¿Se pueden reemplazar los espejos con CCD?

El CCD no tiene forma de registrar la dirección , el punto en el cielo, de donde viene un fotón.

Digamos que apunta su telescopio sin espejo a la Luna. Cada punto en la superficie de la luna estaría reflejando fotones en cada parte del CCD al mismo tiempo.

Acaba de crear un medidor de luz ambiental costoso y sensible. No habría información de imagen alguna.

Para responder a su pregunta, primero debemos mostrar el trabajo que está haciendo cada espejo.

En primer lugar, el newtoniano (llamado cariñosamente "Tritón", e inventado por Sir Ike Newton):

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Reflecting_telescope#/media/File%3ANewtonian_telescope2.svg

Dos espejos en este diseño, no sorprendentemente etiquetados como primario y secundario.

El trabajo del espejo primario NO es simplemente reflejar la luz, sino concentrar los fotones difusos en un punto mucho más pequeño. Esto hace que los objetos realmente tenues sean más brillantes y es el primer paso en la ampliación. (El ocular, que es similar a un pequeño telescopio refractor, realiza un mayor aumento).

En el caso de Newt, el espejo secundario refleja los fotones ahora concentrados a un punto más conveniente para verlos. Sin el espejo secundario, su cabeza se interpondría en el camino de la vista. No es necesario un espejo secundario y, de hecho, muchos telescopios colocarán instrumentos, como CCD, en este punto de "enfoque principal".

En el caso del Telescopio Espacial Hubble, el espejo secundario refleja los fotones concentrados hacia los instrumentos del telescopio, donde pueden hacer su magia.

En todos los diseños de telescopios reflectores, el espejo primario utiliza las leyes de la física para brindar al usuario final, ya sea el ojo humano o un equipo de investigación, tantos fotones concentrados como sea posible, maximizando lo que podemos ver/detectar. Cuanto más grande es el espejo primario, más concentrados son los fotones y más tenemos para trabajar.

Cuando se trata de ver lo que llamamos "los tontos borrosos", ¡más grande ES mejor!

Dado que ni la palabra "fase" ni "interferencia" se mencionan en ninguna otra respuesta aquí, lo abordaré desde esa dirección.

En esta respuesta dije

En un telescopio óptico de imágenes (o cualquier sistema de imágenes, incluidos los ojos), cada píxel se ilumina de manera simultánea y directa por todas las áreas de la apertura. Desde un punto dado en la distancia, un telescopio (intentará) preservar la fase de todos los caminos que llegan al píxel para que la intensidad resultante corresponda a la potencia entrante. Esto permite que el sistema obtenga la mejor resolución.

Lo que eso significa es que los espejos curvos de un telescopio reflector están diseñados para que todos los caminos desde un objeto distante en una dirección determinada alcancen un píxel en fase . Los caminos desde cualquier otro punto del cielo alcanzan el píxel completamente fuera de fase y se cancelan a cero. Es por eso que cada píxel corresponde a una dirección determinada.

Sin esos espejos curvos, no puede hacer una imagen porque los píxeles del CCD convierten la información de la onda solo en intensidad y pierden toda la información de fase. Sin ninguna información sobre la fase, no hay forma de combinar las señales en cada píxel para reconstruir la onda incidente.

Las matrices de radiotelescopios se pueden considerar como sus píxeles, pero esas señales se digitalizan en un flujo de bits que mantiene la información de fase. La computadora correladora toma todas esas fases y reconstruye la imagen. Si cada plato en la matriz estuviera equipado con un bolómetro en lugar de un amplificador de RF y un convertidor de banda base, la información de fase se perdería y no importaría cuán grande sea su línea base, no tendría interferencia.

Si acaba de colocar un CCD en una habitación, cada píxel registrará fotones desde todas las direcciones. Con esto, podrá registrar la cantidad de luz ambiental, pero no obtendrá una imagen de la habitación.

Ahora bien, si desea tener una imagen, para cada píxel, todos los fotones deben provenir de la misma dirección. Y para cada dirección, todos los fotones que vienen de esa dirección tienen que caer en el mismo píxel. Para que eso suceda, puedes usar una cámara oscura .

Pero si solo usa los fotones que provienen de una dirección para cada píxel, no recolectará mucha luz, por lo que su imagen será bastante oscura. Esto está bien si está tomando una foto de un paisaje soleado, pero si quiere tomar una foto de estrellas, debe recolectar toda la luz que pueda obtener.

