يعد وضع CCD في التركيز الرئيسي للتلسكوب أو المرصد طريقة رائعة للحصول على صور ممتازة ؛ تم استخدام تقنية مماثلة لأكثر من 100 عام. ولكن هل من الممكن استخدام CCD بمفرده بدون مرايا أو عدسات؟على مدى مئات السنين ، كان مبدأ استخدام التلسكوب هو أبسط أبسط: إنشاء عدسة أو مرآة لجمع كمية كبيرة من الضوء ، وتركيزها على الكاشف (العين ، لوحة التصوير ، الجهاز الإلكتروني) ، ورؤية شيء يتجاوز بكثير قدرات العين المجردة. مع مرور الوقت ، أصبحت العدسات والمرايا أكبر قطرًا وتم تصنيعها بدقة متزايدة ، ووصلت أجهزة الكشف إلى مستوى تمكنوا فيه من جمع واستخدام كل فوتون وارد. جودة الكواشف قد تجعلك تتساءل لماذا نحتاج إلى العدسات على الإطلاق! هذا ما يطلبه قارئنا:
لماذا نحتاج إلى عدسات ومرايا لإنشاء تلسكوب إذا كان لدينا مستشعرات CCD؟ لماذا ، بدلاً من صنع مرآة أو عدسة طولها 10 أمتار تركز الضوء على مستشعر صغير ، لا تصنع مستشعرًا يبلغ طوله 10 أمتار؟
السؤال صعب للغاية ، لأنه إذا كان بإمكانهم القيام بذلك ، فسيحدث ثورة.
مقارنة أحجام المرايا لمختلف المقاريب الحالية والمقترحة. عندما يبدأ التلسكوب العملاق ماجلان في العمل ، سيصبح الأكبر في العالم ، والأول في فئة التلسكوبات البصرية التي يبلغ قطرها أكثر من 25 م ؛ في وقت لاحق يجب تجاوزه بواسطة التلسكوب الأوروبي الكبير للغاية . لكن كل هذه المقاريب لها مرايا.بغض النظر عن مدى انعكاس سطحنا ، ومدى دقة طحن وتلميع العدسات الخاصة بنا ، وكيف نطبق الطلاء بشكل متساوٍ وحذر ، ومدى جودة صد الغبار وتدميره - لن تكون أي مرآة أو عدسة مثالية بصريًا بنسبة 100٪. سيتم فقد جزء معين من الضوء في كل خطوة ومع كل انعكاس. بالنظر إلى أن أكبر تصميمات التلسكوب اليوم تتطلب مرايا متعددة المراحل ، بما في ذلك ثقب كبير في المرآة الرئيسية ، مما يوفر موقعًا جيدًا لعكس الضوء ، هناك قيود متأصلة في مخطط جمع المعلومات حول الكون باستخدام المرايا والعدسات.
الهدف واضح وجميل: إزالة الخطوات غير الضرورية ، والقضاء على أي فقدان للضوء. قد تبدو هذه الفكرة بسيطة ، وبما أن أجهزة استشعار CCD أصبحت أكثر شيوعًا وأرخص ، فقد تجد تطبيقها في علم الفلك في المستقبل. لكن تحقيق مثل هذا الحلم لن يكون بسيطًا للغاية ، حيث توجد عقبات مهمة جدًا في طريقها يجب التغلب عليها من أجل الحصول على تلسكوب بدون مرايا أو عدسات. دعنا نذهب فوقهم.
أوضحت صورة عام 1887 لسديم أندروميدا لأول مرة هيكل الأذرع الحلزونية لأقرب مجرة كبيرة لدرب التبانة. إنه أبيض تمامًا نظرًا لحقيقة أن الصورة تم التقاطها بدون استخدام مرشحات - بدلاً من التقاط صورة من خلال مرشح أحمر وأخضر وأزرق ، ثم دمج هذه الألوان.1) تقوم CCDs بقياس الضوء بشكل مثالي ، لكنها لا تقوم بفرز أو تصفية الأطوال الموجية. لم تفكر في سبب صنع جميع الصور القديمة للنجوم والمجرات بالأسود والأبيض ، على الرغم من حقيقة أن النجوم والمجرات نفسها لها ألوان معينة؟ هذا لأنهم لم يجمعوا الضوء مع مرشحات منفصلة بأطوال موجية مختلفة. حتى التلسكوبات الحديثة تضع مرشحًا بين الضوء الوارد و CCD / الكاميرا بهدف الوصول إلى طول موجي محدد أو مجموعة من الأطوال الموجية ، والتقاط العديد من الصور باستخدام العديد من المرشحات ، ثم إعادة إنشاء الصورة بألوان حقيقية أو خاطئة.
