Los telescopios de espejo líquido son telescopios con espejos hechos con un líquido reflectante. El líquido que se utiliza con más frecuencia es el mercurio , pero también funcionan otros líquidos (por ejemplo, aleaciones de galio de bajo punto de fusión ). El líquido y su recipiente se hacen girar a una velocidad constante alrededor de un eje vertical, lo que hace que la superficie del líquido adopte una forma paraboloidal . Este reflector parabólico puede servir como espejo principal de un telescopio reflector.. El líquido giratorio asume la misma forma de superficie independientemente de la forma del recipiente; Para reducir la cantidad de metal líquido necesario y, por lo tanto, el peso, un espejo de mercurio giratorio utiliza un recipiente que está lo más cerca posible de 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 notó 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 por Ernesto Capocci del Observatorio de Nápoles (1850), pero no fue hasta 1872 que Henry Skey de Dunedin , Nueva Zelanda construyó el primer telescopio de laboratorio de espejo líquido en funcionamiento.
Otra dificultad es que un espejo de metal líquido solo se puede usar en telescopios cenitales , es decir, que miran hacia arriba , por lo que no es adecuado para investigaciones en las que el telescopio debe permanecer apuntando a la misma ubicación 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 la gravedad artificial , tal vez girando el telescopio con una correa muy larga, o impulsándolo suavemente hacia adelante con cohetes). Solo un telescopio ubicado en el Polo Norte o el Polo Sur ofrecería una vista relativamente estática del cielo, aunque sería necesario considerar el punto de congelación del mercurio y la lejanía de la ubicación. Una muy grande radiotelescopio ya existe en el Polo Sur, pero el Polo Norte está situado en el Océano Ártico.
El espejo de mercurio del Gran Telescopio Zenith en 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. [2] Este espejo fue una prueba, construido por $ 1 millón, pero no era adecuado para la astronomía debido al clima del sitio de prueba. A partir de 2006, [3] se estaban haciendo planes para construir un telescopio de espejo líquido ALPACA de 8 metros más grande para uso astronómico, [4] y un proyecto más grande llamado LAMA con 66 telescopios individuales de 6.15 metros con un poder colector total igual a un telescopio de 55 metros, poder de resolución de un alcance de 70 metros. [5] [6]
Explicación del equilibrio
En la siguiente discusión, representa la aceleración debida a la gravedad , representa la velocidad angular de la rotación del líquido, en radianes por segundo, es la masa de una parcela infinitesimal de material líquido en la superficie del líquido, es la distancia de la parcela desde el eje de rotación, y es la altura de la parcela por encima de un cero que se definirá en el cálculo.
El diagrama de fuerzas (mostrado) representa una instantánea de las fuerzas que actúan sobre la parcela, 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. Dado que, 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 la parcela no tiene aceleración vertical). Es la fuerza centrípeta la que acelera constantemente la parcela hacia el eje, manteniéndola en movimiento circular mientras el líquido gira.
La fuerza de flotabilidad (flecha verde) tiene un componente vertical, que debe ser igual al peso de la parcela (flecha roja), y el componente horizontal de la fuerza de flotabilidad debe ser igual a la fuerza centrípeta (flecha azul). Por tanto, la flecha verde se inclina desde la vertical en un ángulo cuya tangente es el cociente de estas fuerzas. Dado que la flecha verde es perpendicular a la superficie del líquido, la pendiente de la superficie debe ser el mismo cociente de las fuerzas:
Cancelar el en ambos lados, integrando y configurando Cuándo lleva a
Esta es de la forma , dónde es una constante, que muestra que la superficie es, por definición, un paraboloide .
Velocidad de rotación y distancia focal
La ecuación del paraboloide en términos de su distancia focal (ver Reflector parabólico # Teoría ) se puede escribir como
dónde es la distancia focal, y y se definen como arriba.
Dividir esta ecuación por la última de arriba elimina y y conduce a
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. La densidad del líquido, por ejemplo, no tiene ningún efecto sobre la distancia focal del paraboloide. Las unidades deben ser consistentes, p. Ej. puede estar en metros, en radianes por segundo, y en metros por segundo cuadrado.
Si escribimos para el valor numérico de la distancia focal en metros, y para el valor numérico de la velocidad de rotación en revoluciones por minuto (RPM), [7] luego en la superficie de la Tierra, donde es de aproximadamente 9,81 metros por segundo al cuadrado, la última ecuación se reduce a la aproximación
Si la distancia focal está en pies en lugar de metros, esta aproximación se convierte en
La velocidad de rotación todavía está en RPM.
Telescopios de espejo líquido
Telescopios convencionales de espejo líquido terrestres
Estos están hechos de líquido almacenado en un recipiente cilíndrico hecho de un material compuesto , como Kevlar . Se hace girar el cilindro hasta que alcanza algunas 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 lo 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 a baja temperatura (por debajo de 130 kelvin ) [8] como base fluida para un telescopio de espejo líquido giratorio 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. Tal base líquida estaría cubierta por una fina película metálica que forma la superficie reflectante.
