Tại sao chúng ta xây dựng các kính thiên văn trên mặt đất lớn hơn thay vì phóng các kính thiên văn lớn hơn vào không gian?


36

Câu hỏi này là một tiếp theo để làm kính thiên văn lớn hơn bằng kết quả tốt hơn?

Một chiếc gương trên mặt đất phải lớn hơn bao nhiêu để phù hợp với những gì một chiếc gương dựa trên không gian có thể làm được? Tôi đoán tôi đang hỏi chủ yếu về ánh sáng khả kiến, nhưng nói chung tôi cũng quan tâm.

Tôi đoán trên mặt đất, bạn an toàn trước các thiên thạch micromet, vì vậy nó có thể sẽ tồn tại lâu hơn. Tại thời điểm nào nó trở nên rẻ hơn để xây dựng một kính viễn vọng trên mặt trăng hoặc một cái gì đó?


1
Làm thế nào để so sánh kính thiên văn trên máy bay? vi.wikipedia.org/wiki/Kuiper_Airborne_Observatoryen.wikipedia.org/wiki/ Kẻ
Shawn V. Wilson

Nhưng trong không gian, bạn không có những đám mây để chặn tầm nhìn của bạn (thực ra bạn cũng vậy, nhưng đó là những đám bụi lớn) hoặc máy bay ném bom bạn.
Leo Pan

Câu trả lời:


67

Nó rẻ hơn.

(1) Với hệ thống quang học thích ứng, bạn có thể nhận được độ phân giải 0,1 giây trên mặt đất (chỉ thừa nhận trên đỉnh núi có luồng không khí đặc biệt tốt, nhưng vẫn còn!). Điều này giúp loại bỏ một trong những lợi thế chính của không gian cho đến khi bạn có được đường kính gương trên vài mét.

(2) Các bộ phận tên lửa là các tấm vải liệm bảo vệ tải trọng trong tốc độ khí quyển siêu thanh đạt được trong quá trình phóng. Một fairing 5 mét là khoảng lớn nhất có thể được bay, giới hạn kích thước của gương một mảnh có thể được phóng. (Gương của Kính viễn vọng Webb đáng sợ là những mảnh sẽ tự lắp ráp trong không gian - một thiết kế rất đáng sợ và rất đắt tiền.)

(3) Bảo dưỡng kính viễn vọng trên đỉnh Mauna Kea hoặc vùng Andes Chile cao là một quá trình khó khăn và tốn kém. Phục vụ một kính thiên văn trên quỹ đạo làm cho nó trông giống như một thay đổi nhỏ. (Chi phí tương đương với chi phí xây dựng một phạm vi khổng lồ mới trên Trái đất.) Và việc phục vụ trên quỹ đạo thậm chí không thể được thực hiện với công nghệ hiện tại ngoại trừ quỹ đạo trái đất thấp.

(4) Trong khi độ phân giải cao là một biên giới trong thiên văn học, thì đi sâu là khác, và đi sâu cần có những tấm gương lớn . Một chiếc gương 30 mét trên Trái đất thu thập ánh sáng nhiều hơn nhiều so với chiếc gương 5 mét trong không gian. Các kính viễn vọng trên mặt đất khổng lồ chỉ đơn giản là làm tốt hơn việc là các thùng ánh sáng để quang phổ hơn bất cứ thứ gì chúng ta có thể đưa vào không gian.

Điểm mấu chốt là với sự phát triển của quang học thích nghi, các kính viễn vọng dựa trên không gian có kích thước hiện tại có thể xây dựng và phóng được đã mất lợi thế chính của chúng so với kính viễn vọng trên mặt đất. Và vì chi phí gấp 10 đến 100 lần, chúng chỉ đơn giản là không đáng để xây dựng cho nhiều mục đích.

Các kính viễn vọng dựa trên không gian vẫn giữ một lợi thế đáng kể trong các phần của quang phổ bị chặn bởi bầu khí quyển như UV và IR (Webb), và đối với một số nhiệm vụ liên quan đến phép đo quang độ chính xác cao (Kepler) và chiêm tinh học (Gaia). Nhưng đối với mục đích sử dụng chung, sự cân bằng dường như chắc chắn ở phía mặt đất đối với các kính thiên văn lớn.

