Telescopio de espejo líquido

Un telescopio de espejo líquido. En este diseño, los sensores ópticos están montados encima del espejo, en un módulo en su foco, y el motor y los cojinetes que hacen girar el espejo están en el mismo módulo que los sensores. El espejo está suspendido debajo.

Los telescopios de espejo líquido son telescopios con espejos fabricados con un líquido reflectante. El líquido más común utilizado es el mercurio , pero otros líquidos también funcionarán (por ejemplo, aleaciones de galio de bajo punto de fusión ). El líquido y su recipiente giran a una velocidad constante alrededor de un eje vertical, lo que hace que la superficie del líquido adopte una forma parabólica . Este reflector parabólico puede servir como espejo primario de un telescopio reflector . El líquido en rotación asume la misma forma superficial independientemente de la forma del recipiente; Para reducir la cantidad de metal líquido necesaria y, por tanto, el peso, un espejo de mercurio giratorio utiliza un recipiente que se acerca lo más posible a la forma parabólica necesaria. Los espejos líquidos pueden ser una alternativa económica a los grandes telescopios convencionales . En comparación con un espejo de vidrio sólido que debe fundirse, esmerilarse y pulirse, un espejo giratorio de metal líquido es mucho menos costoso de fabricar.

Isaac Newton observó que la superficie libre de un líquido en rotación forma un paraboloide circular y, por lo tanto, puede usarse como telescopio, pero en realidad no pudo construir uno porque no tenía forma de estabilizar la velocidad de rotación. ^[1] El concepto fue desarrollado aún más por Ernesto Capocci (1798 – 1864) del Observatorio de Nápoles (1850), ^{[2] [3]} pero no fue hasta 1872 que Henry Skey de Dunedin , Nueva Zelanda, construyó el primer líquido de laboratorio en funcionamiento. -telescopio de espejo.

Otra dificultad es que un espejo de metal líquido sólo puede usarse en telescopios cenital , es decir, que miran hacia arriba , por lo que no es adecuado para investigaciones en las que el telescopio debe permanecer apuntando al mismo lugar del espacio inercial (una posible excepción a esto). Puede existir una regla para un telescopio espacial de espejo líquido , donde el efecto de la gravedad de la Tierra es reemplazado por gravedad artificial , tal vez impulsándola suavemente hacia adelante con cohetes). Sólo un telescopio situado en el Polo Norte o en el Polo Sur ofrecería una vista relativamente estática del cielo, aunque habría que tener en cuenta el punto de congelación del mercurio y la lejanía del lugar. En el Polo Sur ya existe un radiotelescopio muy grande , pero no ocurre lo mismo con el Polo Norte, que se encuentra en el Océano Ártico.

El espejo de mercurio del Gran Telescopio Zenith de Canadá fue el espejo de metal líquido más grande jamás construido. Tenía un diámetro de 6 metros y giraba a una velocidad de aproximadamente 8,5  revoluciones por minuto . Fue dado de baja en 2016. ^[4] Este espejo fue una prueba, construido por 1 millón de dólares, pero no era adecuado para la astronomía debido al clima del sitio de prueba. En 2006, ^[5] se estaban haciendo planes para construir un telescopio de espejo líquido ALPACA de 8 metros más grande para uso astronómico, ^[6] y un proyecto más grande llamado LAMA con 66 telescopios individuales de 6,15 metros con una potencia de recolección total igual a un telescopio de 55 metros, poder de resolución de un telescopio de 70 metros. ^{[7] [8]}

Forma parabólica formada por una superficie líquida en rotación. Dos líquidos de diferentes densidades llenan un espacio estrecho entre dos láminas de plástico transparente. El espacio entre las hojas se cierra en la parte inferior, los lados y la parte superior. Todo el conjunto gira alrededor de un eje vertical que pasa por el centro.

