Почему мы строим большие наземные телескопы, а не запускаем большие в космос?

Этот вопрос является продолжением того, что большие телескопы дают лучшие результаты?

Насколько большим должно быть наземное зеркало, чтобы соответствовать космическому зеркалу? Я предполагаю, что я спрашиваю в первую очередь о видимом свете, но я также заинтересован в целом.

Я предполагаю, что на земле вы в безопасности от микрометеоритов, поэтому, вероятно, это продлится дольше. В какой момент становится дешевле построить телескоп на Луне или что-то в этом роде?

Это дешевле.

(1) С помощью адаптивной оптики вы можете получить разрешение 0,1 дуги секунды на земле (правда, только на вершине горы с особенно хорошим воздушным потоком, но все же!). Это устраняет одно из главных преимуществ пространства, пока вы не достигнете диаметра зеркала более нескольких метров.

(2) Ракетные обтекатели - это кожухи, которые защищают полезную нагрузку при сверхзвуковых атмосферных скоростях, достигнутых во время запуска. 5-метровый обтекатель - это самое большое, что может летать, что ограничивает размер моноблочных зеркал, которые можно запустить. (Зеркало телескопа Ужасного Уэбба разбито на куски, которые будут собираться в космосе - очень страшный и очень дорогой проект.)

(3) Обслуживание телескопа на вершине Мауна-Кеа или в высоких чилийских Андах - сложный и дорогой процесс. Обслуживание телескопа на орбите делает это небольшим изменением. (Стоимость сопоставима со стоимостью строительства нового гигантского прицела на Земле.) А обслуживание на орбите невозможно даже с использованием современных технологий, кроме как на низкой околоземной орбите.

(4) В то время как высокое разрешение - это одна граница в астрономии, углубление - это другая, а для углубления требуются большие зеркала. 30-метровое зеркало на Земле собирает намного больше света, чем 5-метровое зеркало в космосе. Гигантские наземные телескопы просто лучше справляются с ролью легких ведер для спектроскопии, чем все, что мы еще можем поместить в космос.

Суть в том, что с развитием адаптивной оптики космические телескопы, которые в настоящее время могут быть построены и запускаются, потеряли свое главное преимущество над наземными телескопами. А поскольку они в 10–100 раз дороже, их просто не стоит строить для многих целей.

Космические телескопы по-прежнему имеют значительное преимущество в частях спектра, заблокированных атмосферой, таких как УФ и ИК (Уэбб), и для определенных задач, связанных с долговременной высокоточной фотометрией (Кеплер) и астрометрией (Гайя). Но для общего назначения баланс кажется твердым на стороне земли для больших телескопов.

Это изменится, если космический полет станет дешевле - например, SpaceX BFR с 9-метровым обтекателем и значительно более низкой стоимостью запуска дает большие надежды на космические телескопы.

В дополнение к отличному ответу Марка ...

Почему мы строим большие наземные телескопы, а не запускаем большие в космос?

Если бы у вас были деньги на два дома, один рядом с работой и «дачу» в лесу, как бы вы поделили свой бюджет?

Этот вопрос является продолжением того, что большие телескопы дают лучшие результаты?

Да, и я не фанат этих ответов, возможно, @MarkOlson тоже не впечатлил.

В этих ответах отсутствует адаптивная оптика (она считается дорогой и не особенно эффективной) и возможность легко модернизировать все, кроме размеров здания и главного зеркала.

Насколько большим должно быть наземное зеркало, чтобы соответствовать космическому зеркалу? Я предполагаю, что я спрашиваю в первую очередь о видимом свете, но я также заинтересован в целом.

Он не столько «насколько крупнее», сколько «эффективно продвигает вашу идею, обеспечивает максимально возможное финансирование и строит самое большое здание с максимально возможным главным зеркалом». Копайте глубже и постройте то, что вы можете, а не модернизируйте как можно больше - датчики и суперкомпьютеры могут починить все остальное.

Я предполагаю, что на земле вы в безопасности от микрометеоритов, поэтому, вероятно, это продлится дольше. В какой момент становится дешевле построить телескоп на Луне или что-то в этом роде?

