¿Pueden los grandes telescopios científicos observar la Luna sin dañarse?

Cuando miro la Luna llena a través de mi telescopio de 10 cm, es tan brillante que duele. ¿Pueden los grandes telescopios científicos observar la luna? ¿Eso requiere equipo de protección especial? ¿O telescopios dedicados (o ninguno en absoluto)?

En particular, el E-ELT (European Extremely Large Telescope) tendrá un espejo de 39 m de diámetro. Si apuntara a la luna llena, ¿eso dañaría los instrumentos científicos? ¿Eso generaría una temperatura significativa en el punto focal?

Referencia xkcd obligatoria: what-if.xkcd.com/145
¡Obligatorio y muy frustrante, @vsz!

Respuestas (3)

No hay posibilidad de daño (¡el tamaño gigante del telescopio hace poca diferencia!), pero estas cámaras no pueden disparar a una velocidad de obturación de 1/1000 segundo, por lo que la parte iluminada de la Luna está fuera de alcance debido a la sobreexposición.

¿Pueden los grandes telescopios científicos observar la Luna?

La parte brillante probablemente sea demasiado brillante para obtener imágenes fácilmente con una cámara de campo profundo porque está diseñada para tiempos de integración de segundos a minutos.

El hardware no podrá proporcionar una exposición de 1/1000 de segundo, por lo que solo los objetos en las sombras (o el lado oscuro de la Luna) tienen la posibilidad de ser expuestos.

Cuando miro la luna llena a través de mi telescopio de 10 cm, es tan brillante que duele

Debido a la conservación de etendue (ver más abajo), la Luna tiene el mismo brillo superficial cuando se ve a través de cualquier telescopio o binocular. Es solo que es más grande y, por lo tanto, se extiende sobre un área más grande de su retina.

Es como mirar 100 Lunas llenas en el cielo, pero cada Luna no es más brillante que la que vemos ahora.

Puesto en una redacción menos que precisa pero simple, la ampliación aumenta el tamaño, pero no el brillo aparente por unidad de área de los objetos extensos.

...sin ser dañado?

No hay posibilidad de daño.

Esta respuesta a ¿Puede un telescopio aumentar la luminancia aparente de un objeto extendido? dice No y explica que esto es el resultado de la conservación de etendue

En los grandes telescopios, los planos focales también son bastante grandes.

(units: mm)                aperture focal length   f/no.
Human eye                        6         17      2.8      
Vera C. Reuben telescope     8,360     10,310      1.23

Entonces, por micra cuadrada, la imagen de la luna será ( 2.8 / 1.23 ) 2 ≈ 5 veces más brillante en el peor de los casos 1 plano focal del telescopio que en nuestra retina (visto a través de un telescopio oa simple vista), eso no dañará el silicio.

Después de todo , a menudo tomamos fotos al aire libre con el Sol en el campo de visión y eso ni siquiera derrite los revestimientos de polímero y los filtros de color en la parte superior del CCD.

1 más bajo f/núm. gran telescopio tan brillante por unidad de área en el sensor.

Plano focal LSST

Fuente

Suzanne Jacoby con el modelo a escala de matriz de plano focal LSST. El diámetro de la matriz es de 64 cm. Este mosaico proporcionará más de 3 gigapixeles por imagen. La imagen de la luna (30 minutos de arco) está presente para mostrar la escala del campo de visión.