Explicación del equilibrio

La fuerza de gravedad (rojo), la fuerza de flotabilidad (verde) y la fuerza centrípeta resultante (azul)

En la siguiente discusión, representa la aceleración debida a la gravedad , representa la velocidad angular de rotación del líquido, en radianes por segundo, es la masa de una porción infinitesimal de material líquido en la superficie del líquido, es la distancia de la porción desde el eje de rotación, y es la altura de la parcela por encima de un cero que se definirá en el cálculo. ${\displaystyle g}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle h}$

El diagrama de fuerzas (que se muestra) representa una instantánea de las fuerzas que actúan sobre el paquete, en un marco de referencia no giratorio. La dirección de cada flecha muestra la dirección de una fuerza y ​​la longitud de la flecha muestra la fuerza de la fuerza. La flecha roja representa el peso del paquete, causado por la gravedad y dirigido verticalmente hacia abajo. La flecha verde muestra la fuerza de flotación ejercida sobre el paquete por la mayor parte del líquido. Como, en equilibrio, el líquido no puede ejercer una fuerza paralela a su superficie, la flecha verde debe ser perpendicular a la superficie. La flecha azul corta muestra la fuerza neta sobre el paquete. Es la suma vectorial de las fuerzas de peso y flotabilidad, y actúa horizontalmente hacia el eje de rotación. (Debe ser horizontal, ya que el paquete no tiene aceleración vertical). Es la fuerza centrípeta la que acelera constantemente el paquete hacia el eje, manteniéndolo en movimiento circular mientras el líquido gira.

La fuerza de flotabilidad (flecha verde) tiene una componente vertical, que debe ser igual al peso del paquete (flecha roja), y la componente horizontal de la fuerza de flotabilidad debe ser igual a la fuerza centrípeta (flecha azul). Por lo tanto, la flecha verde está inclinada respecto de la vertical en un ángulo cuya tangente es el cociente de estas fuerzas. Como la flecha verde es perpendicular a la superficie del líquido, la pendiente de la superficie debe ser el mismo cociente de las fuerzas: ${\displaystyle mg}$ ${\displaystyle m\omega ^{2}r}$

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

Cancelar el en ambos lados, integrar y establecer cuándo conduce a ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle h=0}$ ${\displaystyle r=0}$

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

Tiene la forma , donde es una constante, lo que demuestra que la superficie es, por definición, un paraboloide . ${\displaystyle h=kr^{2}}$ ${\displaystyle k}$

Velocidad de rotación y distancia focal.

La ecuación del paraboloide en términos de su distancia focal (ver Reflector parabólico#Teoría ) se puede escribir como

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

¿Dónde está la distancia focal y y se definen como arriba? ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle r}$

Al dividir esta ecuación por la última de arriba, se elimina y conduce a ${\displaystyle h}$ ${\displaystyle r}$

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

que relaciona la velocidad angular de la rotación del líquido con la distancia focal del paraboloide que se produce por la rotación. Tenga en cuenta que no intervienen otras variables. Por ejemplo, la densidad del líquido no influye en la distancia focal del paraboloide. Las unidades deben ser consistentes, por ejemplo, pueden estar en metros, en radianes por segundo y en metros por segundo al cuadrado. ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \omega }$ ${\displaystyle g}$

Si escribimos el valor numérico de la distancia focal en metros y el valor numérico de la velocidad de rotación en revoluciones por minuto (RPM), ^[9] entonces en la superficie de la Tierra, donde es aproximadamente 9,81 metros por segundo al cuadrado, la última ecuación se reduce a la aproximación ${\displaystyle F}$ ${\displaystyle S}$ ${\displaystyle g}$

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

Si la distancia focal está en pies en lugar de metros, esta aproximación se convierte en

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

La velocidad de rotación todavía está en RPM.

