Hvað stærsti fljótandi speglasjónauki heims þýðir fyrir stjörnufræði

OFAN á indversku fjalli situr 4 metra breitt endurskinsskál, gárulaust yfirborð þess speglar allt fyrir ofan það. Það er eins og einhver hafi mokað upp stykki af Bólivískar saltsléttur, stærsti náttúrulegi spegill heims, og settu það í Himalajafjöll. En ólíkt Salar de Uyuni í Suður-Ameríku, þar sem saltslétturnar sem eru þaktar vatni framleiða ótrúlegar spegilmyndir sem draga til sín marga ferðamenn, er skálinn á fjallinu fylltur af fljótandi kvikasilfri. Og þetta er enginn ferðamannareitur: aðeins lítill hópur vísindamanna getur nálgast hann sem notar hann til að skoða himininn.

Skálin er hluti af einstökum sjónauka. International Liquid Mirror Telescope (ILMT) er staðsett í stjörnustöð í Uttarakhand-fylki í norðurhluta Indlands og notar laugina af glansandi málmi til að safna ljósi frá himninum.

Slíkir sjónaukar hafa kosti umfram hefðbundna. Mikilvægast er að þeir eru mun ódýrari í byggingu. En þrátt fyrir að hugmyndin um fljótandi sjónauka hafi verið til um aldir, hefur reynst djöfullega erfiður að búa til lífvænlegan. ILMT var í vinnslu í meira en áratug. Í ár opnaði hann augun í fyrsta skipti. Hann er sá stærsti sinnar tegundar og sá fyrsti sem smíðaður var til að framkvæma stjörnuathuganir.

Sjónaukinn skannar næturhimininn í von um að koma auga á ný fyrirbæri – þegar það er ekki rigning, það er að segja. En stjörnufræðingar vona að möguleikar þessara tækja nái einn daginn mun hærra en fjallatinda jarðar. Einn daginn gætu þeir jafnvel leyft okkur að smíða stórsjónauka á tunglinu til að fá innsýn í fyrstu stjörnurnar í alheiminum.

Grunnhugmyndin um fljótandi sjónauka er furðu einföld. Rétt eins og morgunkaffið þitt, ef þú hrærir í vökva, mun yfirborð hans mynda rétta form sem, það kemur í ljós, er fullkomið til að stilla ljós. „Hugmyndin var sú að ef við gætum fundið endurskinsvökva og snúið honum með mjög nákvæmu stjórnkerfi myndi hann einbeita ljósi að ofan á skynjara og við gætum notað hann sem sjónauka,“ segir Paul Hickson við háskólann í Bresku Kólumbíu. í Kanada, einn helsti vísindamaður ILMT.

Þetta hugtak má rekja aftur til 17. aldar og Isaac Newton. En það var ekki fyrr en seint á 19. öld sem einhver reyndi að byggja einn. Athyglisverðasta tilraunin var bandaríski eðlisfræðingurinn Robert Wood sem snemma á 1900 smíðaði litla frumgerð 5 sentímetra í þvermál. En sköpun Wood var langt frá því að vera fullkomin: vélbúnaðurinn sem hann notaði til að snúa speglinum skapaði gárur í kvikasilfrinu og hann átti í vandræðum með að búa til fatið sem hélt málmsnúningnum á jöfnum hraða. Árið 1922 var stungið upp á „skrímslisjónauka“ sem var 15 metrar í þvermál. Markmiðið var að fylgjast með Mars og hvers kyns íbúum – sem voru háværar vangaveltur snemma á 20. öld – þegar plánetan kom nálægt jörðinni árið 1924. En sjónaukinn varð aldrei að veruleika.

Í nokkra áratugi voru starfandi fljótandi sjónaukar áfram ímyndunarafl fólks. Síðan, árið 1982, fann Ermanno Borra við Laval háskólann í Quebec, Kanada, lausn á tæknilegum áskorunum , svo sem gárunum sem höfðu hrjáð sköpun Wood og aðrar fyrstu tilraunir. Hann lagði til að draga úr titringi með því að dæla þunnu lagi af lofti á milli skálarinnar sem geymir kvikasilfrið og mótorsins sem snýr því. Borra stakk einnig upp á því að hella fljótandi plastefni á yfirborð disksins fyrst, láta það þorna í rétta lögun, síðan hella endurskinsvökva á það sem húðun og minnka það magn af kvikasilfri sem þarf.