مجرة أندروميدا (M31) ، مأخوذة من التلسكوب الأرضي من خلال عدة فلاتر ، وبعد ذلك تم إنشاء صورة ملونة من هذه الصوريمكن تجنب ذلك عن طريق إنشاء مجموعة كاملة من المرشحات لكل عنصر CCD فردي ، ولكن التصميم سيكون مرهقًا ومكلفًا ويتطلب وضع هذه المرشحات في مكان ما خلف عناصر CCD ، نظرًا لأنه من الضروري الحفاظ على اكتمال منطقة جمع الضوء ، والتي عادة ما تشغل مرآة أو عدسات تنظر إلى السماء. هذه ليست عقبة لا يمكن التغلب عليها ، ولكن في الوقت الحاضر ليس لدينا حلول لهذه المشكلة.
تعتبر CCDs ذات المساحة الكبيرة مفيدة للغاية لجمع واكتشاف الضوء ، ولزيادة فوائد كل فوتون وارد. ولكن بدون مرآة أو عدسات تركز الضوء مسبقًا ، لن تتمكن الطبيعة الشاملة للاتجاه CCD من إنتاج صورة ذات معنى للجسم المرصود2) لا تقيس CCD اتجاه الضوء الوارد. للحصول على صور ذات معنى تسير بشكل جيد مع التلسكوبات ، يحتاجون إلى قياس ليس فقط شدة الضوء القادم وطوله الموجي ، ولكن أيضًا اتجاهه. تتمتع العدسات والمرايا بخاصية رائعة - الضوء القادم من مصدر بعيد للغاية ، متعامد على مستوى المرآة ، يركز بطريقة تجعله يدخل الكاميرا / لوحة التصوير الفوتوغرافي / CCD ، والضوء من الاتجاهات الأخرى لا يصل إلى هناك بسبب الانعكاسات والانكسارات. بالنسبة لـ CCD منفصل ، هذا ليس كذلك: فهو يسجل الضوء من أي اتجاه. إذا لم تقم بإدخال الأشعة في شعاع ، فلا تركز الضوء مقدمًا ، فسترى فقط سماء بيضاء ساطعة في جميع الاتجاهات - لن يتم حفظ أي معلومات حول اتجاه الضوء هناك.
مخطط تشغيل معدات التلسكوب الشمسي McMas-Pierce ، وهو تلسكوب له أطول نفق بصري في العالم. حتى أنه يحتاج في النهاية إلى مرآة للحصول على صور عالية الجودة.قد تعتقد أن حل هذه المشكلة هو بناء أنبوب طويل وغير شفاف للغاية متعامد على مستوى مصفوفة CCD ، ولكن هذه أيضًا مشكلة: بدون عدسات ومرآة ، فإن ضوء كل شيء موجود في مجال الرؤية سيسقط على كل بكسل من المصفوفة. حتى أطول عمود تم بناؤه لهذا الغرض على الإطلاق ، التلسكوب الشمسي ماكماس-بيرس [طول العمود 220 م / تقريبًا. ترانس.] ، ما زلت بحاجة إلى مرآة أو عدسات لتركيز الضوء. هذه هي أكبر مشكلة في استخدام مصفوفة CCD وحدها لقياس الضوء ، والسبب الرئيسي وراء حاجتك إلى تجهيزها بمرآة أو عدسة.
تظهر الصورة التي تم التقاطها في مصنع Astrium في تولوز مجموعة من 106 CCDs التي تشكل المستوى البؤري لتلسكوب Gaia الفضائي. يتم تثبيت CCDs في هيكلها الداعم (CSS). تزن CSS (لوحة رمادية لـ CCD) حوالي 20 كجم وهي مصنوعة من كربيد السيليكون (SiC) ، وهي مادة ذات استقرار حراري وميكانيكي ممتاز. ابعاد الطائرة: 1 × 0.5 م3) CCDs باهظة الثمن بالنسبة لهم لتغطية دائرة بقطر 10 أمتار. CCDs وحدها مكلفة. CCD متقدم بدقة 12 ميجابكسل ، مع بكسل (وعدسات صغيرة تغطيها) يبلغ
حجمها 3.1 ميكرون ،
وتباع بسعر 3700 دولار . لتغطية مساحة تعادل المرآة التي يبلغ طولها 10 أمتار ، ستكون هناك حاجة إلى 700000 مصفوفة: تقترب هذه التكلفة من 3 مليارات دولار غير مقبولة. للمقارنة ، التلسكوب الأوروبي الكبير للغاية مع المرآة الرئيسية التي يبلغ قطرها 39 مترًا مع جميع المرصد والمعدات
يقدر بـ 1.083 مليون يورو - أقل من نصف المبلغ الأول.
