Gökbilimciler uzaktaki süpernovaları veya kuasarları görmek için teleskoplarını gökyüzüne doğrulttuklarında, uzayda milyonlarca, hatta milyarlarca ışıkyılı seyahat eden ışığı topluyorlar. Evrendeki devasa ve güçlü enerji kaynakları bile, onlara bu kadar uzaktan baktığımızda hayal edilemeyecek kadar küçük ve soluktur. Büyük Patlama’dan hemen sonra oluşan galaksiler ve yakındaki ancak çok daha küçük ve daha sönük nesneler hakkında bilgi edinmek için gökbilimcilerin daha güçlü teleskoplara ihtiyacı var.
Belki de olağanüstü hassasiyet ve mümkün olan en keskin görüntüler gerektiren programların poster çocuğu, tespit etmeye çalıştığımız cismin yıldızına son derece yakın ve kabaca bir milyar kat daha sönük olduğu diğer yıldızların etrafındaki gezegenleri aramaktır. Dünya benzeri gezegenler bulmak, gelecek nesil teleskoplar için en heyecan verici beklentilerden biri ve sonunda dünya dışı yaşam imzalarını keşfetmeye yol açabilir.
Araştırma teleskoplarındaki dedektörler zaten o kadar hassastır ki, gelen hemen hemen her fotonu yakalarlar, bu nedenle daha sönük nesneleri tespit etmenin ve daha ince ölçeklerde yapıyı çözmenin tek bir yolu vardır: daha büyük bir teleskop inşa etmek. Büyük bir teleskop sadece daha fazla foton yakalamakla kalmaz, aynı zamanda daha keskin görüntüler de üretebilir. Bunun nedeni, ışığın dalga doğasının, kırınım sınırı olarak bilinen teleskopun çözünürlüğüne bir sınır koymasıdır ; görüntünün netliği ışığın dalga boyuna ve teleskopun çapına bağlıdır.
Optik bilimciler olarak, yeni nesil teleskoplara katkımız, uzaklardan ışık toplamak için güvendikleri devasa aynaların nasıl üretileceğini bulmaktır. İşte yarının astrofiziksel keşiflerini mümkün kılacak teknolojiyi nasıl mükemmelleştiriyoruz.
Çoklu aynalar
Soru, etkin çapları 8 ila 12 metre (26 ila 40 fit) arasında olan mevcut nesil teleskoplardan önemli ölçüde daha büyük bir şeyin nasıl inşa edileceğidir. En büyük zorluklardan biri, ışığı toplamak için daha büyük bir ayna yapmaktır.
İlk olarak, Şili’de inşa edilmekte olan Dev Macellan Teleskobu ( GMT ) tarafından burada gösterilen bir teleskopun temel optik düzenini bilmek yardımcı olur . Büyük bir birincil ayna , gelen ışığı toplar ve onu bir odak noktasına yansıtır. Işık, görüntünün kaydedildiği birincil aynanın altında güvenli, erişilebilir bir yerde bulunan bir cihazda bir görüntü oluşturmak için daha küçük ikincil ayna tarafından ikinci kez yansıtılır .
Tek parça camdan yapılmış sekiz metreden çok daha büyük bir ayna çok pahalı ve ele alınması çok zor olurdu. Dev teleskopların yapımında yer alan herkes, çözümün birincil aynayı birden fazla küçük aynadan yapmak olduğu konusunda hemfikirdir. Parçalı ayna adı verilen devasa bir ayna oluşturmak için birden fazla cam parçası şekillendirilir ve hizalanır. Segmentler arasındaki boşluklar, segmentlerin yüzeyleri, ana yüzey olarak adlandırılan sürekli, neredeyse parabolik bir yüzey üzerinde yer aldığı sürece kabul edilebilir.
Şu anda geliştirilmekte olan son derece büyük üç teleskop (ELT) projesi, bu parçalı birincil aynanın tasarımı hakkında çok farklı kararlar verdi. ELT’lerden ikisi, Avrupa ELT ve Otuz Metre Teleskop , Hawaii’deki 10 metrelik Keck Gözlemevi teleskoplarının öncülük ettiği yaklaşımı benimsedi – yüzlerce 1,5 metrelik parçadan dev bir ayna yapacaklar.
Üçüncü proje, Dev Macellan Teleskobu, farklı bir yol izliyor. 25 metrelik birincil aynasında sadece yedi bölüm olacak. Burada , Arizona Üniversitesi’ndeki Richard F. Caris Ayna Laboratuvarında ürettiğimiz 8,4 metrelik (28 fit) petek yapılı aynalar, yapılabilecek en büyük tekli aynalardır . GMT’nin 3 metrelik ikincil aynasında ayrıca her biri birincil ayna bölümlerinden biriyle eşleştirilmiş yedi bölüm bulunur.
