Telescópio de espelho líquido - Liquid-mirror telescope

Um telescópio de espelho líquido. Nesse projeto, os sensores ópticos são montados acima do espelho, em um módulo em seu foco, e o motor e os mancais que giram o espelho estão no mesmo módulo dos sensores. O espelho está suspenso abaixo.

Os telescópios de espelho líquido são telescópios com espelhos feitos com um líquido reflexivo. O líquido mais comum usado é o mercúrio , mas outros líquidos também funcionam (por exemplo, ligas de gálio com baixo ponto de fusão ). O líquido e seu recipiente são girados a uma velocidade constante em torno de um eixo vertical, o que faz com que a superfície do líquido assuma a forma parabolóide . Este refletor parabólico pode servir como o espelho primário de um telescópio refletor . O líquido em rotação assume a mesma forma de superfície, independentemente da forma do contêiner; para reduzir a quantidade de metal líquido necessária e, portanto, o peso, um espelho rotativo de mercúrio usa um recipiente que é o mais próximo possível da forma parabólica necessária. Os espelhos líquidos podem ser uma alternativa de baixo custo aos grandes telescópios convencionais . Comparado a um espelho de vidro sólido que deve ser fundido, esmerilado e polido, um espelho giratório de metal líquido é muito mais barato de fabricar.

Isaac Newton notou que a superfície livre de um líquido em rotação forma um parabolóide circular e pode, portanto, ser usado como um telescópio, mas ele não conseguiu construir um porque não tinha como estabilizar a velocidade de rotação. O conceito foi desenvolvido por Ernesto Capocci do Observatório de Nápoles (1850), mas foi somente em 1872 que Henry Skey de Dunedin , Nova Zelândia, construiu o primeiro telescópio de espelho líquido de laboratório em funcionamento.

Outra dificuldade é que um espelho de metal líquido só pode ser usado em telescópios zenitais , ou seja, que olham diretamente para cima , por isso não é adequado para investigações onde o telescópio deva permanecer apontando para o mesmo local do espaço inercial (uma possível exceção a este pode haver regra para um telescópio espacial de espelho líquido , onde o efeito da gravidade da Terra é substituído pela gravidade artificial , talvez girando o telescópio em uma corda muito longa ou impulsionando-o suavemente para frente com foguetes). Apenas um telescópio localizado no Pólo Norte ou Pólo Sul ofereceria uma visão relativamente estática do céu, embora o ponto de congelamento do mercúrio e a distância do local precisassem ser considerados. Um radiotelescópio muito grande já existe no Pólo Sul, mas o Pólo Norte está localizado no Oceano Ártico.

O espelho de mercúrio do Grande Telescópio Zenith no Canadá foi o maior espelho de metal líquido já construído. Ele tinha um diâmetro de 6 metros e girava a uma taxa de cerca de 8,5  rotações por minuto . Ele foi desativado em 2016. Este espelho foi um teste, construído por US $ 1 milhão, mas não era adequado para astronomia por causa do clima do local de teste. Em 2006, planos estavam sendo feitos para construir um telescópio de espelho líquido ALPACA maior de 8 metros para uso astronômico, e um projeto maior chamado LAMA com 66 telescópios individuais de 6,15 metros com um poder de coleta total igual a um telescópio de 55 metros, resolução de um osciloscópio de 70 metros.

Forma parabólica formada por uma superfície líquida em rotação. Dois líquidos de densidades diferentes preenchem um espaço estreito entre duas folhas de plástico transparente. A lacuna entre as folhas é fechada na parte inferior, nas laterais e na parte superior. Todo o conjunto está girando em torno de um eixo vertical que passa pelo centro.

Explicação do equilíbrio

A força da gravidade (vermelho), a força de empuxo (verde) e a força centrípeta resultante (azul)

Na discussão a seguir, representa a aceleração devido à gravidade , representa a velocidade angular de rotação do líquido, em radianos por segundo, é a massa de uma parcela infinitesimal de material líquido na superfície do líquido, é a distância da parcela de o eixo de rotação, e é a altura do pacote acima de um zero a ser definido no cálculo. ${\ displaystyle g}$${\ displaystyle \ omega}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle h}$

O diagrama de força (mostrado) representa um instantâneo das forças agindo sobre o pacote, em um quadro de referência não rotativo. A direção de cada seta mostra a direção de uma força, e o comprimento da seta mostra a força da força. A seta vermelha representa o peso do pacote, causado pela gravidade e direcionado verticalmente para baixo. A seta verde mostra a força de empuxo exercida na embalagem pela maior parte do líquido. Visto que, em equilíbrio, o líquido não pode exercer uma força paralela à sua superfície, a seta verde deve ser perpendicular à superfície. A seta azul curta mostra a força resultante no pacote. É a soma vetorial das forças de peso e flutuabilidade e atua horizontalmente em direção ao eixo de rotação. (Deve ser horizontal, pois o pacote não tem aceleração vertical.) É a força centrípeta que acelera constantemente o pacote em direção ao eixo, mantendo-o em movimento circular conforme o líquido gira.