Telescopios de espejo líquido de anillo basados en el espacio
El diseño del telescopio de espejo líquido Rice es similar a los telescopios de espejo líquido convencionales. Solo funcionará en el espacio; pero en órbita, la gravedad no distorsionará la forma del espejo en un paraboloide. El diseño presenta un líquido almacenado en un recipiente en forma de anillo de fondo plano con bordes interiores elevados. El área focal central sería rectangular, pero un espejo parabólico rectangular secundario reuniría 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 equivale aproximadamente al ancho 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 bajo costo, alrededor del 1% de un espejo de telescopio convencional. Esto reduce el costo de todo el telescopio al menos en un 95%. El Gran Telescopio Zenith de 6 metros de la Universidad de Columbia Británica costó alrededor de una quincuagésima parte de lo que costaba un telescopio convencional con un espejo de vidrio. [9] La mayor desventaja es que el espejo solo puede apuntar hacia arriba. Se están realizando investigaciones para desarrollar telescopios que se puedan inclinar, 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 se encuentra en el campo de visión desplazando electrones a través del CCD a la misma velocidad a la que se mueve la imagen; esta táctica se llama tiempo de demora e integración o escaneo de deriva. [10] 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 el principio cosmológico ), la investigación de su estructura por parte de los cosmólogos también puede utilizar telescopios muy reducidos en su dirección de visión.
Dado que el mercurio metálico y su vapor son tóxicos para los seres humanos y los animales, sigue existiendo un problema para su uso en cualquier telescopio donde pueda 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 ventiladas por separado. En su ubicación en las montañas canadienses, la temperatura ambiente es bastante baja, lo que reduce la tasa de evaporación del mercurio. El galio, un metal menos tóxico, se puede utilizar en lugar de mercurio, pero tiene la desventaja de su alto costo. Recientemente, investigadores canadienses han propuesto la sustitución de espejos líquidos deformables magnéticamente compuestos por una suspensión de nanopartículas de hierro y plata en etilenglicol . Además de la baja toxicidad y el costo relativamente bajo, tal espejo tendría la ventaja de ser fácil y rápidamente deformable usando variaciones de la intensidad del campo magnético . [11] [12]
Efectos giroscópicos
Por lo general, el espejo de un telescopio de espejo líquido se gira alrededor de dos ejes simultáneamente. Por ejemplo, el espejo de un telescopio en la superficie de la Tierra gira a una velocidad de algunas 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. Por lo general (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 que está estacionario en relación con la superficie local de la Tierra, el espejo experimenta un par alrededor de un eje que es perpendicular a ambos ejes de rotación, es decir, un eje horizontal alineado de este a oeste. Dado que el espejo es líquido, responde a este par cambiando su dirección de objetivo. El punto del cielo al que apunta el espejo no está exactamente arriba, sino que se desplaza ligeramente hacia el norte o el sur. La cantidad de desplazamiento depende de la latitud, las velocidades de rotación y los parámetros del diseño del telescopio. En la Tierra, el desplazamiento es pequeño, típicamente 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 muchos grados. Esto agregaría complejidad al funcionamiento del telescopio.
Lista de telescopios de espejo líquido
Históricamente existen varios prototipos. Tras un resurgimiento del interés por la tecnología en la década de 1980, se concretaron varios proyectos.
- UBC / Laval LMT, 2,65 m, 1992
- NASA-LMT, 3 m, 1995-2002
- LZT , 6 m, 2003–? (desde fuera de servicio a partir de 2019)
- ILMT, 4 m, prueba de 2011
Ver también
- Lista de piezas y construcción del telescopio
- Lista de tipos de telescopios
- Vidrio de mercurio , productos decorativos de vidrio plateado internamente llamados así por su parecido con el mercurio
- Plateado con mercurio , una técnica para aplicar una capa delgada de un metal precioso a un objeto de metal base
- Horno giratorio , utilizado para hacer grandes espejos de vidrio.
- Telescopio espacial de espejo líquido
- Cocina solar
- Reflexión especular
Notas
- ^ http://www.astro.ubc.ca/lmt/lm/
- ^ Notas al pie de la física: Telescopios de espejo líquido .
- ^ Crotts, Arlin P .; Consorcio ALPACA (2006-12-01). "ALPACA: un telescopio de estudio de imágenes económico pero excepcionalmente potente" . 209 : 99,05. Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Descripción general de ALPACA .
- ^ Hickson, Paul; 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 . 5382 . págs. 115-126. doi : 10.1117 / 12.566118 .
- ^ El Observatorio Liquid-Mirror de la Universidad de Columbia Británica: perfeccionamiento de la próxima generación de súper telescopios .
- ^ Por tanto, F y S son números adimensionales. 30 RPM = radianes por segundo.
- ^ 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 Bibliográfico : 2007Natur.447..979B . doi : 10.1038 / nature05909 . PMID 17581579 .
- ^ "Telescopio de espejo líquido 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 .
- ^ Rabinowitz, David. "Drift Scanning (Time-Delay Integration" (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 .
- ^ American Chemical Society (2008, 12 de noviembre) (12 de noviembre de 2008). " El avance de ' Liquid Mirror' puede conducir a mejores exámenes de la vista, telescopios mejorados" . Noticias de ciencia . Science Daily (en línea). Archivado desde el original el 27 de abril de 2015 . Consultado el 24 de noviembre de 2009 .
- ^ Déry, JP; Borra, EF; Ritcey, AM (2008). "Ferrofluido a base de etilenglicol para la fabricación de espejos líquidos deformables magnéticamente". Química de Materiales . 20 (20): 6420. doi : 10.1021 / cm801075u .
Referencias
- The Economist - Espejo, espejo
- 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 Bibliográfico : 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 estadounidense . Consultado el 23 de abril de 2007 .
enlaces externos
- Gran telescopio Zenith Un telescopio de espejo de mercurio de 6 metros de diámetro.