يوضح الرسم البياني أحدث نظام من خمس مرايا للتلسكوب الأوروبي الكبير للغاية. قبل الوصول إلى الأجهزة العلمية ، ينعكس الضوء أولاً من المرآة العملاقة المقعرة المركبة التي يبلغ قطرها 39 م (M1) ، ثم ينعكس من مرآتين بطول 4 أمتار ، محدبة (M2) ومقعر (M3). تشكل المرآتان الأخيرتان (M4 و M5) النظام البصري التكيفي المدمج للحصول على صور واضحة للغاية على المستوى البؤري النهائي.سيكون مقدار الضوء الإضافي الذي يدخل إلى CCD بدون مرايا ضئيلًا ، لأنه في كل انعكاس نفقد حوالي 5-10 ٪ من الضوء ، ولكن في نفس الوقت بالتبديل من قطر 10 أمتار إلى 39 مترًا للمرآة ، نزيد كمية الضوء بنسبة 1500 ٪ ( ألف وخمسمائة بالمائة)! ببساطة ، يمكنك إنفاق المال بشكل أفضل إذا كان هدفك هو جمع المزيد من الضوء وزيادة الدقة.
على الأرض ، لا تمثل التلسكوبات الكبيرة والضخمة مشكلة طالما ظل شكل المرايا مثاليًا لعكس الضوء. ولكن في الفضاء ، يتم تحديد تكلفة الإطلاق حسب الحجم والوزن ، لذا فإن كل توفير صغير يستحق الكثير4) إذا كنت تريد توفير الوزن ، فهناك حل أفضل. كان من الصعب للغاية إطلاق تلسكوب هابل الفضائي ونشره ، ليس فقط بسبب حجمه ، ولكن أيضًا بسبب وزنه. كانت شدة المرآة الرئيسية واحدة من أكبر العقبات التي واجهت المهمة. ولكن في
تلسكوب جيمس ويب ، ستكون مساحة تجميع الضوء أكبر سبع مرات من مساحة هابل ، وستزن أقل من نصف سلفه الأكبر. ما السر؟ قم بصب المرآة ، وشكلها ، وتلميعها - ثم
حفر المادة من الخلف .
تركيب الجزء الأخير الثامن عشر من المرآة الرئيسية لتلسكوب جيمس ويب. الأغطية الداكنة تحمي الأجزاء الذهبية من المرايا ، في حين تمت إزالة 92٪ من المواد الأصلية من الخلف.في الفضاء ، ليست هناك حاجة لمحاربة الجاذبية ، لذلك لا يلزم قوة هيكلية خاصة لدعم التلسكوب. بعد تصنيع كل جزء من 18 جزءًا من تلسكوب جيمس ويب ، تم حفر 92٪ من الكتلة الأصلية من الجانب العكسي للتلسكوب - مما ساعد في الحفاظ على شكل مقدمة المرآة وتوفير الوزن بشكل كبير.
التصميمات الداخلية والمرآة الرئيسية لتليسكوب جراند كناري ، صاحب أكبر مرآة في العالم (10.4 م)هناك العديد من الأسباب التي تجعل من الممكن بناء تلسكوب بدون عدسات أو مرايا - التحسين حسب الوزن والتكلفة والمواد وقوة جمع الضوء وجودة الصورة والدقة ، على أي حال ، يتطلب بعض التنازلات. لكن حقيقة أن CCDs وحدها لا تستطيع قياس اتجاه الضوء الوارد هي مشكلة كبيرة لإنشاء تلسكوب بدون مرآة. على الرغم من أن كل سطح مرآة ينعكس منه الضوء يؤدي إلى فقده الجزئي ، إلا أن المرايا تظل أفضل طريقة للحصول على صور للكون بدقة عالية وجودة ممتازة ، مع مجموعة كبيرة من الضوء وتكلفة منخفضة نسبيًا. إذا كانت تكلفة CCD ستنخفض ، إذا كان من الممكن بناء صرير بحجم مرآة التلسكوب ، وسيكون من الممكن أيضًا قياس اتجاه الضوء الوارد في الوقت الحقيقي ، فسيكون من الممكن التحدث عن شيء ما. ولكن حتى الآن لا يتوقع استبدال العلوم البصرية. بعد أكثر من 300 عام من النشر الأول لأطروحة ثورية عن طبيعة الضوء ، فإن قواعد نيوتن عند إنشاء تلسكوبات فردية لم يتم هزيمتها بعد!
إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].الأسئلة الشائعة: إذا كان الكون يتوسع ، فلماذا لا نتوسع ؟ لماذا لا يتزامن عمر الكون مع نصف قطر الجزء الملاحظ