Reformateando las Estrellas de la Muerte como poderosos telescopios

Trataré de responder esto lo mejor que pueda, pero puede que no sea tan bueno como usted está buscando, ¡porque esta es una pregunta muy difícil de responder! Pero le daré una oportunidad. Si es confuso, poco claro o mal organizado de alguna manera, házmelo saber y lo volveré a trabajar.

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Problemas orbitales

Bien, entonces tienes Estrellas de la Muerte en el$L_4$y$L_5$puntos de la órbita de Neptuno. Excelentes opciones, porque estos puntos, a diferencia de los otros puntos de Lagrange, son extremadamente estables. No tendrá que hacer demasiado mantenimiento de posición u otras maniobras para mantener estos telescopios donde los quiere. Bueno, cerca de donde los quieres.

Un cálculo rápido muestra que estos telescopios son$2 \sqrt{3}$veces el eje semi-mayor de Neptuno lejos el uno del otro - un mero$1.56 \times 10^{18}$metros Eso es 100 veces más lejos que la Tierra del Sol, sin tener en cuenta la excentricidad orbital de Neptuno de aproximadamente 0,008 (muy pequeña, afortunadamente para nosotros, pero algo a tener en cuenta de todos modos). La excentricidad, combinada con la distancia, nos da un pequeño problema.

¿Por qué? Porque no hay manera de que podamos mantener estas cosas alineadas. Coloque dos pequeñas bolas en la órbita terrestre, exactamente a la misma altura, con una excentricidad orbital de 0, pero separadas 120 grados entre sí. Estadísticamente, va a haber algo de bamboleo. Ahora multiplique esa distancia por un número increíble, multiplique el tamaño de esas bolas por un factor enorme y considere que incluso si se quedan donde se supone que deben estar, la excentricidad orbital garantiza que la distancia entre ellas cambiará en el transcurso de uno. orbita.

La distancia plantea otro problema: el tiempo. Con distancias tan grandes entre los "ojos", la luz los alcanzará en momentos drásticamente diferentes. La luz tarda 8 minutos en llegar a la Tierra desde el Sol. La señal de un telescopio tardaría horas en llegar al otro, por lo que las mediciones tendrían que estar perfectamente sincronizadas.

¿La solución para los otros problemas? Inexistente. No hay forma de que podamos eliminar todos estos factores problemáticos. Sin embargo, podemos intentar eliminarlos. La mejor solución podría ser colocar pequeños propulsores en todos los lados de cada Estrella de la Muerte, en lugares que no se usan para los espejos primarios. Eso ayudará un poco. Otra posible solución sería hacer que cada Estrella de la Muerte opere de forma independiente, esencialmente diciendo "coordinación de tornillo", y usar computadoras para compensar y alinear automáticamente las imágenes de los diferentes telescopios. Eso podría ayudar, aunque la cantidad de datos que tendría que procesar sería monumental.

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Problemas de construcción

Voy a ignorar por el momento el problema de que construir una megaestructura como la Estrella de la Muerte está mucho más allá de nuestra capacidad tecnológica, tanto ahora como en el futuro cercano. Tenemos que descartar toda la premisa si no aceptamos que la humanidad se ha superado a sí misma y ha descubierto cómo construir algo como esto.

Sin embargo, hay un problema, y ​​son los espejos utilizados en cada telescopio. Mire esta imagen de los telescopios ópticos más grandes que existen (y no, los telescopios que usan otras longitudes de onda no son necesariamente más grandes, excepto los radiotelescopios). ¿Ves el amarillo?

Lo sé, la imagen es pequeña, por lo que los subtítulos no son fácilmente visibles, pero el enlace debería ayudar. De todos modos, el amarillo es el Gran Telescopio Canarias , y es el telescopio óptico más grande del mundo. A tan solo 10,4 metros.

Sí, hay cosas más grandes en la imagen. El Telescopio de Treinta Metros, el Telescopio Europeo Extremadamente Grande y el Telescopio Gigante de Magallanes todavía están planeados. . . pero no estará listo hasta principios de la década de 2020. El gran contorno pálido es el del Telescopio Abrumadoramente Grande creativamente llamado - cancelado. Y la gran cosa blanca es el Observatorio de Arecibo , que, si bien, en mi opinión, es una de las hazañas de ingeniería más extraordinarias de la humanidad, solo puede detectar ondas de radio.

De todos modos, hay un problema bastante grande, que es que hay un límite en el tamaño de los espejos. Observe cómo todos los telescopios grandes en realidad están compuestos por espejos más pequeños. Los espejos completos de ese tamaño simplemente no pueden soportar su propio peso y aún así no tienen rayones y tienen la forma deseada (parabólicos). Ahora, el más grande de estos telescopios aún en proceso, el European Extremely Large Telescope , irónicamente planeado para su construcción en Chile, tiene 39,3 metros de ancho y estará compuesto por 789 segmentos hexagonales. Un telescopio de su escala requeriría cientos de miles de veces esa cantidad, porque el número no aumenta linealmente. Hay avances en espejos más grandes, pero aún necesitarías muchos espejos de 20 metros de ancho para crear solo un telescopio de 160 metros de ancho.

es posible? Sí. ¿Factible? No. Operable? Probablemente no. Cada segmento del espejo necesita actuadores que lo ayuden a ajustarse para hacer cambios minúsculos, corrigiendo varios efectos. El sistema de actuador para un espejo tan grande sería enorme, y dudo que pueda tomar muchas imágenes con éxito sin que surja algún problema con un segmento o dos, o tal vez cien o doscientos. Los sistemas complejos siempre son susceptibles al desastre.