Điều này sẽ thay đổi nếu chuyến bay vào vũ trụ trở nên rẻ hơn - ví dụ, SpaceX BFR, với fairing 9 mét và chi phí phóng thấp hơn đáng kể, mang lại hy vọng lớn cho kính viễn vọng không gian.


5
Có lẽ thêm rằng quang học thích ứng không thực sự hoạt động ở bước sóng khả kiến; chỉ gần IR. Một kính viễn vọng dựa trên không gian sẽ luôn cho độ phân giải góc tốt hơn ở các bước sóng khả kiến.
Rob Jeffries

4
@jamessqf: Đúng, nhưng bạn đang sử dụng nhiều, nhiều giờ trên một nhạc cụ rất đắt tiền. Hiệu quả hơn nhiều khi chế tạo một kính viễn vọng lớn hơn trên Trái đất với ít đô la hơn. Thực hiện nhiều lần phơi sáng của cùng một điểm và thêm chúng hoạt động trên Trái đất cũng như trong không gian - hầu hết bầu trời bị Trái đất che khuất tại một số điểm trong quỹ đạo của Hubble.
Mark Olson

4
@RobJeffries AO hoạt động rất tốt trong tầm nhìn, tho 'Tôi sẽ thừa nhận rằng đầu xanh trở nên khó xử lý.
Carl Witthoft

2
@ Donald.McLean Nó phụ thuộc vào những gì bạn muốn làm. Webb được thiết kế để nhìn ngược trở lại, nhưng một kính viễn vọng lớn hoạt động trong tầm nhìn có thể thực hiện quang phổ của các vật thể mờ ngoài z = 2 và bao phủ một số lượng rất lớn các vật thể thú vị. Điều quan trọng là Webb đang chạy đua vượt qua 9 tỷ đô la, toàn bộ Kính thiên văn Ba mươi mét ước tính khoảng 1,4 tỷ đô la. Webb không được gọi là "kính viễn vọng ăn thiên văn học" vì không có gì!
Mark Olson

1
@jamesqf Trên thực tế, cả kính viễn vọng không gian và mặt đất đều không lộ ra trong hơn 30 phút. Thay vào đó, nhiều phơi sáng được kết hợp thành một hình ảnh duy nhất. Ví dụ, HUDF đã sử dụng 800 lần phơi sáng, mỗi lần 1200 giây. Lý do là cả hai vật thể sáng sẽ khiến pixel bị bão hòa nếu phơi sáng quá lâu và xác suất các tia vũ trụ làm hỏng hình ảnh đẹp sẽ tăng theo thời gian phơi sáng. Nhưng với một số lần phơi sáng ngắn hơn, CR được loại bỏ bằng cách lấy trung bình của nhiều lần phơi sáng.
pela

14

Ngoài câu trả lời tuyệt vời của Mark ...

Tại sao chúng ta xây dựng các kính thiên văn trên mặt đất lớn hơn thay vì phóng các kính thiên văn lớn hơn vào không gian?

Nếu bạn có tiền cho hai ngôi nhà, một ngôi nhà gần nơi làm việc và một 'ngôi nhà mùa hè' trong rừng, bạn sẽ chia ngân sách của mình như thế nào?

Câu hỏi này là một tiếp theo để làm kính thiên văn lớn hơn bằng kết quả tốt hơn?

Vâng, và tôi không phải là người hâm mộ những câu trả lời đó, có lẽ @MarkOlson cũng không ấn tượng.

Những câu trả lời bỏ lỡ quang học thích ứng (loại bỏ nó là đắt tiền và không đặc biệt hiệu quả) và khả năng dễ dàng nâng cấp mọi thứ trừ kích thước của tòa nhà và gương chính.

Một chiếc gương trên mặt đất phải lớn hơn bao nhiêu để phù hợp với những gì một chiếc gương dựa trên không gian có thể làm được? Tôi đoán tôi đang hỏi chủ yếu về ánh sáng khả kiến, nhưng nói chung tôi cũng quan tâm.

