Credito di immagine: Università dell'Arizona
Oltre 30 anni fa, il Dr. Roger Angel venne all'Università dell'Arizona, attratto dalle condizioni favorevoli per l'osservazione astronomica nell'area di Tucson, in Arizona: numerosi telescopi sono comodamente vicini e, naturalmente, il clima è meravigliosamente temperato. Ma ora Angel propone di costruire un telescopio in una posizione un po 'più remota e non così mite: un cratere polare sulla luna.
Conosciuto per le sue innovazioni negli specchi per telescopi leggeri e nell'ottica adattiva, Angel ora guida un team di scienziati statunitensi e canadesi che stanno esplorando la fattibilità della costruzione di un osservatorio a infrarossi in campo profondo vicino a uno dei poli lunari usando un Liquid Mirror Telescope (LMT ).
Questo concetto è una delle 12 proposte che hanno iniziato a ricevere finanziamenti lo scorso ottobre dall'Istituto NASA per i concetti avanzati (NIAC). Ognuno riceve $ 75.000 per sei mesi di ricerca per fare studi iniziali e identificare sfide nello sviluppo. I progetti che superano la prima fase sono ammissibili fino a $ 400.000 in più in due anni.
Gli LMT vengono prodotti facendo girare un liquido riflettente, solitamente mercurio, su una piattaforma a forma di scodella per formare una superficie parabolica, perfetta per l'ottica astronomica. Isaac Newton originariamente propose la teoria, ma la tecnologia per creare effettivamente un tale dispositivo con successo è stata sviluppata solo di recente. Oggi sono in uso solo una manciata di LMT, tra cui un LMT da 6 metri a Vancouver, in Canada, e una versione da 3 metri che la NASA utilizza per il suo Osservatorio sui detriti orbitali nel New Mexico.
Sulla Terra, le LMT hanno dimensioni limitate a circa 6 metri di diametro perché il vento auto-generato che proviene dalla rotazione del telescopio disturba la superficie. Inoltre, come altri telescopi terrestri, gli LMT sono soggetti ad assorbimento e distorsione atmosferica, riducendo notevolmente la portata e la sensibilità dell'osservazione a infrarossi. Ma la luna priva di atmosfera, dice Angel, fornisce la posizione perfetta per questo tipo di telescopio fornendo la gravità necessaria per formare lo specchio parabolico.
Il potenziale di un LMT sulla luna è quello di realizzare un telescopio molto grande. Per riferimento, l'Hubble Space Telescope ha uno specchio di 2,4 metri e il James Webb Space Telescope (JWST) in fase di sviluppo per il lancio nel 2011 avrà uno specchio di 6 metri. Il concetto per la proposta NIAC di Angel è uno specchio di 20 metri, ma con la ricerca finora condotta dal team, ora stanno cercando di creare specchi molto grandi, con 100 metri come opzione di punta. Stanno considerando anche LMT più piccoli. "Ovviamente non possiamo andare sulla luna e fare uno specchio di 100 metri la prima cosa", ha detto Angel. "Stiamo osservando una sequenza di dimensioni di scala di 2 metri, 20 metri e 100 metri e stiamo esaminando quale sia il potenziale di ciascuno." Angel crede che il telescopio da 2 metri potrebbe essere realizzato senza alcuna presenza umana sulla luna e installato come un telescopio robotico, proprio come gli strumenti scientifici sui rover su Marte stanno funzionando ora.
Il limite di uno specchio liquido è che punta solo verso l'alto, quindi non è come un telescopio standard che può essere puntato in qualsiasi direzione e seguire gli oggetti nel cielo. Guarda solo l'area del cielo direttamente sopra la testa.
Quindi, l'obiettivo scientifico di una LMT è non guardare tutto il cielo, ma prendere un'area dello spazio e guardarla intensamente. Questo tipo di astronomia è stato molto "redditizio", come descritto da Angel, in termini di ricchezza di informazioni che sono state raccolte. Alcuni degli sforzi scientifici più produttivi del telescopio spaziale Hubble sono state le sue fotografie "Deep Field".