¡Aquí es donde entra el telescopio! Un telescopio recolectará todos los fotones de todas las direcciones y los reflejará de tal manera que todos los fotones provenientes de una determinada dirección terminarán en el mismo píxel. De esta manera, puede tener una imagen que no sea ni borrosa ni oscura.

De hecho, encontré un concepto de telescopio 2D fácil de escalar hace algún tiempo ( aquí está el enlace ). Supongo que poco a poco iremos abandonando los telescopios refractores, porque, según tengo entendido, los estamos llevando al límite en este momento y se está volviendo muy difícil hacer uno más grande (debido a lo difícil que es hacer un espejo del tamaño suficiente de la calidad necesaria). PERO vale la pena señalar que no soy un experto de ninguna manera, por lo que sugiero que alguien, que sepa más sobre el tema, edite esta respuesta.

EDITAR: Hay un punto realmente bueno en la respuesta de DJohnM, así que pensé en agregar que lo que vinculé aquí (SPIDER) no es solo una gran matriz 2D de CCD; en realidad tiene una lente diminuta sobre cada uno de los detectores y cada uno de ellos mide la luz en un montón de longitudes de onda diferentes, por lo que puede conservar información sobre la dirección y la longitud de onda de la luz. Entonces, la respuesta a la pregunta inicial es no, no podemos simplemente construir una matriz CCD en lugar de un telescopio de tamaño completo, pero la idea de hacer telescopios escalables en dos dimensiones en lugar de tres parece ser buena y hay personas trabajando en ello. eso.

La señal electromagnética de un objeto distante que llega a su telescopio (oa su ojo) es una transformada de Fourier de la imagen de este objeto. No la imagen en sí [ref. Difracción en campo lejano en cualquier libro de óptica]. La óptica en el telescopio (o la lente en su ojo) está realizando la transformada inversa de Fourier para que pueda obtener la imagen nuevamente. Después de este paso, se colocan los CCD.

Sí. Puedes poner detectores para registrar la transformada de Fourier y luego invertirla en una computadora. Para esto necesitas registrar la amplitud y la fase de la señal. Así es como funciona la interferometría de larga distancia, también conocida como VLBI, Event Horizon Telescope y otros. Pero usan detectores especiales, no CCD ordinarios.

Lo que propones podría funcionar. Sin embargo, aún necesitarías lentes. Lo que podría hacer es cubrir la matriz CCD con una máscara que tiene pequeños agujeros. Básicamente, esto permitiría que los elementos CCD se vean afectados por el "efecto estenopeico", facilitando así una lente.

El problema con eso es que perdería algo de luz cuando los fotones golpeen las áreas no transmisivas de la máscara estenopeica. Y finalmente, el mayor inconveniente sería la pérdida de resolución por el tamaño de la matriz CCD frente a un sistema analógico basado en lentes.

Si pudiéramos crear matrices CCD superconductoras, sería mucho más eficiente que cualquier cosa que tengamos ahora disponible para el público. Especialmente cuando se trata de captación de luz, sin embargo, todavía no es 100% perfecto si se tienen en cuenta las limitaciones de resolución.

El día en que podamos hacer elementos CCD millones de veces más pequeños que los que tenemos ahora. Entonces su idea probablemente funcionará hasta cierto punto. Aunque estoy seguro de que los diseñadores de dicha tecnología futura ya lo han pensado antes que usted.

Creo que para cuando eso suceda, tendremos una tecnología mucho más superior. Como crear un campo de energía utilizando el efecto de condensación de Bose-Einstein que puede suspender fotones en un campo. Esto nos permitiría analizar los fotones entrantes suspendidos en una matriz y escanear la imagen a la resolución de un fotón.

La NASA ya ha probado la teoría del condensado de Bose-Einstein, por lo que no tardará mucho. Con ese tipo de resolución, podríamos observar algo tan pequeño como una mosca limpiándose en la superficie de Marte en alta definición. El efecto de condensación de Bose-Einstein básicamente hace que la materia cuántica actúe como si fueran fotones/ondas, mientras que el universo se comporta relativamente como un superconductor.

En otras palabras, como los electrones pueden viajar súper rápido a través de un superconductor, la materia afectada por el efecto Bose-Einstein permanece casi inmóvil en relación con el Universo, mientras que el Universo viaja relativamente súper rápido alrededor de la materia cuántica afectada por el campo de condensado Bose-Einstein. .