Þessar lagfæringar leiddu til fjölda verkefna. Árið 1994 byggðu Borra og samstarfsmenn hans, þar á meðal Hickson, tilrauna 2,7 metra breiðan vökvaspegilsjónauka nálægt Vancouver í Kanada. Hickson vann einnig með NASA á 3 metra fljótandi sjónauka í Nýju Mexíkó til að fylgjast með geimrusli og í byrjun 2000 byggði Háskóli Breska Kólumbíu tilraunaverkefnið 6 metra Large Zenith sjónauka á hæð rétt fyrir utan Vancouver. “Við notuðum það aðallega fyrir verkfræði, til að leysa vandamál sem koma upp þegar þú ferð í stærri og stærri þvermál,” segir Hickson. Það var einnig notað til að rannsaka natríumlagið í lofthjúpi jarðar, en það hentaði ekki fyrir geimmælingar vegna skýjaðs veðurs nálægt Vancouver. Það var tekið úr notkun árið 2016.

Samt sem áður staðfesti Vancouver-verkefnið það sem marga stjörnufræðinga hafði grunað, að þessir sjónaukar eru mun ódýrari í smíði en þeir sem eru með trausta spegla. Hefðbundin hljóðfæri nota glerspegla til að endurkasta ljósi sem kemur frá stjörnum og öðrum geimhlutum. Spegilflöturinn getur ekki haft einu sinni minnstu högg, sem þýðir að pússa það til að vera nákvæmlega slétt að broti af bylgjulengd ljóssins.

Kostir fljótandi sjónauka

Að ná slíkri nákvæmni verður nánast ómögulegt í stórum sjónaukum. Ein lausn er að búa til nokkra smærri spegla og stilla þá svo saman til að mynda stórt yfirborð. En jafnvel þá er þetta kostnaðarsamt og flókið mál. Speglarnir, sem mynda stóran hluta kostnaðarins, geta gert stóran sjónauka efnahagslega óhagkvæman. Vökvaspeglar kosta aftur á móti brot af gleri – 1 prósent af kostnaði samkvæmt sumum áætlunum – sem gerir þá tilvalna fyrir stóra sjónauka. 4 metra ILMT kostaði um 2 milljónir Bandaríkjadala , en 3,6 metra sjónaukinn sem hann situr við hliðina var með verðmiðann upp á 17 milljónir Bandaríkjadala .

Samt sem áður skiptir kostnaðarsparnaður ekki máli ef við getum ekki smíðað virkan spegilsjónauka. ILMT var hugsuð árið 1996 og var gert ráð fyrir að það verði tilbúið til notkunar árið 2009. En verkefnið varð fyrir nokkrum töfum. Að fá nóg kvikasilfur til að fylla fatið, 50 lítra af því, var ein áskorunin. Síðan var gerð hlífðarhvelfingarinnar seinkuð þar til seint á árinu 2016. Árið eftir fóru tveir kranar og vörubíll hægt upp fjallið til að setja upp 4 metra fatið og aðra þætti. Svo kom kransæðaveirufaraldurinn og setti ILMT aftur á bak um eitt ár eða svo. „Sterk einbeitni hélt verkefninu á lífi,“ segir Jean Surdej , stjörnufræðingur við háskólann í Liége í Belgíu sem var í fararbroddi ILMT átaksins. Í hans augum var það þess virði vegna hagkvæmni þess og möguleika á að rannsaka himininn á einstakan hátt.

Ólíkt venjulegum sjónaukum, sem geta vísað á mismunandi staði, getur fljótandi spegilsjónauki aðeins horft beint upp á himinblettinn fyrir ofan, sem stjörnufræðingar kalla hápunktinn. Þetta var í upphafi talinn alvarlegur galli vegna þess að engin leið var að miða á ákveðna hluti. Þessa dagana getur það þó verið bónus að fylgjast með einum stað. „Með því að horfa á sama svæði himinsins aftur og aftur, færðu svona tímaskekkjumynd,“ segir Hickson. Það er góð leið til að greina hlutir sem birtast hverfult, eins og sprengistjörnur og smástirni sem fara framhjá.

Notalega eru myndgæði sjónauka best á hátindi líka. „Hápunkturinn er þar sem [komandi] ljósgeislar fara yfir minnsta magn af andrúmsloftslagi jarðar, sem þýðir að gagnsæið er best þar,“ segir Surdej. Annar kostur við ILMT er staðsetning hans, rétt við hlið stærsta sjónauka Indlands. Ef stjörnufræðingar koma auga á eitthvað áhugavert í gegnum ILMT geta þeir fylgt eftir með hinu tækinu.

Jafnvel þó að þeir séu mun ódýrari í smíðum en hliðstæðar úr gleri, koma fljótandi speglar með sínar erfiðu kröfur. Í ILMT flýtur spegilskálin á um það bil 10 míkrómetra þykku loftlagi, mun þynnra en mannshár. Kvikasilfurslagið í ILMT er um 3 millimetrar á þykkt og spegillinn snýst einu sinni á 8 sekúndna fresti. Til að undirbúa yfirborð fatsins sem geymir kvikasilfrið þannig að það taki á sig tilskilda fleygboga lögun, þurftu vísindamenn að blanda saman nokkrum fötum af kemískri kvoðu, klifra á bjálka beint fyrir ofan snúningsdisk og hella vökvanum á snúningsflötinn áður en hann harðnaði svo það gæti tekið á sig þá mynd sem óskað er eftir. Það var líka heilmikill leiðangur að koma 4 metra breiðu skálinni upp að stjörnustöðinni, sem er í 2450 metra hæð. Það þurfti jafnvel að brjóta niður vegg til að breikka veginn á einum stað.

