Das Platzieren eines CCD im Hauptfokus eines Teleskops oder Observatoriums ist eine großartige Möglichkeit, um hervorragende Bilder zu erhalten. Eine ähnliche Technologie wird seit über 100 Jahren eingesetzt. Aber ist es möglich, ein CCD alleine ohne Spiegel oder Linsen zu verwenden?Für Hunderte von Jahren war das Prinzip der Verwendung eines Teleskops das einfachste der einfachsten: eine Linse oder einen Spiegel zu erstellen, um eine große Menge Licht zu sammeln, es auf den Detektor (Auge, Fotoplatte, elektronisches Gerät) zu fokussieren und etwas zu sehen, das weit über die Möglichkeiten des bloßen Auges hinausgeht. Im Laufe der Zeit wurden Linsen und Spiegel im Durchmesser größer und mit zunehmender Genauigkeit hergestellt, und die Detektoren erreichten ein Niveau, bei dem sie jedes einfallende Photon sammeln und verwenden konnten. Die Qualität der Detektoren lässt Sie vielleicht fragen, warum wir überhaupt Objektive brauchen! Dies ist, was unser Leser fragt:
Warum brauchen wir Linsen und Spiegel, um ein Teleskop herzustellen, wenn wir CCD-Sensoren haben? Warum sollten Sie keinen 10-Meter-Sensor herstellen, anstatt einen 10-Meter-Spiegel oder eine Linse herzustellen, die das Licht auf einen kleinen Sensor fokussiert?
Die Frage ist sehr knifflig, denn wenn sie dies tun könnten, würde es revolutionieren.
Vergleich der Spiegelgrößen verschiedener bestehender und vorgeschlagener Teleskope. Wenn das Riesen-Magellan-Teleskop seine Arbeit aufnimmt , wird es das größte der Welt und das erste in der Klasse der optischen Teleskope mit einem Durchmesser von mehr als 25 m. anschließend muss es vom europäischen extrem großen Teleskop übertroffen werden. Aber alle diese Teleskope haben Spiegel.Es spielt keine Rolle, wie gut unsere Oberfläche reflektiert, wie genau wir unsere Linsen schleifen und polieren, wie gleichmäßig und sorgfältig wir die Beschichtung auftragen und wie gut wir Staub abstoßen und zerstören - kein Spiegel oder keine Linse wird jemals zu 100% optisch perfekt sein. Bei jedem Schritt und bei jeder Reflexion geht ein bestimmter Teil des Lichts verloren. Angesichts der Tatsache, dass die größten Teleskopkonstruktionen von heute mehrstufige Spiegel erfordern, einschließlich eines großen Lochs im Hauptspiegel, das einen guten Ort für die Reflexion von Licht bietet, unterliegt das Schema für das Sammeln von Informationen über das Universum mithilfe von Spiegeln und Linsen inhärenten Einschränkungen.
Das Ziel ist klar und schön: Entfernen Sie unnötige Schritte, beseitigen Sie jeglichen Lichtverlust. Diese Idee mag einfach erscheinen, und da CCD-Sensoren immer häufiger und billiger werden, findet sie möglicherweise Anwendung in der Astronomie der Zukunft. Die Verwirklichung eines solchen Traums wird jedoch nicht sehr einfach sein, da auf seinem Weg sehr wichtige Hindernisse überwunden werden müssen, um ein Teleskop ohne Spiegel oder Linsen zu erhalten. Gehen wir sie durch.
Das Bild des Andromeda-Nebels von 1887 zeigte erstmals die Struktur der Spiralarme der der Milchstraße am nächsten gelegenen großen Galaxie. Es ist vollständig weiß, da das Foto ohne Filter aufgenommen wurde - anstatt ein Foto durch einen Rot-, Grün- und Blaufilter aufzunehmen und diese Farben dann zu kombinieren.1) CCDs messen das Licht perfekt, sortieren oder filtern jedoch keine Wellenlängen. Sie haben nicht darüber nachgedacht, warum alle alten Fotos von Sternen und Galaxien in Schwarzweiß aufgenommen wurden, obwohl die Sterne und Galaxien selbst bestimmte Farben haben? Dies liegt daran, dass sie kein Licht mit separaten Filtern bei verschiedenen Wellenlängen sammelten. Selbst moderne Teleskope platzieren einen Filter zwischen dem einfallenden Licht und dem CCD / der Kamera, um auf eine bestimmte Wellenlänge oder einen Satz von Wellenlängen zu zielen, mehrere Bilder mit mehreren Filtern aufzunehmen und das Bild dann in echten oder falschen Farben neu zu erstellen.