Telescopios de espejo líquido

Telescopios terrestres convencionales de espejo líquido

Están fabricados a partir de líquido almacenado en un recipiente cilíndrico fabricado con un material compuesto , como el Kevlar . El cilindro se hace girar hasta alcanzar unas pocas revoluciones por minuto. El líquido forma gradualmente un paraboloide , la forma de un espejo telescópico convencional. La superficie del espejo es muy precisa y las pequeñas imperfecciones en la forma del cilindro no la afectan. La cantidad de mercurio utilizada es pequeña, de menos de un milímetro de espesor.

Telescopios de espejo líquido basados ​​en la Luna

Se han propuesto líquidos iónicos de baja temperatura (por debajo de 130  Kelvin ) ^[10] como base fluida para un telescopio giratorio de espejo líquido de diámetro extremadamente grande que se basará en la Luna. Las bajas temperaturas son ventajosas para obtener imágenes de luz infrarroja de onda larga, que es la forma de luz (extremadamente desplazada al rojo ) que llega desde las partes más distantes del universo visible. Dicha base líquida estaría cubierta por una fina película metálica que forma la superficie reflectante.

Telescopios espaciales de espejo líquido en forma de anillo

El diseño del telescopio de espejo líquido de Rice es similar a los telescopios de espejo líquido convencionales. Sólo funcionará en el espacio; pero en órbita, la gravedad no distorsionará la forma del espejo hasta convertirlo en un paraboloide. El diseño presenta un líquido almacenado en un recipiente con forma de anillo de fondo plano y bordes interiores elevados. El área focal central sería rectangular, pero un espejo parabólico rectangular secundario recogería la luz en un punto focal. Por lo demás, la óptica es similar a la de otros telescopios ópticos. El poder de captación de luz de un telescopio Rice es equivalente aproximadamente al ancho multiplicado por el diámetro del anillo, menos alguna fracción basada en la óptica, el diseño de la superestructura, etc.

Ventajas y desventajas

La mayor ventaja de un espejo líquido es su reducido coste, alrededor del 1% del de un espejo telescópico convencional. Esto reduce el coste de todo el telescopio al menos en un 95%. El Gran Telescopio Zenith de 6 metros de la Universidad de Columbia Británica cuesta aproximadamente una quincuagésima parte de lo que cuesta un telescopio convencional con espejo de cristal. ^[11] La mayor desventaja es que el espejo sólo puede apuntar hacia arriba. Se están realizando investigaciones para desarrollar telescopios que puedan inclinarse, pero actualmente, si un espejo líquido se inclinara fuera del cenit , perdería su forma. Por lo tanto, la vista del espejo cambia a medida que la Tierra gira y los objetos no se pueden rastrear físicamente. Un objeto puede ser rastreado electrónicamente brevemente mientras está en el campo de visión desplazando electrones a través del CCD a la misma velocidad que se mueve la imagen; Esta táctica se llama retardo de tiempo e integración o escaneo de deriva. ^[12] Algunos tipos de investigación astronómica no se ven afectados por estas limitaciones, como los estudios del cielo a largo plazo y las búsquedas de supernovas . Dado que se cree que el universo es isotrópico y homogéneo (esto se llama principio cosmológico ), los cosmólogos pueden investigar su estructura también con telescopios muy reducidos en su dirección de visión.

Dado que el mercurio metálico y su vapor son tóxicos para los humanos y los animales, sigue existiendo un problema para su uso en cualquier telescopio, ya que puede afectar a sus usuarios y a otras personas en su área. En el Gran Telescopio Zenith, el espejo de mercurio y los operadores humanos están alojados en habitaciones con ventilación separada. En su ubicación en las montañas canadienses, la temperatura ambiente es bastante baja, lo que reduce la tasa de evaporación del mercurio. Se puede utilizar galio, un metal menos tóxico, en lugar de mercurio, pero tiene la desventaja de su alto costo. Recientemente, investigadores canadienses han propuesto la sustitución de espejos líquidos magnéticamente deformables compuestos por una suspensión de nanopartículas de hierro y plata en etilenglicol . Además de su baja toxicidad y su coste relativamente bajo, dicho espejo tendría la ventaja de ser fácil y rápidamente deformable utilizando variaciones de la intensidad del campo magnético . ^{[13] [14]}

