Гігантські рідинні дзеркала можуть змінити правила гри у пошуках придатних для життя світів

Уявіть собі космічний телескоп із дзеркалом діаметром 50 метрів — ширшим за футбольне поле та майже у вісім разів більшим за дзеркало телескопа Джеймса Вебба. Ще цікавіше: це дзеркало не з твердого скла, а з рідини, яка утворює ідеальну поверхню завдяки мікрогравітації в космосі. Цей, на перший погляд фантастичний задум, лежить в основі нового проєкту Fluidic Telescope (FLUTE) — спільної ініціативи NASA та ізраїльського Техніона, яка може радикально змінити наші уявлення про спостереження за далекими світами. ¹

Навіть такий інженерний шедевр як телескоп Джеймса Вебба (JWST) зі своїм 6,5-метровим сегментованим дзеркалом вже досяг межі того, що можливо вмістити в ракету. Щоб безпосередньо зображати екзопланети, подібні до Землі, потрібно значно більші дзеркала — десятки метрів у діаметрі. Але з використанням традиційних твердих матеріалів і розкладних конструкцій це практично неможливо.

У невагомості рідина природним чином формує сферичну поверхню — саме ту, що потрібна для створення дзеркала телескопа. Концепція FLUTE передбачає використання тонкої рідинної плівки як оптичного елемента. Це дозволяє створювати дзеркала розмірів, які неможливо реалізувати з використанням скла або металу.

Однак, виникає ключове питання: як така дзеркальна поверхня поводитиметься під час маневрування телескопа? Адже будь-яке переміщення змінює навантаження на рідину, що може викликати деформації дзеркала.

Група дослідників під керівництвом Ісраеля Ґабая з Техніона провела математичне моделювання і лабораторні експерименти, щоб дати відповідь на це питання. Вони розробили повну теоретичну модель, яка описує, як поводиться дзеркало з рідини під час кутових прискорень — тобто коли телескоп змінює напрям спостереження.

Результати виявились водночас обнадійливими й обережними. При типовому маневруванні 50-метрового дзеркала товщиною 1 мм спостерігаються деформації на краях дзеркала до кількох мікрометрів. Але ці зміни поширюються до центру надзвичайно повільно — протягом років.

Ключовий висновок: центр дзеркала, де знаходиться основна оптична вісь, залишається стабільним. Навіть після 10 років щоденних рухів, 80% центральної площі дзеркала залишаються придатними для високоточних спостережень.

Дослідники вводять поняття «бюджету маневрування» — граничної кількості переміщень, які телескоп може виконати без втрати оптичної якості. Ба більше, виявилось, що краще робити кілька менших рухів у різних напрямках, ніж один великий: це створює симетричні деформації, які легше коригувати.

Щоб підтвердити свої моделі, команда провела лабораторні експерименти з мікроскопічними рідинними плівками, використовуючи електромагнітні сили для створення контрольованих змін поверхні. І хоча масштаб експерименту значно менший, модель успішно передбачала поведінку рідини.

Ідея рідинного дзеркала відкриває нові горизонти. Такі телескопи можуть адаптувати свою форму для різних завдань, самостійно виправляти оптичні помилки, а потенційно — навіть відновлюватись після пошкоджень мікрометеоритами. Крім того, можливе використання процедур «скидання», щоб повертати дзеркало до первинної форми.

У майбутньому рідинні дзеркала можуть дозволити будівництво телескопів, які залишатимуться працездатними десятиліттями — не за рахунок складної механіки, а завдяки контролю за динамікою рідини.

Читайте також: Перші знімки з обсерваторії Віри Рубін!