Andromeda Galaxy (M31), vom Bodenteleskop durch mehrere Filter aufgenommen, wonach aus diesen Fotos ein Farbporträt erstellt wurdeDies kann vermieden werden, indem für jedes einzelne CCD-Element ein vollständiger Satz von Filtern erstellt wird. Das Design ist jedoch umständlich, teuer und erfordert, dass sich diese Filter irgendwo hinter den CCD-Elementen befinden, da die Vollständigkeit des Lichtsammelbereichs erhalten bleiben muss, der normalerweise einen Spiegel einnimmt oder Linsen, die in den Himmel schauen. Dies ist kein unüberwindbares Hindernis, aber derzeit haben wir keine Lösungen für dieses Problem.
Großflächige CCDs sind äußerst nützlich, um Licht zu sammeln und zu erfassen und um die Vorteile jedes einzelnen einfallenden Photons zu maximieren. Ohne einen Spiegel oder Linsen, die das Licht vorfokussieren, kann die omnidirektionale Natur des CCD kein aussagekräftiges Bild des beobachteten Objekts erzeugen2) Der CCD misst nicht die Richtung des einfallenden Lichts. Um aussagekräftige Bilder zu erhalten, die so gut zu Teleskopen passen, müssen sie nicht nur die Intensität und Wellenlänge des einfallenden Lichts messen, sondern auch dessen Richtung. Objektive und Spiegel haben eine wunderbare Eigenschaft: Das Licht, das von einer extrem weit entfernten Quelle senkrecht zur Spiegelebene kommt, wird so fokussiert, dass es in die Kamera / Fotoplatte / CCD eintritt, und Licht aus anderen Richtungen gelangt aufgrund von Reflexionen und Brechungen nicht dorthin. Bei einem separaten CCD ist dies nicht der Fall: Es registriert Licht aus jeder Richtung. Wenn Sie die Strahlen nicht in einen Strahl bringen, fokussieren Sie das Licht nicht im Voraus, Sie sehen nur einen strahlend weißen Himmel in alle Richtungen - dort werden keine Informationen über die Richtung des Lichts gespeichert.
Das Betriebsschema der Ausrüstung des McMas-Pierce-Solarteleskops , eines Teleskops mit dem längsten optischen Tunnel der Welt. Sogar er braucht letztendlich einen Spiegel, um qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten.Sie könnten denken, dass eine Lösung für dieses Problem darin besteht, eine extrem lange, undurchsichtige Röhre senkrecht zur Ebene der CCD-Matrix zu bauen, aber dies ist auch ein Problem: Ohne Linsen und Spiegel erreicht das Licht von allem, was sich im Sichtfeld befindet, jedes Pixel Ihrer Matrix. Selbst der längste Schacht, der jemals für diesen Zweck gebaut wurde, das McMas-Pierce-Solarteleskop [Schaftlänge 220 m / ca. trans.] benötigen Sie noch einen Spiegel oder Linsen, um das Licht zu fokussieren. Dies ist das größte Problem bei der Verwendung einer CCD-Matrix allein zur Messung von Licht und der Hauptgrund, warum Sie sie mit einem Spiegel oder einer Linse ausstatten müssen.
Das in der Astrium-Fabrik in Toulouse aufgenommene Foto zeigt einen Satz von 106 CCDs, die die Brennebene des Gaia- Weltraumteleskops bilden. CCDs sind mit ihrer Tragstruktur (CSS) verschraubt. CSS (eine graue Platte für CCD) wiegt etwa 20 kg und besteht aus Siliziumkarbid (SiC), einem Material mit bemerkenswerter thermischer und mechanischer Stabilität. Abmessungen der Ebene: 1 × 0,5 m3) CCDs sind zu teuer, um einen Kreis mit einem Durchmesser von 10 Metern abzudecken. CCDs allein sind teuer; Ein fortschrittliches 12-Megapixel-CCD mit Pixeln (und Mikrolinsen, die sie bedecken) mit einem Durchmesser von 3,1 Mikrometern
kostet 3.700 US-Dollar . Um eine Fläche abzudecken, die einem 10-Meter-Spiegel entspricht, wären 700.000 Matrizen erforderlich. Diese Kosten belaufen sich auf inakzeptable 3 Milliarden US-Dollar. Zum Vergleich: Das europäische extrem große Teleskop mit einem Hauptspiegel mit einem Durchmesser von 39 Metern sowie dem gesamten Observatorium und der Ausrüstung
wird auf 1.083 Millionen Euro geschätzt weniger als die Hälfte des ersten Betrags.