Að lokum, snemma árs 2022, flugu Hickson og Surdej til Indlands til að setja saman sjónaukann ásamt indverskum vísindamönnum. Þeir smelltu á hlífðargrímurnar sínar til að stöðva innöndun kvikasilfursgufu, helltu gljáandi fljótandi málminum á yfirborðið og stilltu myndavélinni sem fangar endurkastað ljós hennar. „Fyrstu myndirnar voru hræðilegar, sem er eðlilegt vegna þess að myndavélin var ekki stillt í rétta stöðu,“ segir Hickson. Eftir að hafa lagfært stillingarnar náði teymið fyrstu raunhæfu athugun sinni í annarri viku maí. „Við vorum öll mjög ánægð þegar við fengum fyrstu myndirnar,“ segir Hickson. „Við opnuðum flösku af víni.

Sjónaukinn er aðeins starfhæfur í um átta til níu mánuði á ári og tekur sér hlé á milli júlí og október á meginhluta monsúntímabilsins á Indlandi. Kvikasilfrið er fjarlægt og renniþakið sem opnast þegar sjónaukinn er að skoða er hulið. Teymið mun framkvæma prófanir til að samræma alla þætti áður en athuganir hefjast aftur í byrjun janúar.

Athuganir hingað til eru ríkulegt stjörnusvið í Vetrarbrautinni og NGC 4274, vetrarbraut í Coma Berenices stjörnumerkinu. Þetta eru þekktir hlutir. Vonin er að ILMT finni eitthvað alveg nýtt. “Margar uppgötvanir sem hafa verið gerðar á undanförnum árum hafa bara verið eins konar óvæntar,” segir Hickson. “Þú veist ekki hvað gæti komið upp.”

Það er mikið hjólað á ILMT. Ef það reynist vel gæti það leitt til nýrra fljótandi sjónauka í öðrum heimshlutum. Háskóli Bresku Kólumbíu hafði áform um 8 metra sjónauka á tindi í Chile , en verkefnið er í biðstöðu vegna fjárskorts.

Margir vona að framtíð fljótandi speglasjónauka sé lengra í burtu. NASA gerir tilraunir til að kanna hvort hægt sé að nota vökva til að búa til aðra hluta sjónauka í geimnum. Án þyngdaraflsins fær hvaða vökvi sem er að lokum fullkomna kúlulaga lögun, sem hægt er að nota til að búa til risastóra linsu. Þegar þær eru prófaðar í eftirlíkingu á örþyngdaraflum hafa fljótandi linsur reynst jafn góðar og eða betri en glerlinsur og taka aðeins brot af tímanum að búa til.

Risastór sjónauki á tunglinu

Fullkominn draumur, að minnsta kosti fyrir stjörnueðlisfræðinginn Önnu Schauer við Texas-háskóla í Austin, er að smíða risastóran vökvasjónauka á yfirborði tunglsins til að skyggnast á fyrstu stjörnurnar í alheiminum. Schauer og samstarfsmenn hennar eru að kanna hagkvæmni 100 metra þvermáls útgáfu til að skoða fáránlegan hóp fyrirbæra sem kallast Population III stjörnur – taldar vera fyrstu stjörnurnar sem mynduðust eftir Miklahvell og vera eingöngu úr vetni og helíum. Talið er að þær séu til í smærri klösum og eru svo daufar að jafnvel Ólíklegt er að James Webb geimsjónauki geti séð þá. Til þess þyrftu vísindamenn sjónauka með ótrúlega stórum spegli. Þetta væri nánast ómögulegt að framleiða og mjög dýrt að setja á tunglið – nema það sé úr vökva.

Tunglsjónauki verður þó ekki úr kvikasilfri þar sem málmurinn er of þéttur til að virka almennilega á yfirborði tunglsins. Einn valkostur er jónandi vökvi , salt í fljótandi formi. Hvað sem efnið væri, myndi tækið vera staðsett í gíg nálægt einum af pólum tunglsins og það myndi senda gögn til gervitungl á braut um tungl. Svo stórt verkefni mun líklega taka áratugi að verða að veruleika. En opnun ILMT, eftir margra ára undirbúning, gerir Schauer vongóðan. „Að endurvekja þessa tækni og koma henni í framkvæmd á jörðinni er ótrúlegt,“ segir hún. „Þetta er frábært skref í þá átt að búa loksins til fljótandi spegilsjónauka á tunglinu.