A força de empuxo (seta verde) tem um componente vertical, que deve ser igual ao peso do pacote (seta vermelha), e o componente horizontal da força de empuxo deve ser igual à força centrípeta (seta azul). Portanto, a seta verde é inclinada da vertical por um ângulo cuja tangente é o quociente dessas forças. Como a seta verde é perpendicular à superfície do líquido, a inclinação da superfície deve ser o mesmo quociente das forças: ${\ displaystyle mg}$${\ displaystyle m \ omega ^ {2} r}$

${\ displaystyle {\ frac {dh} {dr}} = {\ frac {m \ omega ^ {2} r} {mg}}.}$

Cancelando em ambos os lados, integrando e definindo quando leva a ${\ displaystyle m}$${\ displaystyle h = 0}$${\ displaystyle r = 0}$

${\ displaystyle h = {\ frac {1} {2g}} \ omega ^ {2} r ^ {2}.}$

É da forma , onde é uma constante, mostrando que a superfície é, por definição, um parabolóide . ${\ displaystyle h = kr ^ {2}}$${\ displaystyle k}$

Velocidade de rotação e comprimento focal

A equação do parabolóide em termos de seu comprimento focal (ver Refletor parabólico # Teoria ) pode ser escrita como

${\ displaystyle 4fh = r ^ {2},}$

onde é a distância focal, e e são definidos como acima. ${\ displaystyle f}$${\ displaystyle h}$${\ displaystyle r}$

Dividindo esta equação pela última acima elimina e e leva a ${\ displaystyle h}$${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle 2f \ omega ^ {2} = g,}$

que relaciona a velocidade angular da rotação do líquido ao comprimento focal do parabolóide que é produzido pela rotação. Observe que nenhuma outra variável está envolvida. A densidade do líquido, por exemplo, não tem efeito sobre o comprimento focal do parabolóide. As unidades devem ser consistentes, por exemplo, podem estar em metros, em radianos por segundo e em metros por segundo ao quadrado. ${\ displaystyle f}$${\ displaystyle \ omega}$${\ displaystyle g}$

Se escrevermos para o valor numérico da distância focal em metros e para o valor numérico da velocidade de rotação em revoluções por minuto (RPM), então na superfície da Terra, onde é aproximadamente 9,81 metros por segundo ao quadrado, a última equação reduz à aproximação ${\ displaystyle F}$${\ displaystyle S}$${\ displaystyle g}$

${\ displaystyle FS ^ {2} \ aproximadamente 447.}$

Se a distância focal for em pés em vez de metros, esta aproximação torna-se

${\ displaystyle FS ^ {2} \ aproximadamente 1467.}$

A velocidade de rotação ainda está em RPM.

Telescópios de espelho líquido

Telescópios convencionais de espelho líquido baseados em terra

Eles são feitos de líquido armazenado em um recipiente cilíndrico feito de um material composto , como o Kevlar . O cilindro é girado até atingir algumas revoluções por minuto. O líquido forma gradualmente um parabolóide , a forma de um espelho telescópico convencional. A superfície do espelho é muito precisa e pequenas imperfeições no formato do cilindro não o afetam. A quantidade de mercúrio usada é pequena, menos de um milímetro de espessura.

Telescópios de espelho líquido baseados na lua

Líquidos iônicos de baixa temperatura (abaixo de 130  kelvins ) foram propostos como a base de fluido para um telescópio de espelho líquido giratório de diâmetro extremamente grande baseado na lua. A baixa temperatura é vantajosa na geração de imagens de luz infravermelha de ondas longas, que é a forma de luz (extremamente deslocada para o vermelho ) que chega das partes mais distantes do universo visível. Essa base líquida seria coberta por uma fina película metálica que forma a superfície reflexiva.

Telescópios de espelho líquido em anel baseados no espaço

O design do telescópio de espelho líquido Rice é semelhante aos telescópios de espelho líquido convencionais. Só funcionará no espaço; mas em órbita, a gravidade não distorcerá a forma do espelho em um parabolóide. O projeto apresenta um líquido armazenado em um recipiente em forma de anel de fundo plano com bordas internas elevadas. A área focal central seria retangular, mas um espelho retangular-parabólico secundário coletaria a luz para um ponto focal. Caso contrário, a ótica é semelhante a outros telescópios óticos. O poder de coleta de luz de um telescópio Rice é equivalente a aproximadamente a largura vezes o diâmetro do anel, menos alguma fração com base na óptica, projeto de superestrutura, etc.