Das Diagramm zeigt das neueste System von fünf Spiegeln des europäischen extrem großen Teleskops. Bevor Sie zu wissenschaftlichen Instrumenten gelangen, wird das Licht zunächst von einem riesigen konkaven Verbundspiegel mit einem Durchmesser von 39 m (M1) und dann von zwei 4-Meter-Spiegeln (konvex (M2) und konkav (M3)) reflektiert. Die letzten beiden Spiegel (M4 und M5) bilden das eingebaute adaptive optische System, um extrem klare Bilder in der endgültigen Brennebene zu erhalten.Die zusätzliche Lichtmenge, die ohne Spiegel in das CCD eintritt, wäre winzig, da wir bei jeder Reflexion etwa 5-10% des Lichts verlieren, aber gleichzeitig beim Wechsel von 10 m auf 39 m Durchmesser des Spiegels die Lichtmenge um 1500% erhöhen ( eintausendfünfhundert Prozent)! Einfach ausgedrückt, Sie können viel besser Geld ausgeben, wenn Sie mehr Licht sammeln und die Auflösung erhöhen möchten.
Auf der Erde sind große und massive Teleskope normalerweise kein Problem, solange die Form der Spiegel ideal für die Reflexion von Licht bleibt. Im Weltraum werden die Startkosten jedoch von Größe und Gewicht bestimmt, sodass jede kleine Einsparung viel wert ist4) Wenn Sie Gewicht sparen möchten, gibt es eine bessere Lösung. Das Hubble-Weltraumteleskop war unglaublich schwierig zu starten und einzusetzen, nicht nur wegen seiner Größe, sondern auch wegen seines Gewichts. Die Schwere des Hauptspiegels war eines der größten Hindernisse für die Mission. Beim
James Webb-Teleskop ist die Fläche
, in der Licht gesammelt wird, siebenmal so groß wie die von Hubble und wiegt sogar weniger als die Hälfte des größeren Vorgängers. Was ist das Geheimnis? Gießen Sie den Spiegel, formen Sie ihn, polieren Sie ihn - und
bohren Sie das Material von hinten .
Installation des letzten 18. Segments des Hauptspiegels des James Webb-Teleskops. Dunkle Abdeckungen schützen die goldenen Segmente der Spiegel, während 92% des ursprünglichen Materials bereits von hinten entfernt wurden.Im Weltraum muss die Schwerkraft nicht bekämpft werden, sodass keine besondere strukturelle Festigkeit erforderlich ist, um das Teleskop zu stützen. Nach der Herstellung jedes der 18 Segmente des James Webb-Teleskops wurden 92% der ursprünglichen Masse von der Rückseite des Teleskops aus gebohrt - dies trug dazu bei, die Form der Vorderseite des Spiegels beizubehalten und Gewicht zu sparen.
Das Innere und der Hauptspiegel des Grand Canary Telescope, dem Besitzer des größten Spiegels der Welt (10,4 m)Es gibt viele Gründe, warum es möglich wäre, ein Teleskop ohne Linsen oder Spiegel zu bauen - die Optimierung nach Gewicht, Kosten, Materialien, Lichtsammelleistung, Bildqualität und Auflösung erfordert in jedem Fall einige Kompromisse. Die Tatsache, dass CCDs allein die Richtung des einfallenden Lichts nicht messen können, ist ein großes Problem bei der Herstellung eines spiegellosen Teleskops. Obwohl jede Spiegeloberfläche, von der Licht reflektiert wird, zu einem teilweisen Verlust führt, bleiben Spiegel der beste Weg, um Bilder des Universums mit hoher Auflösung, ausgezeichneter Qualität, großer Sammelfläche und relativ geringen Kosten zu erhalten. Wenn die Kosten für das CCD sinken, wenn es möglich ist, ein Gitter von der Größe eines Teleskopspiegels zu bauen und auch die Richtung des einfallenden Lichts in Echtzeit zu messen, kann über etwas gesprochen werden. Bisher ist jedoch kein Ersatz für die optische Wissenschaft vorgesehen. Mehr als 300 Jahre nach der ersten Veröffentlichung der revolutionären Abhandlung über die Natur des Lichts sind Newtons Regeln bei der Herstellung einzelner Teleskope noch nicht besiegt worden!
Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).FAQ: Wenn sich das Universum ausdehnt, warum erweitern wir uns dann nicht? warum das Alter des Universums nicht mit dem Radius seines beobachteten Teils übereinstimmt