Büyük, sert ve hafif
Büyük ayna segmentleri, tüm geniş alanları üzerinde pürüzsüz bir yüzey garanti eder. Birincil aynada ne kadar çok segment varsa, doğruluğu o kadar fazla olur ve onları ana yüzeyde tutmak için tam hizalanmalarına bağlıdır. GMT’deki birincil ve ikincil ayna bölümlerinin eşleştirilmesi nedeniyle, keskin görüntüler oluşturmak için gereken ince kontrol, ikincil aynanın 8.4 metrelik birincil bölümleri yerine küçük, çevik bölümleri hareket ettirilerek yapılabilir. 8.4 metrelik petek aynaların ikinci bir avantajı, şu anda dünyanın en büyük teleskopu olan Arizona’daki Büyük Dürbün Teleskobu’nda kullanım da dahil olmak üzere güçlü mirasıdır.
Büyük bir ayna kullanmanın zorluklarından biri, kendi ağırlığı ve rüzgar kuvveti altında bükülme eğiliminde olmasıdır. Ayna, bir yattaki bir yelken gibi rüzgara maruz kalıyor, ancak görüntüleri çok bulanık hale gelmeden önce yalnızca yaklaşık 100 nanometre bükülebiliyor. Bu sorunun üstesinden gelmenin en iyi yolu, aynayı mümkün olduğu kadar sert yapmak ve aynı zamanda ağırlığını sınırlamaktır.
Bu başarıyı, aynayı hafif bir petek yapısına dönüştürerek gerçekleştiriyoruz. Her aynanın üstünde sürekli bir cam ön tabaka ve her biri yaklaşık bir inç kalınlığında neredeyse kesintisiz bir arka tabaka bulunur. İki yaprağı bir arada tutan, altıgen bir desende yarım inç kalınlığında kaburgalardan oluşan petek bir yapıdır. Petek aynalarımız 70 santimetre kalınlığındadır, bu da onları yerçekimi ve rüzgar kuvvetlerine dayanacak kadar sert yapar. Ancak yüzde 80’i boş ve her biri yaklaşık 16 ton ağırlığında, kendi ağırlıkları altında önemli ölçüde bükülmeyecek kadar hafifler.
Aynayı Üretmek
Sonunda elde etmek istediğimiz petek aynanın negatifi olan karmaşık bir kalıba camı eriterek başlıyoruz. Cam erimişken, fırın dakikada beş devirle döner; merkezkaç kuvveti, camın yüzeyini, uzaktaki bir yıldızdan gelen ışığı odaklayabilen içbükey parabolik şekle iter. Petek kalıbının yapımını ve spin-döküm sürecini görmek için aşağıdaki videoyu izleyin.
Döndürerek döküm ayna yüzeyi henüz keskin görüntüler elde etmek için gereken optik kaliteye sahip değil. Ancak döndürme, ona doğru genel eğriliği verir ve düz bir yüzeyden 14 ton camı öğütme zorunluluğundan kurtarır – neredeyse bitmiş aynada kalan cam kadar.
Yüzeyin parlatılması
Daha sonra, mümkün olan en keskin görüntüleri oluşturacak şekilde, ışığın dalga boyunun küçük bir kısmı kadar bir doğrulukla yüzeyi cilalamamız gerekiyor. Ayna yüzeyinin ideal, neredeyse parabolik yüzeyle yaklaşık 25 nanometreye – bir insan saçının genişliğinin yaklaşık on binde 3’ü kadar – uyması gerekir. Bu gerçekten, gerçekten pürüzsüz; ayna Kuzey Amerika boyutuna kadar büyütülürse, en yüksek dağ bir inç yüksekliğinde ve en derin kanyon bir inç alçakta olurdu.
Parlatma işlemimize rehberlik etmek için ilk adım, 10 nanometreden daha az adımlarla ayna yüzeyinin çok ince bir kontur haritasını oluşturmaktır. “Yöneticimiz” olarak kırmızı lazer ışığı kullanıyoruz; bölümleri ışığın dalga boyudur – yaklaşık 630 nanometre – ve bir bölümün yaklaşık yüzde birine kadar okunabilir.
Ölçüm aleti ayna yüzeyini aydınlatır, yansıyan ışığı toplar ve aynanın farklı yerlerinden yansıyan ışınların yol uzunluklarını karşılaştırır. Yüksek bir noktadan yansıyan bir ışın, alçak bir noktaya çarpan bir ışından daha kısa bir yola sahip olacaktır. Cihaz bu bilgiyi ayna yüzeyinin kontur haritasını oluşturmak için kullanır.
