύουν τα επιμέρους κομμάτια των κατόπτρων, ενώ στο πίσω μέρος των κατόπτρων έχει ήδη αφαιρεθεί το 92% του αρχικού τους υλικού. Εικόνα: NASA / Chris Gunn


Όταν βρίσκεστε στο διάστημα δεν χρειάζεται να…παλεύετε με τη βαρύτητα, και επίσης δεν χρειάζεστε και τόσο μεγάλη υποδομή για να στηριχτεί ενα τηλεσκόπιο. Μετά την κατασκευή κάθε ενός από τα 18 κάτοπτρα του ΔΤ James Webb, η πίσω πλευρά είχε 92% της αρχικής μάζας η οποία εξήχθη από αυτό (λόγω του ανοίγματος οπής), διατηρώντας το επιθυμητό σχέδιο στο εμπρόσθιο σχήμα του κυρίως κατόπτρου, επιτυγχάνοντας έτσι τη σημαντική μείωση βάρους της όλης κατασκευής.



Το εσωτερικό του Μεγάλου τηλεσκοπίου στα Κανάρια νησιά (GTC), και το βασικό του κάτοπτρο. Πρόκειται για το μεγαλύτερο ενιαίο οπτικό τηλεσκόπιο στον κόσμο.
Εικόνα: Miguel Briganti (SMM / IAC)


Υπάρχουν πολλοί λόγοι για τους οποίους ίσως θελήσετε να κατασκευάσετε ένα τηλεσκόπιο χωρίς φακό ή κάτοπτρο, καθώς η βελτιστοποίηση του βάρους, του κόστους, των υλικών, της δύναμης συλλογής φωτός, της ποιότητας εικόνας και της ανάλυσης θα απαιτούν πάντοτε ένα συμβιβασμό. Αλλά το γεγονός ότι τα CCD, από μόνα τους, δεν μπορούν να σταθμίσουν και να υπολογίσουν την κατεύθυνση του εισερχόμενου φωτός αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα όπως είπαμε και πριν, για ένα τηλεσκόπιο χωρίς κάτοπτρα. Παρόλο που κάθε ανακλαστική επιφάνεια θα έχει μοιραία κάποια απώλεια φωτός, τα κάτοπτρα συνεχίζουν να αποτελούν το καλύτερο τρόπο για να έχουμε υψηλή ανάλυση, υψηλή ποιότητα, μεγάλη συλλεκτική επιφάνεια, με (σχετικά) χαμηλό κόστος για την παρατήρηση του Σύμπαντος. Εάν το κόστος για τα CCDs μειωθεί σημαντικά, εάν μπορεί να κατασκευαστεί μια συστοιχία από CCDs τόσο μεγάλη όσο ένα βασικό κάτοπτρο τηλεσκοπίου, και εάν η κατεύθυνση των εισερχόμενων φωτονίων μπορεί να υπολογιστεί και να διαχειριστεί σε πραγματικό χρόνο, τότε θα μπορούσαμε να έχουμε κάτι αξιόλογο. Αλλά για την ώρα, δεν υπάρχει υποκατάστατο της επιστήμης της οπτικής. 

Περισσότερο από 300 χρόνια από τότε που δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά η πρωτοποριακή πραγματεία για την επιστήμη του φωτός, οι κανόνες του Νεύτωνα εξακολουθούν να είναι αήττητοι όταν πρόκειται για κλασικά τηλεσκόπια!


Αρθρογράφος: Ethan Siegel- Αστροφυσικός και συγγραφέας είναι ο ιδρυτής και βασικός συγγραφέας του προγράμματος ¨ Starts With A Bang!¨Επίσης έχει εκδώσει τα βιβλία Treknology και Beyond The Galaxy.


Πηγές υπάρχουν επίσης και στις παραπομπές του κειμένου (οι λέξεις με τα μπλε γράμματα)
Απόδοση στα Ελληνικά : Δημήτρης Γκίκας.

 Για διορθώσεις μετάφρασης ως προς το πρότυπο κείμενο, απορίες, ή συμπληρώματα, γράψτε μας: gikasd63@hotmail.com  η αφήστε μήνυμα inbox στη Σελίδα:  

 Επίσης εάν θέλετε να δημοσιευτεί στο μπλόγκ μας κάποια δική σας εργασία, άρθρο, ή paper σχετικά με την επιστήμη, αποστείλατε τα άρθρα αυτά συνοδευόμενα απαραίτητα από τη σχετική βιβλιογραφία, και την σχετική έντυπη άδεια σας για δημοσίευση στο μπλόγκ μας, στη διεύθυνση: gikasd63@hotmail.com  . Η δημοσίευση είναι εντελώς δωρεάν

Εάν, κατά την άποψή σας, υπάρχουν επιστημονικά λάθη στο πρότυπο κείμενο η ομάδα μας δεν μπορεί να παρέμβει και να το αλλάξει χωρίς την συναίνεση του αρθρογράφου. Για οποιαδήποτε τέτοια αλλαγή επικοινωνήστε με την πηγή του άρθρου.

Το κείμενο υπόκειται σε επικαιροποίηση αν υπάρξουν έγκυρες διορθώσεις ή νέα στοιχεία που αφορούν το θέμα του άρθρου.
Από την ομάδα : @Aratosastronomy