Đó không phải là "lớn hơn bao nhiêu", nó "tiếp thị hiệu quả ý tưởng của bạn, bảo đảm càng nhiều tiền càng tốt và xây dựng tòa nhà lớn nhất với gương chính lớn nhất có thể". Đào sâu và xây dựng những gì bạn có thể, không được nâng cấp lớn như bạn có thể - cảm biến và siêu máy tính có thể khắc phục phần còn lại.

Tôi đoán trên mặt đất, bạn an toàn trước các thiên thạch micromet, vì vậy nó có thể sẽ tồn tại lâu hơn. Tại thời điểm nào nó trở nên rẻ hơn để xây dựng một kính viễn vọng trên mặt trăng hoặc một cái gì đó?

Kính thiên văn trên mặt đất và không gian là hữu ích, ít dựa trên mặt trăng.

Khi chúng tôi có " Công ty Kính viễn vọng Acme " mở cửa hàng đầu tiên của họ trên mặt trăng, giá mua sẽ giảm, cho đến khi đó Trái đất và dựa trên không gian sẽ rẻ hơn. Với không gian dựa trên không gian, nó có thể đáp ứng cho bạn một nửa để sửa chữa, với mặt đất (thậm chí trên đỉnh núi), một cơ sở sửa chữa thường ở gần đó.

Tại Paranal, tòa nhà bảo trì gương nằm trên đỉnh núi, gần các tấm gương.

Bài báo của Science America: Kính viễn vọng không gian James Webb có "quá lớn để thất bại?" giải thích:

Giả sử chúng tôi thực hiện theo quỹ đạo tiêm tới Trái đất-Mặt trời L2, tất nhiên điều nguy hiểm nhất tiếp theo là triển khai kính viễn vọng. Và không giống như Hubble, chúng tôi không thể ra ngoài và sửa nó. Thậm chí không một robot có thể đi ra ngoài và sửa nó. Vì vậy, chúng tôi đang mạo hiểm, nhưng để nhận phần thưởng lớn, thì ông Gr Grfeldfeld nói.

Tuy nhiên, có những nỗ lực khiêm tốn được thực hiện để tạo ra JWSTiên có thể phục vụ được như Hubble,theo Scott Willoughby, người quản lý chương trình của JWST tại Northrop Grumman Aerospace Systems ở Redondo Beach, California. Công ty hàng không vũ trụ là nhà thầu chính của NASA để phát triển và tích hợp JWST, và đã được giao nhiệm vụ cung cấp cho một giao diện xe phóng khởi động chuông trên kính viễn vọng có thể được nắm bắt bởi một cái gì đó, dù là phi hành gia hay robot điều khiển từ xa, Willoughby nói. Nếu một tàu vũ trụ được gửi đến L2 để cập bến với JWST, thì nó có thể cố gắng sửa chữa, hoặc nếu đài quan sát hoạt động tốt, chỉ cần tắt bình nhiên liệu của nó để kéo dài tuổi thọ. Nhưng hiện tại không có tiền được ngân sách cho các anh hùng như vậy. Trong trường hợp JWST phải chịu đựng những gì mà những người trong không gian được gọi là một ngày tồi tệ, thì đó là do sự cố rủi ro của tên lửa hoặc trục trặc triển khai hoặc một điều gì đó không lường trước được, Grunfeld nói hiện tại có một đoàn quan sát trong không gian,

LVIR

Khởi chạy Vòng giao diện xe (LVIR) (2)

Trích dẫn từ trang web " Kính viễn vọng không gian James Webb " (JWST):

Chiếc gương chính đã hoàn thành sẽ lớn hơn 2,5 lần so với đường kính của chiếc gương chính của Kính viễn vọng Không gian Hubble, có đường kính 2,4 mét, nhưng sẽ nặng khoảng một nửa.