efectos giroscópicos

Normalmente, el espejo de un telescopio de espejo líquido gira alrededor de dos ejes simultáneamente. Por ejemplo, el espejo de un telescopio en la superficie de la Tierra gira a una velocidad de unas pocas revoluciones por minuto alrededor de un eje vertical para mantener su forma parabólica, y también a una velocidad de una revolución por día alrededor del eje de la Tierra debido a la rotación de la Tierra. Generalmente (excepto si el telescopio está ubicado en uno de los polos de la Tierra), las dos rotaciones interactúan de modo que, en un marco de referencia estacionario con respecto a la superficie local de la Tierra, el espejo experimenta un torque alrededor de un eje que es perpendicular a ambos ejes de rotación, es decir, un eje horizontal alineado de este a oeste. Como el espejo es líquido, responde a este par cambiando la dirección de su objetivo. El punto del cielo al que apunta el espejo no está exactamente encima, sino que está ligeramente desplazado hacia el norte o el sur. La magnitud del desplazamiento depende de la latitud, las velocidades de rotación y los parámetros del diseño del telescopio. En la Tierra, el desplazamiento es pequeño, normalmente de unos pocos segundos de arco , lo que, sin embargo, puede ser significativo en las observaciones astronómicas. Si el telescopio estuviera en el espacio, girando para producir gravedad artificial, el desplazamiento podría ser mucho mayor, posiblemente de muchos grados. Esto añadiría complejidad al funcionamiento del telescopio.

Lista de telescopios de espejo líquido

Históricamente existen varios prototipos. Tras un resurgimiento del interés por esta tecnología en la década de 1980, varios proyectos se concretaron.

• Teleférico UBC/Laval, 2,65 m, 1992
• NASA-LMT , 3 m, 1995-2002
• LZT , 6m, 2003–2016
• ILMT , 4 m, prueba de 2011, inaugurado en 2022 ^[15]

Ver también

• Lista de piezas y construcción del telescopio.
• Lista de tipos de telescopios
• Vidrio de mercurio , productos de vidrio decorativo con interior plateado llamados así por su parecido con el mercurio.
• Plateado con mercurio , una técnica para aplicar una fina capa de un metal precioso a un objeto de metal base
• Horno giratorio , utilizado para fabricar grandes espejos de cristal.
• Telescopio espacial de espejo líquido
• cocina solar
• Reflexión especular