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Propiedades del telescopio

Neil Slater señaló en un comentario:

Hay tres problemas básicos que limitan lo que puede ver: resolución angular, área de recolección de luz y absorción/dispersión de radiación entre usted y el objetivo. Una buena respuesta necesita considerar los tres.

Tal vez esta no sea una respuesta tan buena como le gustaría a Neil, pero intentaré obtener las tres.

• Resolución angular: La resolución angular$\theta$de un telescopio es

  $$\theta=1.220 \frac{\lambda}{D}$$ dónde$\lambda$es la longitud de onda de la luz y$D$es el diámetro de la apertura, que aquí nos aproximaremos al mismo tamaño que el espejo: 160 000 metros de ancho. Las longitudes de onda del espectro visible van desde$3.90 \times 10^{-7}$a$7.00 \times 10^{-7}$. Tomaré una longitud de onda media de$5.45 \times 10^{-7}$metros, lo que nos da una resolución angular media de $$\theta = 1.220 \frac{5.45 \times 10^{-7}}{1.60 \times 10^5}=6.649 \times 10^{-12} \text{ radians}$$ Eso es muy, muy bueno. Lo más pequeño que se puede distinguir tiene un tamaño de la fórmula anterior multiplicado por la distancia al objeto. No podemos usar la siguiente fórmula dada en Wikipedia, porque es para un microscopio. Sin embargo, podemos ver si detectaría a un humano en la Tierra.

  Digamos que la Tierra y Neptuno están en su distancia más cercana:$4.35 \times 10^{14}$metros Ponga eso en la fórmula, y encontramos que el objeto más pequeño que una de estas cosas podría detectar es

  $$l=6.694 \times 10^{-12} \times 4.35 \times 10^{14}=2900 \text{ meters}$$ Oh bien. Nosotros tratamos. Eso responde a las preguntas de ver seres vivos en cualquier lugar cercano.

• Área de recolección de luz: Cometí un error antes. ¿Puedes ver lo que es? Bueno, lo señalaré: supuse que el telescopio podría usar un área de radio de 80,000 metros para recolectar luz. Esto puede ser una falacia, aunque no enorme.

  Hay tres tipos principales de telescopios ópticos (como seguro que ya sabes): reflectores , refractores y catadióptricos . Este último utiliza ambas técnicas; para nuestro propósito, es un poco demasiado complicado. Un telescopio reflector se ve así :

Un telescopio refractor se ve así :

¿La cuestión? Ambos son largos y cilíndricos; la mayoría de las veces, son más grandes que anchos. Si tienes un cilindro con un diámetro similar al de la Estrella de la Muerte, terminará siendo mucho más grande que la Estrella de la Muerte. Entonces, en realidad, nos quedamos con un telescopio mucho más pequeño. Pero creo que podemos ignorar ese error.

MarchHo sugirió colocar un espejo reflectante en el punto focal del telescopio, como suele verse en los radiotelescopios. Ciertamente es factible, y significaría que el telescopio podría ser mucho más pequeño, esencialmente un espejo parabólico flotando en el espacio (ahora que lo pienso, la depresión en la Estrella de la Muerte desde donde sale el láser tiene una forma muy parecida). Sin duda, es una opción que resolvería los problemas presentados anteriormente.

De todos modos, podemos usar la figura de$D=160,000$metros para nuestros cálculos. Bien podríamos ser optimistas. El área de recolección de un telescopio depende en gran medida de su espejo primario. Podemos comparar dos telescopios , diciendo que el telescopio$A$recoge una cierta cantidad de luz en comparación con$B$, dada por

$$\frac{\pi R_A^2}{\pi R_B^2}$$ Tome el Telescopio Espacial James Webb . Su espejo tiene 6,5 metros de diámetro. Esto significa que nuestro telescopio tiene un área de recolección $$\frac{\pi 80,000^2}{\pi 3.25^2}=6.05917 \times 10^8$$ veces la del Telescopio Espacial James Webb. ¿Significa eso que su resolución angular es muchas veces menor? No, porque la resolución angular escala linealmente con el diámetro, mientras que esta comparación es una escala cuadrática. Pero la diferencia sigue siendo extremadamente impresionante.

• Absorción/Dispersión de radiación: no estoy del todo seguro de lo que Neil quiso decir con esto. Podría estar refiriéndose a la extinción interestelar , que puede dañar las habilidades de un telescopio. La fórmula para la extinción debido al hidrógeno (neutro) es $$\frac{N_H}{A(V)}=1.8 \times 10^{21} \text{ atoms cm}^{-2} \text{ magnitude}^{-1}$$ dónde$N_H$es la densidad de columna de hidrógeno y$A(V)$es la extinción, en magnitudes. El telescopio no juega ningún papel en esta fórmula, pero la distancia a la que mira sí lo hace, por lo que cuando se mira a través de espesas nubes de polvo interestelar, la visión del telescopio se ve gravemente obstaculizada.