Kính thiên văn vũ trụ James Webb sẽ thu thập ánh sáng nhanh hơn khoảng 9 lần so với Kính thiên văn vũ trụ Hubble khi người ta tính đến các chi tiết về kích thước gương, hình dạng và tính năng trong mỗi thiết kế ", Eric Smith, nhà khoa học chương trình JWST tại Trụ sở NASA, cho biết. Washington. Độ nhạy tăng lên sẽ cho phép các nhà khoa học nhìn lại khi các thiên hà đầu tiên hình thành ngay sau Vụ nổ lớn. Kính thiên văn lớn hơn sẽ có lợi thế cho tất cả các khía cạnh của thiên văn học và sẽ cách mạng hóa các nghiên cứu về cách các ngôi sao và hệ thống hành tinh hình thành và phát triển.

Xem thêm: " Kính thiên văn Webb vs Hubble ":

... Các vật thể ở xa hơn bị dịch chuyển đỏ nhiều hơn và ánh sáng của chúng được đẩy từ tia cực tím và quang học vào vùng hồng ngoại gần. Do đó, việc quan sát các vật thể ở xa này (như các thiên hà đầu tiên được hình thành trong Vũ trụ chẳng hạn) đòi hỏi phải có kính viễn vọng hồng ngoại.

Đây là lý do khác mà Webb không phải là sự thay thế cho Hubble là khả năng của nó không giống nhau. Webb sẽ chủ yếu nhìn vào Vũ trụ trong vùng hồng ngoại, trong khi Hubble nghiên cứu nó chủ yếu ở các bước sóng quang và tử ngoại (mặc dù nó có một số khả năng hồng ngoại). Webb cũng có một tấm gương lớn hơn nhiều so với Hubble. Khu vực thu thập ánh sáng lớn hơn này có nghĩa là Webb có thể quay ngược thời gian xa hơn Hubble có khả năng thực hiện. Hubble đang ở trong quỹ đạo rất gần trái đất, trong khi Webb sẽ cách 1,5 triệu km (km) tại điểm Lagrange (L2) thứ hai.

...

Webb sẽ nhìn thấy bao xa?

Bởi vì thời gian cần thiết để di chuyển, một vật thể càng ở xa, chúng ta càng nhìn xa hơn về thời gian.

Nhìn thấy ngược thời gian.

Hình minh họa này so sánh các kính thiên văn khác nhau và khoảng cách họ có thể nhìn thấy. Về cơ bản, Hubble [HST] có thể thấy tương đương với "các thiên hà trẻ mới biết đi" và Kính thiên văn Webb [JWST] sẽ có thể nhìn thấy "các thiên hà bé". Một lý do khiến Webb có thể nhìn thấy các thiên hà đầu tiên là vì đây là kính viễn vọng hồng ngoại. Vũ trụ (và do đó các thiên hà trong đó) đang mở rộng. Khi chúng ta nói về những vật thể ở xa nhất, General Relative thực sự phát huy tác dụng. Nó cho chúng ta biết rằng sự giãn nở của vũ trụ có nghĩa là nó là không gian giữa các vật thể thực sự trải dài, khiến các vật thể (thiên hà) di chuyển ra xa nhau. Hơn nữa, bất kỳ ánh sáng nào trong không gian đó cũng sẽ kéo dài, chuyển bước sóng của ánh sáng đó thành bước sóng dài hơn. Điều này có thể làm cho các vật ở xa rất mờ (hoặc vô hình) ở các bước sóng ánh sáng nhìn thấy được, bởi vì ánh sáng đó đến với chúng ta như ánh sáng hồng ngoại. Kính viễn vọng hồng ngoại, như Webb, rất lý tưởng để quan sát các thiên hà sớm này.

Các bản cập nhật trong các kỹ thuật quang học thích ứng đang diễn ra, xem: " Chụp ảnh vi sai kết hợp nhanh trên kính thiên văn trên mặt đất sử dụng máy ảnh tự kết hợp " (7 tháng 6 năm 2018), bởi Benjamin L. Gerard, Christian Marois và Raphaël Gal Rich:

"Chúng tôi phát triển khung cho một phương pháp như vậy dựa trên máy ảnh tự kết hợp (SCC) để áp dụng cho kính viễn vọng trên mặt đất, được gọi là Kỹ thuật SCC khí quyển nhanh (FAST). Chúng tôi cho thấy rằng với việc sử dụng một vành và thiết kế đặc biệt Thuật toán hình ảnh vi sai, ghi lại hình ảnh cứ sau vài mili giây cho phép trừ đi các đốm sáng trong khí quyển và tĩnh trong khi duy trì thông lượng exoplanet của thuật toán thống nhất gần với độ tương phản gần với giới hạn nhiễu của photon sau 30 giây cho dải thông 1% trong dải H trên cả hai ngôi sao có cường độ 0 và 5. Đối với trường hợp cường độ thứ 5, độ tương phản thô tốt hơn khoảng 110 lần so với những gì hiện có từ các công cụ ExAO nếu chúng ta ngoại suy trong một giờ quan sát, minh họa rằng cải thiện độ nhạy từ phương pháp này có thể đóng một vai trò thiết yếu trong việc phát hiện và mô tả đặc điểm của các ngoại hành tinh có khối lượng thấp hơn. "

Nói tóm lại, đôi khi họ có thể loại bỏ hoàn toàn bầu không khí. Những cải tiến đang đến.

ESO 4LGSF - Cơ sở sao hướng dẫn bằng laser - Bốn tia laser được sử dụng để tạo sao hướng dẫn cho AO.


Một nity teen: sửa chữa dựa trên không gian về cơ bản sẽ không bao giờ xảy ra đối với những kính thiên văn được đặt tại các điểm Lagrange. Chỉ là quá xa cho con người để đi.
Carl Witthoft

@CarlWitthoft - Bạn có đề cập đến điểm này tôi đã thực hiện: "Với không gian dựa trên không gian, nó có thể gặp bạn nửa chừng để sửa chữa, ..." - Nit lớn hơn của tôi là tôi không nói sẽ đến đó hoặc để nó thành rác không gian nếu nó Hubble. Cách rẻ hơn để bắn một retro, gặp lại một hoặc hai năm sau đó, sửa chữa (hy vọng không cứu vãn) và đẩy nó đi. Có lẽ bạn có thể viết một câu hỏi: Yêu nó hoặc bỏ nó ...
Rob

1
Trên thực tế, tôi nghĩ rằng chúng ta sẽ thấy các sửa chữa và nâng cấp dựa trên không gian của thế hệ kính viễn vọng không gian tiếp theo. Bắt đầu từ vị trí của Webb lên quỹ đạo Trái đất cao là khá rẻ. Nếu BFR chứng minh được hoặc Blue Origin thành công và thực hiện bước tiếp theo, việc đưa một phi hành đoàn lên quỹ đạo 100.000 km sẽ có giá tương đương với một lần phóng ULA kiểu cũ cho LEO. Và việc thêm 1000 kg vào Webb sẽ cho phép nó quay trở lại quỹ đạo 100.000 km đó để phục vụ sử dụng động cơ ion. Giảm chi phí khởi động theo kiểu BFR là một điểm uốn cho thiên văn học trên không gian.
Mark Olson

1
@MarkOlson - Đúng. Giá của SpaceX là 62 triệu đô la hoặc 90 triệu đô la Mỹ để gửi 4.020 hoặc 16.800 kg lên sao Hỏa tùy thuộc vào loại xe bạn chọn. Nếu chi phí gấp 10 lần để gửi người hoặc robot đến điểm hẹn trên quỹ đạo hoặc L2 sẽ chỉ bằng 10% chi phí. Nếu chiếc xe của bạn có giá $ 30K, bạn sẽ trả $ 3K để sửa nó hoặc mang nó đến bãi phế liệu, tôi không thể không nghĩ rằng một số lượng lớn người sẽ trả tiền cho việc sửa chữa - đặc biệt là khi bạn xem xét lợi ích so với mất mát .
Rob

1
@Mark Olson: Tại sao lại cử một phi hành đoàn đến nơi bạn đã đỗ kính viễn vọng? (Vì bạn cũng phải gửi một hệ thống hỗ trợ cuộc sống với họ và trả tiền cho thời gian đi lại ...) Xây dựng một tàu kéo robot mang nó trở lại LEO, phục vụ nó ở đó và đưa nó trở lại. Bạn có thể sử dụng cùng một kéo cho các vệ tinh liên lạc & c.
jamesqf