Essere in grado di guardare solo una zona dello spazio in ogni momento spinge Angel e il suo team a cercare uno dei poli lunari per la posizione migliore per questo telescopio. Come per i poli della Terra, guardare direttamente dai poli sulla luna fornisce sempre lo stesso campo visivo extragalattico. "Se andiamo al Polo Nord o Sud della luna, stiamo andando ad immaginare una macchia di cielo per tutto il tempo, e in modo che ti permetta di fare un'integrazione estremamente profonda, molto più profonda anche del Campo Profondo di Hubble." Combinalo con una grande apertura e questo telescopio fornirebbe una profondità di osservazione che non avrebbe eguali con nessun telescopio sulla Terra o nello spazio. "Questa è la nicchia o la forza particolare di questo telescopio", disse Angel.
Un altro aspetto positivo degli specchi liquidi è che sono molto economici rispetto al processo di creazione di uno specchio standard creando, lucidando e testando un pezzo di vetro grande e rigido, o creando pezzi più piccoli che devono essere lucidati, testati e poi uniti molto con precisione. Inoltre, gli LMT non necessitano di costosi supporti, supporti, sistemi di tracciamento o dome.
"Il costo totale del James Webb Telescope dovrebbe superare un miliardo di dollari, con il prezzo sul solo specchio di circa un quarto di milione di dollari", ha detto Angel. "Quello specchio è di 6 metri, quindi se ridimensioniamo quella tecnologia a specchi ancora più grandi nello spazio, alla fine andremo a rompere la banca, e non saremo in grado di permetterci dalla tecnologia attuale di realizzare lo specchio lucido e portarlo nello spazio. "
Anche se il telescopio da 2 metri sarebbe un prototipo, sarebbe comunque astronomicamente prezioso. "Potremmo fare cose complementari allo Spitzer Space Telescope e al Webb Telescope, poiché il telescopio da 2 metri sulla luna riempirebbe il territorio tra questi due telescopi." Uno specchio di 20 metri fornirebbe una risoluzione 3 volte maggiore del JWST e integrando o lasciando l'otturatore aperto per lunghi periodi, come un anno, è possibile visualizzare oggetti 100 volte più deboli. Uno specchio di 100 metri fornirebbe dati fuori scala.
Una delle sfide nello sviluppo di un LMT sulla luna è quella di creare i cuscinetti per far girare la piattaforma senza problemi e a velocità costante. I cuscinetti ad aria sono usati per LMT sulla Terra, ma senza aria sulla luna, questo è impossibile. Angel e il suo team stanno esaminando i cuscinetti a levitazione criogenica, simili a quelli usati per i treni a levitazione magnetica per ottenere un movimento senza attrito usando un campo magnetico. Angel ha aggiunto: “Come bonus, con le basse temperature sulla luna puoi farlo senza spendere alcuna energia perché puoi creare un magnete superconduttore che ti consente di creare un cuscinetto a levitazione che non richiede un input continuo di energia elettrica. ”
Angel ha definito i cuscinetti un componente critico del telescopio. "Senza aria sulla luna per creare vento, non c'è limite alle dimensioni o al raggiungimento dell'accuratezza di cui hai bisogno fintanto che il cuscinetto va bene", ha detto Angel.
Un'evoluzione del progetto da quando ha ricevuto il finanziamento NIAC è la posizione del telescopio. Nella proposta iniziale, la squadra di Angel ha favorito il polo sud della luna nel cratere di Shackleton. Ma il polo nord offre in realtà un campo visivo migliore per l'osservazione extragalattica, hanno capito, e Angel attende i dati dall'orbita lunare SMART-1 dell'Agenzia spaziale europea che di recente ha iniziato a sorvegliare le regioni polari della luna.
"Nelle regioni polari ci sono alcuni crateri in cui il sole non illumina mai e non riscalda mai il terreno", ha detto Angel. “Fa molto freddo lì, non molto al di sopra dello zero assoluto. Invece di costruire il telescopio in condizioni così ostili, proveremmo a costruire il telescopio su un picco di uno dei poli, dove il sole sarebbe quasi continuamente. Ciò fornirebbe energia solare e le condizioni sarebbero migliori per le persone che vivono lì. Tutto quello che devi fare è mettere uno schermo cilindrico in Mylar attorno al telescopio per evitare che il sole lo colpisca mai e si raffredderà proprio come nella parte inferiore dei crateri. "
Con l'osservazione a infrarossi, un telescopio freddo è vitale per poter vedere oggetti più freddi e deboli nello spazio. Avere il telescopio vicino allo zero assoluto (0 gradi Kelvin, -273 C, -460 F) sarebbe l'ideale. Dal momento che il mercurio si congelerà a quelle temperature, un'altra sfida per il progetto è trovare il liquido giusto per girare per lo specchio. Alcuni dei candidati sono etano, metano e altri piccoli idrocarburi, come i liquidi che sono stati trovati su Titano dalla sonda Huygens, che è sbarcata sulla più grande luna di Saturno il 14 gennaio.
