Atklājumi.lv

Vai kosmisko teleskopu spoguļus nākotnē veidos sīkas, optiski saistītas daļiņas?

Ar optiskajiem teleskopiem iegūto attēlu izšķirtspēju nosaka vairāki fizikāli faktori, taču viens no būtiskākajiem ir spoguļa izmērs - jo tas lielāks, jo labāku attēlu varam iegūt. Cits, svarīgs attēlu kvalitāti un uztveramo starojuma spektru ietekmējošs faktors ir atmosfēras traucējumi. Lai no tiem izvairītos, astronomi ir uzbūvējuši un palaiduši orbītā vairākus kosmiskos teleskopus. Diemžēl, to spoguļa izmēri ir atkarīgi no pieļaujamā ierīces svara, bet tas - no pieejamajā finansējuma. Pazīstamā Habla kosmiskā teleskopa spoguļa diametrs, piemēram, ir 2,4m un tā izmaksas, ieskaitot daudzos modulī uzstādītos instrumentus, to piegādi, remontus un apkopi, šobrīd sasniegušas jau vairāk nekā 9 miljardus dolāru. Salīdzinoši, šobrīd lielākais, uz Zemes stacionētā teleskopā uzstādītais spogulis ir Lapalmas observatorijas Lielajam Kanāriju teleskopam (Gran Telescopio Canarias - GTC). No 36 astoņstūru elementiem sastāvošā GTC galvenā spoguļa diametrs ir 10,4m.

Ņemot vērā, ka tuvākajā nākotnē finansējuma pieaugums orbitālās astronomijas programmām nav paredzams, zinātnieki meklē risinājumus, kā palielināt kosmisko teleskopu spoguļus, nepalielinot to svaru. Viens no risinājumiem varētu būt optiski, - ar lāzera palīdzību -, saistīta struktūra, kurā spoguli veidotu miljoniem sīku elementu. Par šādas tehnoloģijas iespējamību liecina š.g. 13.janvārī izdevumā "Physical Review Letters" publicētā amerikāņu zinātnieku pētījuma rezultāti.

Optiska manipulācija ar mikroskopiskām daļiņām, kuras sakārto un notur vajadzīgajā vietā lāzera gaisma vēl nesen šķita saistīta tikai ar zinātniskās fantastikas jomu. Tad, 2010.g., Ņujorkas universitātē tika veikti pirmie eksperimenti, kuros izdevās panākt nelielu matērijas daļiņu pārvietošanu ar gaismas spiediena palīdzību. 2012.g. to izdarīja arī čehu un skotu fiziķu komanda (sk.: "'Traktora stars', izmantojot lāzeru, pievelk matēriju.", atklajumi.lv, 31.01.2013.) Tagad pētniekiem no "BAE Systems" (Barlingtona, Masačūsetas štats) sekmējies jau kas vairāk - viņi, strādājot Tomaša M. Gržegorčika vadībā, izveidojuši optiski noturētu, no 150 sfēriskām, 3 mikrometrus lielām daļiņām sastāvošu, pašsakārtojošos struktūru, kas spēj darboties kā spogulis.

Ideju par plānu, 10 līdz pat 100 m diametrā lielu kosmiskā teleskopa spoguli, ko vietā noturētu divu lāzeru radīts stāvvilnis, 1979. gadā izvirzīja astronoms Antoine Labeyrie. Spoguļa darbībai (attēlatveidei) nepieciešamo izliekumu, uzskatīja Labeyrie, varēs izveidot, izmantojot gaismas dabīgās īpašības. Šādai sistēmai ir divas galvenās priekšrocības - svars un izmēri. Liels, bet tikai dažus mikrometrus biezs spogulis svērtu mazāk nekā 1kg (sal. - Dž.Veba kosmiskais teleskops ar 6,5m platu spoguli, ko plānots palaist orbītā 2018.g. svērs gandrīz 700kg) un tas, atkarībā no uzbūves, neaizņemtu daudz vietas kravas raķetes transporta daļā. Tehniskā risinājuma izstrādi, kā šādu kosmosā darboties spējīgu, supervieglu teleskopu uzbūvēt, Labeyrie atstāja nākamajām zinātnieku paaudzēm. Vai tas izdosies Gržegorčika vadītajai amerikāņu pētnieku komandai to rādīs laiks.