Vantagens e desvantagens

A maior vantagem de um espelho líquido é seu pequeno custo, cerca de 1% de um espelho telescópico convencional. Isso reduz o custo de todo o telescópio em pelo menos 95%. O Grande Telescópio Zenith de 6 metros da Universidade de British Columbia custa cerca de um quinquagésimo mais do que um telescópio convencional com espelho de vidro. A maior desvantagem é que o espelho só pode ser apontado diretamente para cima. A pesquisa está em andamento para desenvolver telescópios que podem ser inclinados, mas atualmente se um espelho líquido fosse inclinado para fora do zênite , ele perderia sua forma. Portanto, a visão do espelho muda conforme a Terra gira e os objetos não podem ser rastreados fisicamente. Um objeto pode ser rapidamente rastreado eletronicamente enquanto está no campo de visão, deslocando elétrons através do CCD na mesma velocidade que a imagem se move; essa tática é chamada de atraso de tempo e integração ou varredura de deriva. Alguns tipos de pesquisa astronômica não são afetados por essas limitações, como pesquisas de céu de longo prazo e pesquisas de supernovas . Uma vez que se acredita que o universo é isotrópico e homogêneo (isso é chamado de princípio cosmológico ), a investigação de sua estrutura por cosmologistas também pode usar telescópios altamente reduzidos em sua direção de visão.

Uma vez que o mercúrio metálico e seu vapor são tóxicos para humanos e animais, permanece um problema para seu uso em qualquer telescópio onde possa afetar seus usuários e outras pessoas em sua área. No Grande Telescópio Zenith, o espelho de mercúrio e os operadores humanos estão alojados em salas ventiladas separadamente. Em sua localização nas montanhas canadenses, a temperatura ambiente é bastante baixa, o que reduz a taxa de evaporação do mercúrio. O metal menos tóxico gálio pode ser usado no lugar do mercúrio, mas tem a desvantagem do alto custo. Recentemente, pesquisadores canadenses propuseram a substituição de espelhos líquidos magneticamente deformáveis ​​compostos por uma suspensão de nanopartículas de ferro e prata em etilenoglicol . Além de baixa toxicidade e custo relativamente baixo, tal espelho teria a vantagem de ser fácil e rapidamente deformável usando variações de força do campo magnético .

Efeitos giroscópicos

Normalmente, o espelho de um telescópio de espelho líquido é girado em torno de dois eixos simultaneamente. Por exemplo, o espelho de um telescópio na superfície da Terra gira a uma velocidade de algumas revoluções por minuto em torno de um eixo vertical para manter sua forma parabólica, e também a uma velocidade de uma revolução por dia em torno do eixo da Terra por causa de a rotação da Terra. Normalmente (exceto se o telescópio estiver localizado em um dos pólos da Terra), as duas rotações interagem de modo que, em um quadro de referência que é estacionário em relação à superfície local da Terra, o espelho experimenta um torque em torno de um eixo que é perpendicular a ambos os eixos de rotação, ou seja, um eixo horizontal alinhado leste-oeste. Como o espelho é líquido, ele responde a esse torque mudando a direção de sua mira. O ponto no céu para o qual o espelho está direcionado não está exatamente acima, mas está ligeiramente deslocado para o norte ou para o sul. A quantidade de deslocamento depende da latitude, das velocidades de rotação e dos parâmetros do projeto do telescópio. Na Terra, o deslocamento é pequeno, normalmente alguns segundos de arco , o que pode, no entanto, ser significativo em observações astronômicas. Se o telescópio estivesse no espaço, girando para produzir gravidade artificial, o deslocamento poderia ser muito maior, possivelmente muitos graus. Isso acrescentaria complexidade à operação do telescópio.

Lista de telescópios de espelho líquido

Vários protótipos existem historicamente. Após um ressurgimento do interesse pela tecnologia na década de 1980, vários projetos foram concretizados.

• UBC / Laval LMT, 2,65 m, 1992
• NASA-LMT, 3 m, 1995-2002
• LZT , 6 m, 2003–? (desde que foi desativado em 2019)
• ILMT, 4 m, teste de 2011

Veja também

• Lista de peças e construção do telescópio
• Lista de tipos de telescópio
• Vidro de mercúrio , produtos de vidro decorativo prateado internamente, nomeados por sua semelhança com o mercúrio
• Prateação de mercúrio , uma técnica para aplicar uma fina camada de um metal precioso a um objeto de metal base
• Forno rotativo , usado para fazer grandes espelhos de vidro
• Telescópio espacial de espelho líquido
• Fogão solar
• Reflexão especular

Notas

Referências

links externos

• Telescópio Zenith Grande Um telescópio de espelho de mercúrio com 6 metros de diâmetro.