Наземные и космические телескопы полезны, а основаны на луне менее.

Когда "The Acme Telescope Company" откроет свой первый магазин на Луне, цена на покупку упадет, пока на Земле и в космосе не будет дешевле. С помощью космического оборудования он может встретить вас на полпути для ремонта, а наземный (даже на вершине горы) ремонтный центр часто находится под рукой.

В Паранале здание по обслуживанию зеркал находится на вершине горы, рядом с зеркалами.

Статья Scientific America: космический телескоп Джеймса Вебба "слишком велик, чтобы потерпеть неудачу?" объясняет:

«Предполагая, что мы доберемся до траектории впрыска на Землю-Солнце L2, конечно, следующая самая рискованная вещь - это развертывание телескопа. И в отличие от Хаббла, мы не можем выйти и починить это. Даже робот не может выйти и починить его. Поэтому мы идем на большой риск, но ради большой награды », - говорит Грюнсфельд.

Однако предпринимаются скромные усилия, чтобы сделать JWST «работоспособным», как Хаббл,по словам Скотта Уиллоби, менеджера программы JWST в Northrop Grumman Aerospace Systems в Редондо-Бич, штат Калифорния. Аэрокосмическая фирма является главным подрядчиком НАСА по разработке и интеграции JWST, и ей было поручено подготовить «телескопическое кольцо для запуска ракеты-носителя», которое может быть «захвачено чем-то», будь то астронавт или робот с дистанционным управлением, говорит Уиллоби. Если космический корабль будет отправлен в L2 для стыковки с JWST, он может попытаться отремонтировать или, если обсерватория хорошо функционирует, просто долить топливный бак, чтобы продлить срок его службы. Но в настоящее время деньги на такую ​​героику не предусмотрены. В том случае, если JWST страдает от того, что те, кто находится в космическом полете, недооценивают как «плохой день», будь то из-за сбоя ракеты, сбоя в развертывании или чего-то непредвиденного, Грюнсфельд говорит, что в настоящее время существует множество обсерваторий в космосе,

Поковки кольцевого интерфейса ракеты-носителя (LVIR) (2) доставлены

Цитата с сайта " Космический телескоп Джеймса Вебба " (JWST):

Готовое основное зеркало будет в 2,5 раза больше диаметра основного зеркала космического телескопа Хаббла, диаметр которого составляет 2,4 метра, но весит примерно вдвое меньше.

Космический телескоп Джеймса Вебба будет собирать свет примерно в 9 раз быстрее, чем космический телескоп Хаббла, если принять во внимание детали относительных размеров, форм и характеристик зеркал в каждом проекте », - сказал Эрик Смит, программный специалист JWST в штаб-квартире НАСА, Вашингтон. Повышенная чувствительность позволит ученым увидеть, когда первые галактики образовались сразу после Большого взрыва. Большой телескоп будет иметь преимущества для всех аспектов астрономии и произведет революцию в исследованиях того, как звезды и планетные системы формируются и развиваются.

Смотрите также: " Телескоп Уэбба против Хаббла ":

... более отдаленные объекты имеют более высокое красное смещение, и их свет выталкивается из ультрафиолета и оптического излучения в ближний инфракрасный. Таким образом, для наблюдения за этими отдаленными объектами (например, первыми галактиками, сформированными во Вселенной) требуется инфракрасный телескоп.

Это еще одна причина, по которой Уэбб не является заменой Хабблу, заключается в том, что его возможности не идентичны. Уэбб будет в первую очередь смотреть на Вселенную в инфракрасном диапазоне, в то время как Хаббл изучает ее в первую очередь на оптических и ультрафиолетовых длинах волн (хотя она имеет некоторые инфракрасные возможности). У Уэбба также гораздо большее зеркало, чем у Хаббла. Эта большая площадь сбора света означает, что Уэбб может заглянуть дальше во времени, чем Хаббл способен это сделать. Хаббл находится на очень близкой орбите вокруг Земли, а Уэбб будет на расстоянии 1,5 миллиона километров (км) во второй точке Лагранжа (L2).