9

Trả lời câu hỏi phụ của bạn về việc xây dựng trên mặt trăng: Điều này chịu chi phí và hạn chế phóng tương tự như phạm vi dựa trên không gian, cộng với việc bạn phải đối phó với việc hạ cánh và với độ võng hấp dẫn. Vì vậy, điều đầu tiên bạn cần là một cơ sở mặt trăng hoạt động có thể sản xuất tất cả các thành phần từ nguyên liệu thô địa phương. Khi đã có (cười lớn ở đây), bạn vẫn sẽ cần quang học thích ứng (cũng như phạm vi đa yếu tố như JWebb) để căn chỉnh và độ võng hấp dẫn, nhưng vì chúng là tĩnh, nên bạn không cần tần số cao phản ứng cần thiết trên Trái đất để xử lý quang sai khí quyển. Bạn sẽ muốn xây dựng trên "mặt tối" để ánh sáng Terran không làm hỏng mọi thứ.


3
Câu trả lời tốt. Ngoài ra, Mặt trăng bị bụi bẩn, điều này cũng làm tăng thêm chi phí, vì bạn cần làm sạch gương và hy vọng rằng bụi không làm hỏng các cơ chế mỏng manh.
Mark Olson

6
Vị trí được đề xuất phổ biến nhất là các miệng hố gần Nam Cực, trong bóng tối vĩnh viễn (từ Mặt trời & Trái đất), nhưng có các đỉnh gần đó trong ánh sáng gần vĩnh viễn, để lấy năng lượng. Tôi đã thấy những gợi ý rằng một kính viễn vọng mặt trăng sẽ chỉ có khả năng điều khiển rất hạn chế và về cơ bản được thiết kế để nhìn rất sâu thực sự trong một khu vực nhỏ gần cực Nam.
Steve Linton

5
"5 tấn hạt sao chổi tấn công bề mặt Mặt trăng mỗi 24 giờ ... đẩy bụi mặt trăng lên trên Mặt trăng." Không đề cập đến khả năng của một trong những người nổi bật với kính viễn vọng. Cho đến bây giờ vẫn còn trong lĩnh vực Khoa học viễn tưởng. vi.wikipedia.org/wiki/Moon#Dust
GlenPeterson

3
@GlenPeterson không có vấn đề gì: xây dựng một máy hút bụi lớn :-) :-)
Carl Witthoft

Đó là không thực tế, xem những gì sẽ xảy ra tại Paranal : "Mỗi đêm các gương khổng lồ được tiếp xúc với không khí ..." ... "Họ dần dần tích lũy bụi ... làm giảm hệ số phản xạ của họ, làm cho chúng kém hiệu quả ... Vì vậy họ thường xuyên lấy ra khỏi kính viễn vọng, đưa xuống núi đến cơ sở sơn phủ, làm sạch và cuối cùng được phủ lại bằng một lớp nhôm mới mỏng và có độ phản chiếu cao. Quá trình làm sạch gương mất tám ngày ... ". Như Glen chỉ ra, mặt trăng có rất nhiều bụi.
Rob

1

Trả lời kính thiên văn trên mặt trăng. Ở trên bề mặt của mặt trăng tạo ra các vấn đề so với việc trôi nổi tự do trong không gian cách xa bất kỳ hành tinh / mặt trăng nào. Trọng lực làm biến dạng gương / cơ học, đòi hỏi kỹ thuật bổ sung để hỗ trợ trọng lượng, một nửa bầu trời bị chặn bởi mặt trăng bất cứ lúc nào, phát xạ nhiệt từ mặt đất, thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ ngày đêm, bụi ...

Phía xa của mặt trăng sẽ là nơi tốt nhất để thực hiện các quan sát vô tuyến tần số thấp. Mặt trăng chặn tất cả khí thải từ trái đất.

Khi sử dụng trang web của chúng tôi, bạn xác nhận rằng bạn đã đọc và hiểu Chính sách cookieChính sách bảo mật của chúng tôi.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.