Телескоп на Луне

[sharp]

На мысль о лунном телескопе натолкнуло чтение довольно старой темы: Космические и наземные телескопы - что лучше?


Если коротко, главным достоинством наземных телескопов является большая апертура. Которая, в свою очередь, определяет угловое разрешение.
\( \theta  = 1.22\frac{\lambda}{D} \)
Недостатки понятны - атмосфера, засветка. По этим причинам велика вероятность, что определение спектров экзопланет окажется невозможным прямым наблюдением с Земли, даже на самых больших апертурах. "Картинка" экзопланеты окажется безнадежно испорчена земной атмосферой и другими помехами.


У космических телескопов все ровно наоборот: атмосфера не мешает, но апертура невелика, поскольку и сами аппараты небольших размеров. Телескоп размером с МКС имел бы по сравнению с ними впечатляющую апертуру, но ориентация и наведение такого массивного аппарата - сложнейшая задача, к тому же затратная по энергии и рабочему телу.


Почему бы, однако, не совместить достоинства обоих видов телескопов, избавившись при этом от недостатков? Телескоп на Луне - отличная возможность это сделать. Твердая поверхность позволяет устойчиво зафиксировать телескоп с большим диаметром объектива и обеспечивает простоту и высокую точность ориентирования. Отсутствие атмосферы позволяет получать картинку без атмосферных помех. В темное время суток, без Солнца и Земли на небе - качество условий наблюдения  будет исключительным, недоступным ни для одного наземного или околоземного аппарата.


Есть у лунного телескопа свои проблемы, которые предлагаю обсудить:
1. Как доставлять оптику?
Почти все детали можно доставлять по частям и собирать телескоп на месте. Однако, если мы делаем телескоп с большой апертурой, это означает большой диаметр (десятки метров) линз и зеркал. Что целесообразнее - доставка хрупкого крупногабаритного груза, или изготовление оптики на месте? Например, путем 3D-печати?


2. Где размещать телескоп?
Обратная сторона Луны позволит телескопу никогда не видеть Землю и исключить засветку - с этим понятно. А вот широта вызывает сомнения: чем ближе к экватору, тем сильнее в течение дня прогревается грунт, создавая проблемы с теплоотводом. Ближе к полюсам эта проблема стоит менее остро, однако сокращается количество звезд, доступных для обзора.

[FRIM@N]

Особого смысла размещать телескоп на луне нет. Много недостатков.
1. Лунная пыль! Она мелкая и наэлектризованная, экипажи "апполонов" жаловались что она проникает во все щели. Соответственно если телескоп оптический с чистотой поверхности будут большие проблемы.
2. Гравитация. Она хоть небольшая, но есть. Соответственно потребуются какие то несущие конструкции. Посадка грузовых кораблей и взлет тоже будет задачей.
3. Луна далеко, даже сейчас в 2016 году просто экспедиция на луну класса флагофтыка нетривиальная задача, не говоря уже о каком то строительстве.
4. Ограничения в обзоре, как ни крути в конкретный момент времени обзор ограничен плоскостью лунной поверхности. Это самая несущественная деталь, но тем не менее.
Особых плюсов нет, поэтому ИМХО гораздо выгодней телескоп разместить в космосе. Минимум веса, обзор 360 градусов, в любой момент можно повернуть куда требуется. Затраты на монтаж приемлемые, ибо невесомость, можно работать относительно маломощными манипуляторами, а на луне уже потребуется какая никакая строительная техника. Экономия в топливе, не надо тратится на прилунение, взлет и телескоп будет значительно ближе.
Самое главное телескоп в космосе можно смонтировать уже сейчас, а построить что то на луне, я сомневаюсь что удастся это сделать в ближайшие несколько тысяч лет.

1. Как доставлять оптику?
Почти все детали можно доставлять по частям и собирать телескоп на месте. Однако, если мы делаем телескоп с большой апертурой, это означает большой диаметр (десятки метров) линз и зеркал. Что целесообразнее - доставка хрупкого крупногабаритного груза, или изготовление оптики на месте? Например, путем 3D-печати?

Таких технологий 3D-печати сейчас нет, возможно ли это будет в будущем неизвестно. Речь идет о точности в несколько нанометров.

2. Где размещать телескоп?
Обратная сторона Луны позволит телескопу никогда не видеть Землю и исключить засветку - с этим понятно. А вот широта вызывает сомнения: чем ближе к экватору, тем сильнее в течение дня прогревается грунт, создавая проблемы с теплоотводом. Ближе к полюсам эта проблема стоит менее остро, однако сокращается количество звезд, доступных для обзора.

Засветка от земли в космосе равна нулю. Это вообще не проблема. Относительно теплоотвода, нет разницы где будет находится телескоп, на луне нет атмосферы. Теплозащиту все равно придется устанавливать.