Atšķirībā no Labeyrie konceptuālā piedāvājuma, "BAE Systems" pētnieki savā eksperimentā izmantoja tikai vienu lāzeru. Tā stars caur trauka apakšējo daļu tika vērsts uz tajā ievietotajām, ūdenī peldošajām daļiņām, kuras, ar atstarotās un pievadītas gaismas mijiedarbībā radušos stāvvilni tika piespiestas pie tvertnes stikla sienas. Daļa no izkliedētās gaismas atstarojās perpendikulāri un, kā tas redzams publicētajā attēlā, nodrošināja arī daļiņu pašsakārtošanos - ja kāda no tām tiktu izsista no vietas, pārējās pārkārtotos, lai to aizpildītu.

Eksperimentā uzbūvētais spoguļa prototips ir tikai 40 mikrometrus plats. Praktiski lietojamam šāda veida spogulim vajadzētu būt vairākus desmitus metru diametrā, kas nozīmē, ka tas sastāvētu no miljoniem vai pat miljardiem mikrodaļiņu. Optiski saistītā struktūrā, sastāvošā no tik liela daļiņu daudzuma, neizbēgami sāktos atsevišķu grupu dislokācija, taču to būtu iespējams novērst, sadalot spoguli vairākos mazākos segmentos.

Gržegorčika eksperimentā plastmasas daļiņas atradās ar ūdeni pildītā traukā. Kosmosā nekas tāds nebūs iespējams un zinātnieks atzīst, ka tas būs liels izaicinājums, ne tikai atrast veidu, kā iztikt bez ūdens, kas cita starpā novada lieko, lāzera radīto karstumu, bet arī, izmantojot divus lāzerus, noturēt bezsvara apstākļos visu daļiņu konglomerātu tai paredzētajā vietā spoguļa korpusā. Pagaidām, rēķinoties ar pieejamajām tehnoloģijām, šāds uzdevums joprojām vairāk atgādina zinātnisko fantastiku nekā realitāti.

Gržegorčika komandai izdevās arī pierādīt, ka šāds daļiņu sakopojums patiešām var darboties kā spogulis. Viņi uz to projicēja ciparu 8, kas atstarojās un tika uzņemts ar kameru. Attēls ir neskaidrs, taču astotnieku var atpazīt. Saprotams, tas nav ne tuvu tam, ko attēla kvalitātes ziņā varētu sagaidīt no kosmiskā teleskopa. Tomēr pētnieki, veicot teorētiskus aprēķinus, noskaidrojuši, ka ienākošo gaismu varētu būt iespējams fokusēt, iegūstot skaidru, no kompozītspoguļa atstarotu attēlu. Tāpat, runājot par trūkumiem, tiek atzīmēts, ka pētījumā neizdevās izveidot ieliektu spoguļa virsmu, kas, būtu teleskopa atstarojošam elementam vēlamā forma.

Ir skaidrs, ka no Gržegorčika eksperimentiem līdz darboties spējīgam kosmiskajam teleskopam ir jānoiet vēl ļoti tāls ceļš. Tomēr, ņemot vērā neticamās iespējas, ko varētu dot šāds teleskops ar 30 vai vairāk metru lielu spoguli (ap tālajām zvaigznēm riņķojošo planētu, Visuma redzamības robežās atrodošos galaktiku, u.c. uzņēmumus), pētnieki ir apņēmības pilni turpināt darbu. Patlaban Gržegorčiks strādā, lai panāktu, ka spoguli veidojošās mikrodaļiņas novietojas trauka vidū, nevis piespiestas pie tā sienas.

Attēls: Pētījumā iegūtais mikrodaļiņu sakopojums, izgaismots ar zaļu lāzera gaismu. Publicitātes foto.

Avots:

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.023902

Brīvpieejas materiāls. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.