Parlatmanın temel prensibi, yüzeyi disk şeklinde bir aletle ovalayarak, camı çok yüksek noktalardan seçici olarak çıkarmaktır. Ruj (demir oksit) gibi ince bir aşındırıcı, mekanik ve kimyasal işlemlerle camı atom atom yavaşça uzaklaştırır.
Şekillendirme , örneğin aletin oraya daha uzun süre sürtmesini sağlayarak, kontur haritasında tanımlanan yüksek noktalardan camı açıkça çıkarmaktır. Bu, yaklaşık 10 santimetreden daha büyük ölçeklerde etkilidir. Düzgünleştirme , sert bir aleti pürüzlü bir yüzeye sürttüğünüzde meydana gelir: alet doğal olarak yüksek noktalara oturur ve kontur haritasından herhangi bir yönlendirme olmadan bile orada daha fazla malzeme kaldırır. Bu, 10 santimetreden küçük ölçeklerde etkilidir. Ayna yüzeyi asferik olduğunda her iki yöntem de daha zordur, yani eğriliği noktadan noktaya değişir, bu da GMT segmentleri için oldukça geçerlidir.
Teleskoplar için büyük aynaları cilalamanın zorluklarını ele almak için birkaç yeni cilalama aracı geliştirdik. Herhangi bir cilalama aletinin temel özelliklerinden biri, ayna yüzeyinin şekliyle yaklaşık 1 mikron doğrulukla eşleşmesidir. Arka plandaki daha büyük alet , yüzey üzerinde hareket ettikçe sert bir alüminyum diskin şeklini değiştiren karmaşık bir elektro-mekanik sistemdir , böylece her zaman aynanın yerel eğriliği ile eşleşir.
Ön plandaki daha küçük araç çok daha basittir. Galileo’nun bir karnaval oyuncağını astronomik bir teleskop olarak yeniden icat etmesine benzer şekilde , yeni fikrimiz Silly Putty’den geldi – Newtonyen olmayan, uzun bir süre boyunca sıvı gibi akan, ancak kısa zaman ölçeklerinde katı gibi davranan bir sıvı. Hem şekil verme hem de yumuşatma elde etmek için bu içsel özelliklerden yararlanıyoruz.
İnce bir kauçuk diyaframla çevrelenmiş Silly Putty içeren aracımız, aynı anda kendi etrafında hızla dönerken aynanın yüzeyi üzerinde yavaşça hareket eder. Silly Putty, yörüngenin hızlı periyodu boyunca serttir ve ayna yüzeyindeki küçük ölçekli düzensizlikleri düzeltir. Aynanın üzerinden geçmek daha uzun zaman aldığında, Silly Putty kolayca akar, böylece alet her zaman yüzeyin şekliyle eşleşir. Sonuç olarak, camı öngörülebilir bir oranda ve ayna boyunca hareket ettikçe değişmeyen öngörülebilir bir düzende kaldırır.
Kurulum için geri sayım
Burada, Ayna Laboratuvarı’nda, 2012’de ilk Dev Magellan Teleskop segmentini yapmayı bitirdik. Diğer iki ayna üzerinde çalışmak için bir aradan sonra, laboratuvar, 2. ve 3. Bölümleri öğütme sürecindedir. Eylül 2015’te spin-dökümden sonra. 25 metrelik ana aynanın tamamını üretme yolunda ilerliyoruz.
Bu mükemmele yakın aynaları Arizona’daki laboratuvarımızdan Şili’deki bir dağın zirvesine götürmek başka bir dizi zorluk sunuyor. Karada bir tırla ve Kaliforniya’dan Şili’ye yük gemisiyle seyahat ediyorlar. Güvenli taşımanın anahtarları, aynanın ağırlığını yüzlerce destek noktasına dağıtmak ve ayna ile yol veya gemi güvertesi arasında birkaç kat süspansiyona sahip olmaktır.
GMT proje takvimi, 2022’de teleskoba dört parçanın monte edildiği bir ön ilk ışığı gerektiriyor. Yedi parçanın hepsinin 2024’ten itibaren kozmosu taramasını bekliyoruz.
GMT üzerinde çalışan çoğumuz, Hubble Uzay Teleskobu’nun (HST) son 25 yılda yaptığı gibi, onu evrene yeni pencereler açmanın yolu olarak görüyoruz. Yörüngedeki bu teleskop, fırlatılmadan önce onlarca yıldır proje üzerinde çalışan insanlardan gelecek nesle cömert bir hediyeydi. HST’nin derin uzay görüntüleri, Dünya’daki çoğumuzu şaşırttı, motive etti ve ilham verdi. GMT proje ekibi de benzer bir hediyeyi gelecek nesillere aktarmanın hayalini kuruyor.