[Санек gr.]

Недостатки понятны - атмосфера, засветка. По этим причинам велика вероятность, что определение спектров экзопланет окажется невозможным прямым наблюдением с Земли, даже на самых больших апертурах. "Картинка" экзопланеты окажется безнадежно испорчена земной атмосферой и другими помехами.

Вот, что вычитал из вики, цитата:

Помимо космических миссий, в будущем планируется развивать наземные инструменты. К примеру, на строящемся Европейском чрезвычайно большом телескопе будет установлено оборудование, способное к изучению атмосферы экзопланет

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BA%D0%B7%D0%BE%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B0

[LV46]

Полностью поддерживаю автора о лунном телескопе. Я эту мысль высказывал еще год назад в какой-то из тем о Луне.
4-х-метровое зеркало на Луне обеспечит такой же результат, как и 30 или даже 40-метровое на Земле. Да еще и шестикратное снижение веса. Такой телескоп не требует топлива, в отличии от космических и отсутствием обслуживания (если ничего не сломается). Управление с Земли.
А теперь о скептиках.

1. Лунная пыль! Она мелкая и наэлектризованная, экипажи "апполонов" жаловались что она проникает во все щели.

Может там и ветер есть, который эту пыль будет разносить?

2. Гравитация. Она хоть небольшая, но есть. Соответственно потребуются какие то несущие конструкции.

Какие-такие нереализуемые (громоздкие, тяжелые и т.д.) несущие конструкции потребуются для зеркала, например, 4 метра?

3. Луна далеко, даже сейчас в 2016 году просто экспедиция на луну класса флагофтыка нетривиальная задача

Главное захотеть. И Луна сразу окажется близко. А так оно и Австралия далеко.

Ограничения в обзоре, как ни крути в конкретный момент времени обзор ограничен плоскостью лунной поверхности.

То есть нечего наблюдать? А у земных телескопов, что, разве не так?

[LV46]

1. Как доставлять оптику?Почти все детали можно доставлять по частям и собирать телескоп на месте. Однако, если мы делаем телескоп с большой апертурой, это означает большой диаметр (десятки метров) линз и зеркал. Что целесообразнее - доставка хрупкого крупногабаритного груза, или изготовление оптики на месте?

Не десятки метров. В посте выше я говорил, что достаточно 4-метрового размера.
Доставлять целиком. Тяжелой ракетой за один раз. Точность изготовления зеркала не позволяет пока что изготовлять зеркало на месте. Зеркало Хаббла полировали уйму времени при помощи сложных роботизированных механизмов. Так что только доставка, причем одним кораблём за один раз. А то сейчас набегут космические "изобретатели" будут предлагать по 10 ракет запускать.

[Кремальера]

Телескопы на телах СС -это казус из юного техника затертых годов.Инструмент придется обслуживать.И роботизация тут пока не светит.С Хабблом -это кое-как выходило,но вот относительно Кеплера ...Многие сейчас кусают локти что до него не добраться.А тут придется садится/взлетать.

[LV46]

Раз в десять лет можно и прилететь на обслуживание. К Хабблу летали не потому что он требует обслуживания, а устранять косяки. А Кеплер и так работает нормально.  Другое дело, если б вообще не работал.

[sharp]

1. Лунная пыль! Она мелкая и наэлектризованная, экипажи "апполонов" жаловались что она проникает во все щели. Соответственно если телескоп оптический с чистотой поверхности будут большие проблемы.

Поскольку ветра нет, эту проблему достаточно легко победить.

Посадка грузовых кораблей и взлет тоже будет задачей.

Конечно, будет. И человек не был бы человеком, если бы не решал задачи.

Особых плюсов нет, поэтому ИМХО гораздо выгодней телескоп разместить в космосе. Минимум веса, обзор 360 градусов, в любой момент можно повернуть куда требуется. Затраты на монтаж приемлемые, ибо невесомость, можно работать относительно маломощными манипуляторами, а на луне уже потребуется какая никакая строительная техника.

Как уже упомянул в стартовом посте, космический телескоп сильно ограничен по размерам. Почитайте например статью про Gaia в википедии, там описано как осуществляется ориентация телескопа и какие в связи с этим возникают трудности.
А при линейном увеличении размеров будет кубически расти масса. Увеличив апертуру в 10 раз, мы в 1000 раз усложним ориентацию телескопа.

Относительно теплоотвода, нет разницы где будет находится телескоп, на луне нет атмосферы. Теплозащиту все равно придется устанавливать.

На полюсах вообще есть кратеры вечной ночи. Они довольно большого диаметра, то есть стенки кратера сократят обзор незначительно. Однако соглашаясь на полюс, мы ограничиваем себя только одной полусферой.

Не десятки метров. В посте выше я говорил, что достаточно 4-метрового размера.