"Ma questi liquidi non sono lucidi, quindi devi capire come depositare un metallo lucido come l'alluminio direttamente sulla superficie del liquido", ha detto Angel. “Normalmente quando realizziamo un telescopio astronomico creiamo gli specchi di vetro, che non riflette molto e quindi fai evaporare alluminio o argento sul vetro. Sulla luna dovremmo far evaporare il metallo sul liquido piuttosto che sul vetro. "
Questa è una delle aree chiave della ricerca nell'ambito del premio NIAC. Negli studi iniziali, il team di Angel è stato in grado di far evaporare un metallo su un liquido, anche se non ancora alle basse temperature richieste. Tuttavia, sono incoraggiati dai risultati finora.
Il team di Angel è atipico per un progetto NIAC, in quanto si tratta di una collaborazione internazionale e NIAC non finanzia partner internazionali. "Succede che gli esperti mondiali nella realizzazione di telescopi a specchio liquido rotanti siano tutti in Canada, quindi era un po 'essenziale che se stiamo pensando di farlo sulla luna in cui li portiamo", ha detto Angel. "Fortunatamente, sono entrati con il loro biglietto, per così dire, e sono entusiasti del progetto."
I membri canadesi del team sono Emanno Borra, della Laval University in Quebec, che ha iniziato a ricercare e costruire LMT dai primi anni '80, e Paul Hickson, della University of British Columbia, che, con l'aiuto di Borra, ha costruito il LMT da 6 metri in Vancouver. Altri collaboratori includono Ki Ma dell'Università del Texas a Houston, esperto di cuscinetti criogenici, Warren Davison dell'Università dell'Arizona, esperto di ingegneria meccanica dei telescopi, e lo studente laureato Suresh Sivanandam.
NIAC è stato creato nel 1998 per sollecitare concetti rivoluzionari da persone e organizzazioni esterne all'agenzia spaziale che potrebbero far avanzare le missioni della NASA. I concetti vincenti vengono scelti perché "spingono i limiti della scienza e della tecnologia conosciute" e "mostrano rilevanza per la missione della NASA", secondo la NASA. Ci si aspetta che questi concetti impieghino almeno un decennio per svilupparsi.
Angel afferma che ricevere il premio NIAC è una grande opportunità. "Scriveremo senza dubbio una proposta per la Fase II (del finanziamento della NIAC)", ha affermato. "Durante la fase I abbiamo identificato quali sono alcuni dei problemi più importanti di questo progetto e quali passi pratici dovremmo intraprendere ora. Abbiamo aperto alcune domande e ci sono alcuni semplici test che possiamo fare per vedere se ci sono tappi per lo spettacolo o meno ".
Il più grande ostacolo nel rendere l'Osservatorio a infrarossi lunare una realtà è, molto probabilmente, completamente fuori dalle mani di Angel. "La luna è un posto molto interessante per fare scienza", ha detto Angel. "Tuttavia, si basa su un sostanziale impegno di risorse da parte della NASA per tornare sulla luna." Certamente, per costruire i grandi telescopi da 20 o 100 metri dovrebbe esserci una presenza umana sulla luna. "Quindi," continuò Angel, "spingendo la tua scienza in quella direzione, diventi la coda di un cane molto grande sul quale non hai assolutamente alcun controllo"?
Angel spera che la NASA e gli Stati Uniti possano mantenere lo slancio della Vision for Space Exploration e tornare sulla luna. "Penso che alla fine lo spostamento nello spazio sia qualcosa che gli umani hanno un bisogno di fare e che faranno qualche volta", ha detto Angel. “Quando ciò accade, avere cose interessanti da fare una volta arrivati lì è importante. Dobbiamo sapere perché abbiamo lasciato la superficie di questo pianeta per andare sulla luna. Stiamo esplorando, sì, ma possiamo esplorare non solo la luna, ma usarla come luogo per fare ricerche scientifiche oltre la luna. Penso che sia qualcosa che dovrebbe succedere nel quadro generale ".
Nancy Atkinson è una scrittrice freelance e ambasciatrice del sistema solare della NASA. Vive in Illinois.