...

Как далеко увидит Уэбб?

Из-за времени, которое требуется свету для перемещения, чем дальше находится объект, тем дальше назад во времени мы смотрим.

На этом рисунке сравниваются различные телескопы и насколько далеко они могут видеть. По сути, Хаббл [HST] может видеть эквивалент «малышей галактик», а телескоп Уэбба [JWST] сможет видеть «детские галактики». Одна из причин, по которой Уэбб сможет увидеть первые галактики, заключается в том, что это инфракрасный телескоп. Вселенная (и, следовательно, галактики в ней) расширяется. Когда мы говорим о самых отдаленных объектах, на самом деле в игру вступает Эйнштейн. Это говорит нам о том, что расширение вселенной означает, что пространство между объектами фактически растягивается, в результате чего объекты (галактики) отходят друг от друга. Кроме того, любой свет в этом пространстве также будет растягиваться, сдвигая длину волны этого света в сторону длинных волн. Это может сделать отдаленные объекты очень тусклыми (или невидимыми) на видимых длинах волн света, потому что этот свет достигает нас как инфракрасный свет. Инфракрасные телескопы, такие как Уэбб, идеально подходят для наблюдения за этими ранними галактиками.

Обновления в адаптивных оптических методах продолжаются, см .: « Бенджамин Л. Жерар, Кристиан Маруа и Рафаэль Галичер: « Быстрая когерентная дифференциальная визуализация на наземных телескопах с использованием самосогласованной камеры »(7 июня 2018 г.):

«Мы разрабатываем структуру для одного такого метода, основанного на самосогласованной камере (SCC), которая будет применяться к наземным телескопам, называемую методикой быстрого атмосферного SCC (FAST). Мы показываем, что с использованием специально разработанного коронографа и когерентного Алгоритм дифференциальной визуализации, запись изображений каждые несколько миллисекунд, позволяет вычитать атмосферные и статические спеклы, сохраняя при этом пропускную способность алгоритмической экзопланеты, близкую к единице.Подробное моделирование позволяет достичь контраста, близкого к пределу фотонного шума, через 30 секунд для полосы пропускания 1% в полосе H на звездах 0-й и 5-й звездной величины. Для случая 5-й звездной величины это примерно в 110 раз лучше в необработанном контрасте, чем то, что в настоящее время достигается с помощью инструментов ExAO, если мы экстраполируем на час времени наблюдения, иллюстрируя, что улучшение чувствительности с помощью этого метода может сыграть существенную роль в дальнейшем обнаружении и характеристике экзопланет с меньшей массой ».

Короче говоря, иногда они могут полностью удалить атмосферу. Улучшения идут.

ESO 4LGSF - лазерная направляющая звезда - четыре лазера используются для создания направляющих звезд для АО.

Ответ на ваш вопрос о строительстве на Луне. Это зависит от тех же затрат на запуск и ограничений, что и космический прицел, плюс вам приходится иметь дело с посадкой и гравитационным провисанием. Поэтому первое, что вам нужно, - это работающая лунная база, которая может производить все компоненты из местного сырья. Как только это будет сделано (вставьте большой смех здесь), вам все еще понадобится адаптивная оптика (как и многоэлементные области видимости, такие как JWebb) для выравнивания и смещений гравитационного прогиба, но поскольку они статичны, вам не нужны высокочастотные реакция, необходимая на Земле для обработки атмосферных аберраций. Вы захотите построить на «темной стороне», чтобы свет Терран не запутал все.

Ответ на телескопы на Луне. Нахождение на поверхности Луны создает проблемы по сравнению с плаванием в космосе на большом расстоянии от любой планеты / луны. Гравитация искажает зеркала / механику, требует дополнительных технических средств для поддержания веса, половина неба в любое время блокируется луной, тепловыделение от земли, изменения температуры с циклом день-ночь, пыль ...

Обратная сторона Луны была бы лучшим местом для проведения низкочастотных радионаблюдений. Луна блокирует все выбросы с Земли.