Notas

1. "¿Qué es un LMT?".
2. Capucci (1850). "M. Quetelet encendió extraits suivants d'une lettre de M. Capocci, astrónomo de Nápoles" [Sr. Quetelet lee los siguientes extractos de una carta del señor Capocci, astrónomo de Nápoles]. Bulletins de l'Académie Royale des Sciences, des Lettres et des Beaux-arts de Belgique (en francés). 17, punto. 2: 299–302. De la pág. 300: "Il agit d'obtenir, à peu de frais, de grands mirroirs parfaits, même paraboliques. […] de manière à rassembler parfaitement les rayons réfléchis en un point,..." (Se trata de obtener, a bajo coste , grandes espejos perfectos, incluso parabólicos. Pienso que si a un bote circular [que estaba] lleno de mercurio se le diera un movimiento de rotación adecuado, y [si] este movimiento estuviera bien ejecutado y uniforme, terminaría por hacer que la superficie del líquido esté dispuesta de manera que recoja perfectamente los rayos reflejados en un punto,…)
3. Durante el invierno de 1850, el astrónomo holandés Friedrich Wilhelm Christian Krecke (1812-1882) realizó el experimento propuesto por Capocci: suspendió un cuenco de mercurio de una cuerda retorcida; A medida que el cordón se desenrollaba, el mercurio adoptaba la forma de un paraboloide. El espejo producía impresionantes reflejos de una lámpara de araña de gas. Ver: Krecke (1851). "M. Quetelet fait part d'une lettre qu'il a reçu de M. Krecke, ..." [Sr. Quetelet publicó parte de una carta que recibió del señor Krecke,…]. Bulletins de l'Académie Royale des Sciences, des Lettres et des Beaux-arts de Belgique (en francés). 18, punto. 1: 363–365.
4. Notas a pie de página de física: telescopios de espejo líquido.
5. Crotts, Arlin P.; Consorcio ALPACA (1 de diciembre de 2006). "ALPACA: un telescopio de reconocimiento de imágenes económico pero excepcionalmente potente". Resúmenes de reuniones de la Sociedad Astronómica Estadounidense . 209 : 99,05. Código Bib : 2006AAS...209.9905C.
6. Descripción general de ALPACA.
7. Hickson, Pablo; Lanzetta, Kenneth M. (2004). "Matriz de espejos de gran apertura (LAMA): descripción general del proyecto". En Ardeberg, Arne L; Andersen, Torben (eds.). Segundo taller de Backaskog sobre telescopios extremadamente grandes. vol. 5382, págs. 115-126. doi :10.1117/12.566118. hdl :2429/37487. S2CID  43104264.
8. Observatorio de espejos líquidos de la Universidad de Columbia Británica: perfeccionamiento de la próxima generación de supertelescopios.
9. Por tanto, F y S son números adimensionales. 30 RPM = radianes por segundo. ${\displaystyle \pi }$
10. Borra, Ermanno F.; et al. (21 de junio de 2007). "Deposición de películas metálicas sobre un líquido iónico como base para un telescopio lunar". Naturaleza . 447 (7147): 979–981. Código Bib :2007Natur.447..979B. doi : 10.1038/naturaleza05909. PMID  17581579. S2CID  1977373.
11. "Telescopio de espejo líquido preparado para dar un nuevo giro a la observación de las estrellas". Govert Schilling. 2003-03-14. Archivado desde el original el 18 de agosto de 2003 . Consultado el 11 de octubre de 2008 .
12. Rabinowitz, David. "Escaneo de deriva (integración de retardo de tiempo" (PDF) . Centro de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Yale . Caltech. Archivado desde el original (PDF) el 27 de abril de 2015. Consultado el 27 de abril de 2015 .
13. Sociedad Química Estadounidense (2008, 12 de noviembre) (12 de noviembre de 2008). "El avance de ' Liquid Mirror' puede conducir a mejores exámenes oculares y telescopios mejorados" . Noticias de ciencia . Diario de la ciencia (en línea). Archivado desde el original el 27 de abril de 2015 . Consultado el 24 de noviembre de 2009 .{{cite news}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)
14. Déry, JP; Borrá, EF; Ritcey, AM (2008). "Ferrofluido a base de etilenglicol para la fabricación de espejos líquidos magnéticamente deformables". Química de Materiales . 20 (20): 6420. doi : 10.1021/cm801075u .
15. "Se abre un telescopio de espejo líquido en la India". Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia (AAAS). 10 de junio de 2022. doi :10.1126/science.add4293. {{cite journal}}: Citar diario requiere |journal=( ayuda )

Referencias

• The Economist – Espejito, Espejito
• El Proyecto Internacional del Telescopio de Espejo Líquido de 4m
• El gran telescopio Zenith
• Espejo líquido de galio
• Gibson, BK (1991). "Telescopios de espejo líquido: historia" (PDF) . Revista de la Real Sociedad Astronómica de Canadá . 85 (4): 158-171. Código Bib : 1991JRASC..85..158G.
• Hickson, Paul (mayo-junio de 2007). "Una vieja idea de imágenes astronómicas está experimentando un renacimiento impulsado por la tecnología" (PDF) . Científico americano . Consultado el 23 de abril de 2007 .

enlaces externos

• Gran Telescopio Zenith Un telescopio de espejo de mercurio de 6 metros de diámetro.