"eso ni siquiera derrite los revestimientos de polímero y los filtros de color en la parte superior del CCD"... tal vez debido a las velocidades de obturación muy cortas, que usted ha establecido que no están disponibles para los instrumentos científicos. Ver también photo.stackexchange.com/questions/4016/…
Un enlace en la página de photo.stackexchange a la que hace referencia Eric Towers, que muestra el daño causado a los lentes de alquiler por personas que toman fotos de un eclipse solar: lensrentals.com/blog/2017/09/…
Y este video, que muestra lo fácil que es dañar una DSLR conectándola a un gran teleobjetivo apuntando al Sol (incluso con el obturador cerrado, puede destruir totalmente el sensor): youtube.com/watch?v=2TO_yZDxryQ&t =109s
¿No se puede aumentar el brillo aparente? ¿Nunca encendiste fuego con una lupa cuando eras niño?
@jamesqf la razón por la que nuestros ojos no comienzan a arder son varias; 1) nuestra retina es sustancialmente transparente; la luz se desintegra en una distancia más larga que en la hierba marrón, 2) nuestros ojos son acuosos, lo que tiene una mayor capacidad de calor que la hierba, 3) hay un material intermedio antes de la retina que, si bien es algo transparente, en realidad absorbe una cantidad significativa de luz antes de la retina (esp. IR y UV) 4) no (tratamos de no hacerlo) mirar al sol durante un período prolongado de tiempo. Probablemente hay otros.
@jamesqf más bien un comentario oblicuo, ¿por qué no expresar su duda en forma de una pregunta de Stack Exchange, tal vez aquí o en Physics SE y ver a dónde va?
Las cámaras de apuntar y disparar de @EricTowers no tienen obturadores físicos, tampoco los teléfonos celulares, ni muchas DLSR sin espejo. Ninguna de estas cámaras se daña cuando el sol entra en el encuadre durante segundos o más, de lo contrario, ¡nadie las compraría! ¡Imagine tratar de vender una cámara que no podría llevar al aire libre en un día soleado!
@PeterErwin, ¿por qué no publicar todo eso como respuesta a mi pregunta sobre Fotografía SE? ¿De esa manera los fotógrafos con experiencia en estos asuntos pueden votarlo y examinarlo?
@jamesqf h̶e̶a̶t̶ ̶c̶a̶p̶a̶c̶i̶t̶y̶ conductividad térmica y calor específico. Es por eso que necesita pasto seco para encender sus fuegos y no puede usar un árbol vivo (a menos que tenga una corteza bastante seca y delgada).
@uhoh: No, la razón por la que nuestros ojos no comienzan a arder (además de estar hechos de material húmedo y empapado) es que no tienen un área lo suficientemente grande para recolectar suficiente energía solar y concentrarla. Aumente el área sustancialmente, y puede prender fuego a casi cualquier cosa (o derretirlo/vaporizarlo): en.wikipedia.org/wiki/Odeillo_solar_furnace Y no expreso esto como una pregunta, porque NO TENGO una pregunta. Solo estaba tratando de hacerte pensar por qué tu respuesta podría ser incorrecta.
@uhoh Los enlaces que publiqué provienen de una de las respuestas (la tercera mejor clasificada) en la página de Photography SE a la que Eric Towers se vinculó. Así que ya han sido examinados.
@PeterErwin está bien, podemos fumar una hoja muy delgada de acero inoxidable anodizado negro , pero eso no es lo que es un sensor de imagen; es en su mayoría material transparente sobre silicio. La longitud de atenuación de la luz visible es de varias micras a decenas de micras en el IR cercano en comparación con probablemente nanómetros en el acero anodizado, y la conductividad térmica del silicio es mejor, y gran parte de la energía absorbida se convierte primero en portadores que se mueven y se recogen. antes de que se termalicen . Es una comparación de manzanas y manzanas de cera .
@uhoh De la publicación de blog vinculada: "El problema más común que hemos encontrado con el daño causado por el eclipse fue la destrucción de los sensores por el calor. Advertimos a todos en una publicación de blog que compraran un filtro solar para su lente, y también enviamos enviar correos electrónicos masivos y volantes que explican lo que necesita para proteger adecuadamente el equipo. Pero no todos siguen las reglas y, como resultado, tenemos bastantes sensores destruidos".
@PeterErwin está bien, pensaré en cómo hacer una nueva pregunta en algún lugar y citar esa publicación de blog, algo así como "¿cómo es que mi cámara de apuntar y disparar f / 2 iPhone 6 nunca se dañó al dispararle al Sol, pero ¿Se dañan las cámaras de otras personas? El problema de preguntar eso en Photography SE es que, a veces, la física no supera las creencias firmemente arraigadas, por lo que podría preguntar en Physics SE. Veamos primero cómo van las cosas con mi pregunta del globo ocular sobre el horno solar .
@PeterErwin Como se mencionó allí, puede tener que ver con la escala; la intensidad de una imagen f/2 en el plano focal debería ser la misma para una lente diminuta y enorme, pero para la parte de la intensidad que se termaliza, la relación circunferencia/área tiene escala; el calor se puede disipar desde los bordes de un punto de 40 micrones mucho más fácilmente que desde un punto de 2000 micrones. Creo que esa puede ser la clave de la diferencia. Las cámaras de seguridad y las cámaras del cielo pueden mirar al Sol todo el día, todos los días, durante décadas...
¡Guau! Una cámara GIGApixel es asombrosamente grande :D

Podría dañar los instrumentos, pero no puede generar una temperatura muy significativa. ¡No puede usar la óptica (espejos, lentes) para calentar algo más que la temperatura de la cosa misma! Si pudieras, estarías transfiriendo calor de algo frío a algo caliente, sin hacer ningún trabajo, y eso rompe la segunda ley de la termodinámica.

La superficie de la luna está a unos 100°C, por lo que termodinámicamente es imposible usar la luz de la luna para calentar algo por encima de esa temperatura. En la práctica, incluso con un espejo grande, no se calienta mucho. Al menos no lo suficiente como para derretir el CCD.