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Los efectos de dos ojos.

Construir un telescopio de la Estrella de la Muerte es una cosa. Construir dos , y operarlos juntos, como una unidad cohesiva, es otra. Mencioné algunos de los desafíos antes (quizás fue un error de mi parte usar la palabra "beneficios" antes), así que ahora entraré en más detalles.

• Coordinación: Anteriormente dije que sería casi imposible mantener estable uno de los telescopios. Mantengo esto, aunque dijiste que el "bamboleo" es predecible y puede compensarse. Quizás tengas razón en este caso, porque aunque tenemos que tener en cuenta todos los cuerpos cercanos para modificar el movimiento de los telescopios, eso es posible. Si puede calcular correctamente las predicciones, debería poder alinearlas.

  Eso no es lo que me preocupa, sin embargo. Me preocupan los movimientos de menos de un metro y las rotaciones de una pequeña fracción de segundo de arco. ¿Por qué? Porque el tamaño del telescopio, y las grandes distancias que mide, multiplican todos y cada uno de los movimientos. Recuerde desde arriba cómo se trata la resolución angular$6.649 \times 10^{12}$radianes, y ¿cómo sobre el espacio de 30 UA que puede cubrir casi 3 kilómetros? Bueno, si quieres mirar en un lugar muy específico y giras uno de ellos en un ángulo pequeño como ese, la imagen estará apagada.

  Sin embargo, está bien, porque puedes compensar un poco y el objetivo no tiene que estar en el punto muerto. Pero intentar esto con dos telescopios es más complicado. Claro, puede intentar ajustar las oscilaciones por computadora. Pero averiguar cómo están alineados los telescopios entre sí es muy complicado y requeriría muchas mediciones. ¿Posible? Sí. Seguramente. Pero no fácil.

• Comunicación: La luz tarda 8 minutos en viajar 1 UA. Estos telescopios están 100 veces más separados, lo que significa que un mensaje tarda más de un día en viajar de uno a otro y de regreso. Eso significa que la comunicación entre los dos no será tan rápida como te gustaría. Los ingenieros de la NASA lamentan este retraso cuando se comunican con los rovers en Marte, que, en comparación, no está tan lejos. Pero 30 AU es una gran barrera para escalar, y puede plantear graves desafíos tecnológicos.

• Mantenimiento: Ha habido 5 misiones de servicio al Telescopio Espacial Hubble para corregir pequeños errores que podrían haber hecho que algunas partes no valieran la pena. Un viaje hasta la órbita terrestre, durante la era del transbordador espacial, no era demasiado difícil y las reparaciones podían incluirse en una misión regular. Este escenario es más difícil.

  ¿Te importaría viajar 30 AU para arreglar un pequeño espejo roto? Yo no lo haría, y tampoco quienquiera que esté dirigiendo toda esta operación (¡supongo que eres tú!). Un viaje a Marte puede durar 9 meses; un viaje a Neptuno llevaría mucho más tiempo. Así que cada telescopio tiene que ser completamente autosuficiente. Esto significa que efectivamente tenemos que hacer de cada uno una estación espacial. No quiero entrar en todos esos detalles; ¡Estoy seguro de que conoces los obstáculos necesarios allí!

  Y por cierto, sí, consideré un telescopio completamente automatizado. Pero con los problemas de comunicación, sería mejor tener humanos allí en todo momento. Después de todo, incluso uno de los dos telescopios sería el sueño de un astrónomo: no tienen que usarse juntos.

Usé el término "beneficios" en mi marcador de posición. Hasta ahora, todo lo que he hecho es enumerar los desafíos y problemas, como suelo hacer en mis respuestas. Así que terminaré con una nota positiva, no muy grande, pero no obstante.

¿Alguna vez has visto una película en 3D? Es realmente bastante sorprendente, aunque no soy un gran admirador porque a veces los encuentro desorientadores. Pero la tecnología en los últimos años es asombrosa y ha dado lugar a enormes avances, entre otras cosas, en la realidad virtual, que recientemente ha experimentado su propio auge.

Muchas películas en 3D funcionan mostrando dos versiones ligeramente desplazadas de imágenes similares, creando una ilusión de profundidad. Nuestra percepción de la profundidad se debe en parte al hecho de que nuestros ojos están desplazados, ¡igual que estos telescopios! ¿Qué significa esto? Podríamos ser más capaces de determinar qué tan lejos está algo, lo cual sería increíble. ¿Sería esto muy efectivo para estrellas y galaxias lejanas? No necesariamente. Parallax puede seguir siendo nuestro amigo en los próximos años. Pero para los objetos más cercanos a los telescopios, podríamos medir su ubicación con mayor precisión. ¡Y con estos telescopios tan separados, podrían mejorar nuestras mediciones de paralaje!