4-метровые и для обычного космического телескопа не проблема. Поэтому на Луне нужно строить что-то принципиально бОльших размеров, хотя бы 50-100 метров.

[sharp]

Телескопы на телах СС -это казус из юного техника затертых годов.

Семенов предлагал как-то даже интерферометр на Луне. Но это следующий шаг, после того как появится и будет успешно работать хотя бы один лунный телескоп.

[sharp]

Наглядная диаграмма - зависимость углового разрешения от длины волны и апертуры.
Желаемый результат - 0.001-0.003'' для видимого диапазона. При отсутствии атмосферной аберрации, само собой.

[LV46]

4-метровые и для обычного космического телескопа не проблема. Поэтому на Луне нужно строить что-то принципиально бОльших размеров, хотя бы 50-100 метров.

4-х-метровое зеркало на Луне обеспечит такой же результат, как и 30 или даже 40-метровое на Земле.

Этого достаточно для того, чтобы а) получать изображения лучше хаббловских б) (самое главное) протестировать весь процесс на предмет "подводных камней", каких-то неучтенных моментов и т.д.
Короче говоря наработать такой драгоценный опыт. Сразу ни с того, ни с сего 100метровый телескоп да еще и на Луне слишком рискованно строить такую сложную конструкцию, не имея опыта.

[sharp]

Ну вот Webb собираются запускать с 6-метровым зеркалом. На Луну надо что-то более основательное.

[ВадимZero]

Непонятно какие премущества Луна имеет перед открытым космосом? Недостатки же очевидны, прежде всего дороговизна спуска в грав яму.

[sharp]

Непонятно какие премущества Луна имеет перед открытым космосом?

Более высокая точность наведения за счет опоры на твердую поверхность.

[crazy_terraformer]

Чтобы защититься от пыли надо поднять телескоп на опоры.
Как вариант телескоп может быть частично надувным шаром или эллипсоидом. Нижняя полусфера будет зеркалом(зеркальное напыление на плёнку), а верхняя прозрачная. Раздувание и сдувание шара из-за нагревания или потери тепла будет сниматься закачкой газа ч/з клапан в баллон или закачкой его из баллона. 

[PSR1257]

(Извиняюсь, немного не в тему)Вроде бы был какой-то проект небольших телескопов - выведенных на орбиту ~Сатурна.

Вообще было бы интересно разместить на Луне детектор космических лучей. Все эти 10^20 эВ ++ можно будет получить прямо в детекторе (!)

1. Как доставлять оптику?
Почти все детали можно доставлять по частям и собирать телескоп на месте. Однако, если мы делаем телескоп с большой апертурой, это означает большой диаметр (десятки метров) линз и зеркал. Что целесообразнее - доставка хрупкого крупногабаритного груза, или изготовление оптики на месте? Например, путем 3D-печати?

Перспективнее наверное доставить туда роботов чтобы те меделенно но верно строили гигантские телескопы но я не знаю насколько это реально

[electric]

ориентация и наведение такого массивного аппарата - сложнейшая задача, к тому же затратная по энергии и рабочему телу.

Никакого рабочего тела для ориентации ненужно. И затраты энергии малы. Так как производится вращением маховиком.

[electric]

Относительно теплоотвода, нет разницы где будет находится телескоп, на луне нет атмосферы. Теплозащиту все равно придется устанавливать.

Но есть поверхность, в которую можно закопать трубы и отдавать туда тепло, если нужно низкую температуру, то холодильником. Это является, наверное, единственным преимуществом установки телескопа на Луне по сравнению с открытым космосом, которое не перекрывает все имеющиеся недостатки.

[Маска]

В посте выше я говорил, что достаточно 4-метрового размера.

Похоже о High-Definition Space Telescope,наследнике ATLAST никто и не слышал.
https://arxiv.org/abs/1507.04779
http://www.theverge.com/2015/7/6/8901179/astronomer-group-proposes-hi-def-space-telescope-for-spotting-earth
На русском:
http://za-neptunie.livejournal.com/157493.html
http://za-neptunie.livejournal.com/158697.html
http://kiri2ll.livejournal.com/294241.html
Это куда реальнее и менее затратно чем "Телескоп на Луне"

[LV46]

Это куда реальнее и менее затратно"

p.s. Будущее за лунной астрономией. Летающие вундервафли упираются в технический предел габаритов и масс. И дело даже не в сегментировании зеркала.
Дальнейшее усложнение конструкции неизменно приведет к техническим сбоям, поломкам и т. д.
При этом общая стоимость Джеймса Уэбба уже подбирается по некоторым оценкам к 10 млрд. зеленых тугриков.
Постройка орбитальных телескопов - вынужденная мера за неимением желания строить на Луне стационарную обсерваторию.