Sin embargo, los instrumentos no están diseñados para manejar tanta luz durante mucho tiempo. Esto podría manejarse simplemente usando exposiciones muy cortas.

Sí, ya está vinculado a él.
El argumento termodinámico solo se aplica a la temperatura del sol, no a la luna. Me doy cuenta de que Munroe dice lo contrario, pero por lo que sé, simplemente está equivocado. La temperatura de las rocas lunares depende de la luz que absorben, mientras que la luz de la luna es la luz que no absorben y no existe una conexión particular entre las dos.
Exactamente, como un experimento mental imagina un espejo gigante en el espacio en lugar de la Luna, derretiría cosas sin importar si hace frío o no. Moon es solo un espejo no muy bueno.
@JohnEye pero la parte no muy buena es importante.
@ usuario253751 ¿Por qué? Si solo el 1% de la superficie de cualquier roca refleja la luz solar, sigue siendo luz solar y todavía hace calor. Solo necesitas un telescopio más grande. Lo que no se puede hacer con un telescopio grande es enfocar la radiación de cuerpo negro de un objeto con cierta temperatura a una temperatura más alta que la que tiene el objeto. La gente debería dejar de tomar las cosas de Munroe como evangelio. Es un súper nerd, pero sigue siendo humano.
@JohnEye La segunda mitad del artículo hipotético aborda su argumento exacto. ¿Qué es incorrecto?
Creo que Munroe tiene razón cuando habla de "conservación de etendue"; Sospecho que está equivocado en el penúltimo párrafo, como sugieren benrg y JohnEye.
@Spacedog Al menos con un espejo adecuado, el argumento sería claramente incorrecto (y observo que Munroe no lo logró): mirar un espejo de cerca es como mirar el objeto propiamente dicho; el espejo es ópticamente equivalente a un panel de vidrio y el argumento sería "no se puede hacer nada más caliente que el panel de vidrio", lo que obviamente es incorrecto, como se puede demostrar con una lente detrás de una ventana. Ahora la pregunta es si esa línea de pensamiento también se aplica a la reflexión dispersa.
@Spacedog Esta respuesta afirma que mientras Munroe dice "pero, dices, ¡la Luna no es un cuerpo negro!" continúa tratándolo como tal en el resto de su argumento.
@Peter - Reincorporar a Monica: Supongamos que tenemos una gran cantidad de espejos a nuestra disposición. Digamos que cada espejo mide 1 m ^ 2 y, por lo tanto, intercepta 1 KW de radiación solar. (Estamos haciendo este experimento mental en el espacio). La energía se refleja en un punto de 1 m^2, por lo que el punto recibe 1 KW/m^2. Agregue un segundo espejo, obtiene 2 KW / m ^ 2. Aumente la cantidad de espejos a un millón, y ese punto obtendrá 1 GW/m^2, ¿no? Y (ignorando los problemas de las órbitas estables) podríamos aumentar el número hasta que estemos enfocando una gran fracción de la salida del sol en ese metro cuadrado. ¿Lo que sucede?
¿La luna no está simplemente reflejando la luz de algo que está... mucho más caliente que 100°C?

Probablemente depende de los detalles de los sensores equipados.

Supongamos que el tamaño del sensor en el área focal es de alrededor de 10 cm x 10 cm (un tamaño típico , si observa la instrumentación VLT ).

El sol es unas 400.000 veces más brillante que la luna con 1370 W/m².

Por lo tanto, la irradiación en el área focal es:

PAG = 1370 W / metro ² 400.000 ⋅ ( 39 metro 2 ) 2 ⋅ π 0.01 metro ² = 410 W / metro ²

Por lo tanto, terminamos con una intensidad de irradiación de aproximadamente 1/3 de la del sol desnudo, eso es algo que los CCD típicos aún pueden hacer frente, aunque advierto que lo haga para exposiciones prolongadas y no adjunte un objetivo para la observación visual: sería dañar tus ojos. Según las propiedades térmicas detalladas del sensor, su refrigeración y fijación pueden sufrir daños cuando algunos elementos se sobrecalientan debido a una exposición prolongada. Este es un escenario especialmente probable si los filtros se emplean con tanta frecuencia: no están diseñados para absorber mucha energía, están diseñados para situaciones de poca luz y precisión de longitud de onda.

"una intensidad de irradiación de aproximadamente 1/3 de la del sol desnudo" Cuando estoy afuera bajo el sol, mi piel se calienta ligeramente por la luz del sol, pero no veo cómo 1/3 de eso va a dañar a un CCD. Puede verificar cuánta energía disipa el circuito de lectura en el chip por metro cuadrado y ver si en realidad no es más grande. La luz en sí misma ciertamente no lo dañará.
¿Pueden los grandes telescopios científicos observar la Luna sin dañarse?
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