Представьте себе космический телескоп с зеркалом размером 50 метров!
Это больше, чем ширина футбольного поля в Великобритании, и почти в восемь раз шире, чем у космического телескопа Джеймса Уэбба. Теперь представьте, что это огромное зеркало сделано не из точно изготовленных стеклянных сегментов, а из жидкости, плавающей в космосе. Звучит как фантастика, но это передовая концепция, лежащая в основе Fluidic Telescope (FLUTE) — совместного проекта NASA и Техниона, который может революционизировать способы исследования Вселенной.
Проблема создания всё более крупных космических телескопов достигла технологического тупика.
Даже космический телескоп Джеймса Уэбба с его 6,5-метровым сегментированным зеркалом расширил границы возможного для размещения в ракете и развёртывания в космосе. Масштабировать этот подход до десятков метров, необходимых для прямого наблюдения за экзопланетами, похожими на Землю, с помощью существующих методов кажется невозможным.
Решение — использование жидких зеркал.
В условиях микрогравитации в космосе тонкая плёнка жидкости естественным образом образует идеальную сферическую поверхность благодаря поверхностному натяжению — форме, необходимой для зеркала телескопа. Концепция FLUTE предлагает использовать это явление для создания зеркал, которые было бы непрактично или невозможно изготовить с использованием традиционных твёрдых материалов.
Но есть нюанс: даже если такое зеркало можно создать, что произойдёт, когда телескопу нужно будет перейти от одной астрономической цели к другой?
Новое исследование, проведённое под руководством Исраэля Габая и его коллег из Техниона, опубликованное на сервере препринтов arXiv, решает этот фундаментальный вопрос с помощью сложного математического моделирования и экспериментов. Их работа раскрывает как перспективы, так и проблемы жидких космических телескопов.
Команда разработала первую всеобъемлющую теоретическую модель, описывающую поведение жидкого зеркала при угловых ускорениях, возникающих при маневрировании телескопа. Используя передовые математические методы, они создали аналитические решения, которые точно предсказывают, как поверхность жидкости будет деформироваться во время и после движений телескопа.
Их выводы одновременно обнадёживают и отрезвляют. Когда 50-метровый жидкий телескоп с зеркалом толщиной 1 миллиметр выполняет типичные маневры по повороту, поверхность действительно деформируется, причём возмущения достигают нескольких микрометров на краях. Однако эти деформации распространяются внутрь крайне медленно, и на достижение центра зеркала у них уходят годы.
Ключевой вывод заключается в том, что не всё зеркало должно оставаться идеальным. Даже после 10 лет работы, включающей ежедневные маневры по повороту, внутренние 80% апертуры остаются достаточно сформированными. Это вполне укладывается в допуски для высококачественной космической оптики.
Операторам телескопов необходимо будет управлять «бюджетом маневрирования» — общим количеством маневров, которые телескоп может выполнить до того, как деформации ухудшат его оптические характеристики. Интересно, что исследование показало: несколько небольших маневров в разных направлениях иногда могут дать лучшие результаты, чем одно крупное движение, поскольку они создают более симметричные паттерны деформации, которые легче исправить оптически.
Для проверки своих теоретических предсказаний исследователи провели оригинальные лабораторные эксперименты, используя микроскопические жидкие плёнки и бесконтактные электромагнитные силы для создания контролируемых деформаций. Несмотря на огромную разницу в масштабах, математическая модель успешно предсказала наблюдаемую динамику жидкости.
Последствия выходят за рамки просто создания более крупных телескопов. Жидкие зеркала могут позволить космическим телескопам изменять свою форму для выполнения различных задач наблюдения, корректировать свои оптические аберрации или даже самостоятельно ремонтироваться после повреждений от микрометеоритов. Исследование показывает, что такие телескопы могут сохранять функциональность в течение десятилетий с возможностью проведения «процедур сброса» для восстановления первоначальной формы зеркала при необходимости.
По мере того как космические агентства планируют следующее поколение телескопов на 2030-е годы и далее, концепция FLUTE представляет собой переход от точного производственного процесса к точной гидродинамике. Хотя проблемы остаются, особенно в инженерных системах, необходимых для удержания и управления жидкостью в космосе, это исследование демонстрирует, что фундаментальная физика обоснована.