Colocar un CCD en el foco principal de un telescopio u observatorio es una excelente manera de obtener imágenes excelentes; Se ha utilizado una tecnología similar durante más de 100 años. Pero, ¿es posible usar un CCD solo, sin espejos ni lentes?Durante cientos de años, el principio de usar un telescopio fue el más simple de todos: crear una lente o espejo para recolectar una gran cantidad de luz, enfocarla en el detector (ojo, placa fotográfica, dispositivo electrónico) y ver algo que está más allá de las capacidades del ojo desnudo. Con el tiempo, las lentes y los espejos se hicieron más grandes en diámetro y se hicieron con mayor precisión, y los detectores alcanzaron un nivel en el que pudieron recolectar y usar cada fotón entrante. ¡La calidad de los detectores puede hacer que te preguntes por qué necesitamos lentes! Esto es lo que nuestro lector pregunta:
¿Por qué necesitamos lentes y espejos para crear un telescopio si tenemos sensores CCD? ¿Por qué, en lugar de hacer un espejo o lente de 10 metros que enfoca la luz en un sensor pequeño, no haga un sensor de 10 metros?
La pregunta es muy complicada, porque si pudieran hacer esto, revolucionaría.
Comparación de tamaños de espejo de varios telescopios existentes y propuestos. Cuando el Telescopio Gigante de Magallanes comience a funcionar, se convertirá en el más grande del mundo y el primero en la clase de telescopios ópticos con un diámetro de más de 25 m; posteriormente deberá ser superado por el telescopio europeo extremadamente grande . Pero todos estos telescopios tienen espejos.No importa cuán bien se refleje nuestra superficie, cuán exactamente pulimos y pulimos nuestras lentes, qué tan uniforme y cuidadosamente aplicamos el recubrimiento y qué tan bien repelemos y destruimos el polvo: ningún espejo o lente será 100% ópticamente perfecto. Una cierta fracción de la luz se perderá en cada paso y con cada reflejo. Dado que los diseños de telescopios más grandes de la actualidad requieren espejos de varias etapas, incluido un gran agujero en el espejo principal, que proporciona una buena ubicación para reflejar la luz, existen limitaciones inherentes en el esquema para recopilar información sobre el universo utilizando espejos y lentes.
El objetivo es claro y hermoso: eliminar pasos innecesarios, eliminar cualquier pérdida de luz. Esta idea puede parecer simple, y dado que los sensores CCD se están volviendo más comunes y más baratos, puede encontrar su aplicación en la astronomía del futuro. Pero la realización de tal sueño no será muy simple, ya que hay obstáculos muy importantes en su camino que deben superarse para obtener un telescopio sin espejos ni lentes. Vamos a repasarlos.
La imagen de 1887 de la nebulosa de Andrómeda demostró por primera vez la estructura de los brazos espirales de la galaxia grande más cercana a la Vía Láctea. Es completamente blanco debido al hecho de que la foto fue tomada sin el uso de filtros, en lugar de tomar una foto a través de un filtro rojo, verde y azul, y luego combinar estos colores.1) Los CCD miden perfectamente la luz, pero no clasifican ni filtran las longitudes de onda. No pensaste por qué todas las fotos antiguas de estrellas y galaxias están hechas en blanco y negro, a pesar de que las estrellas y galaxias tienen ciertos colores. Esto se debe a que no recolectaban luz con filtros separados a diferentes longitudes de onda. Incluso los telescopios modernos colocan un filtro entre la luz entrante y el CCD / cámara para apuntar a una longitud de onda específica o un conjunto de longitudes de onda, tomar varias imágenes con varios filtros y luego recrear la imagen en colores verdaderos o falsos.
Andromeda Galaxy (M31), tomada desde el telescopio terrestre a través de varios filtros, después de lo cual se creó un retrato en color a partir de estas fotosEsto puede evitarse creando un conjunto completo de filtros para cada elemento CCD individual, pero el diseño será engorroso, costoso y requerirá que estos filtros se ubiquen en algún lugar detrás de los elementos CCD, ya que es necesario preservar la integridad del área de recolección de luz, que normalmente ocuparía un espejo o lentes mirando al cielo. Este no es un obstáculo insuperable, pero actualmente no tenemos soluciones para este problema.
Los CCD de área grande son extremadamente útiles para recolectar y detectar luz, y para maximizar los beneficios de cada fotón entrante individual. Pero sin un espejo o lentes que preenfoquen la luz, la naturaleza omnidireccional del CCD no podrá producir una imagen significativa del objeto observado2) El CCD no mide la dirección de la luz entrante. Para obtener imágenes significativas que combinen tan bien con los telescopios, necesitan medir no solo la intensidad y la longitud de onda de la luz entrante, sino también su dirección. Las lentes y los espejos tienen una propiedad maravillosa: la luz que proviene de una fuente extremadamente distante, perpendicular al plano del espejo, se enfoca de tal manera que ingresa a la cámara / placa fotográfica / CCD, y la luz de otras direcciones no llega debido a reflejos y refracciones. Para un CCD separado, esto no es así: registra la luz desde cualquier dirección. Si no lleva los rayos a un haz, no enfoque la luz de antemano, solo verá un cielo blanco brillante en todas las direcciones; allí no se guardará información sobre la dirección de la luz.
El esquema de operación del equipo del telescopio solar McMas-Pierce , un telescopio con el túnel óptico más largo del mundo. Incluso él finalmente necesita un espejo para obtener imágenes de alta calidad.Puede pensar que una solución a este problema sería construir un tubo opaco extremadamente largo perpendicular al plano de la matriz CCD, pero esto también es un problema: sin lentes y un espejo, la luz de todo lo que está en el campo de visión caerá en cada píxel de su matriz. Incluso el eje más largo jamás construido para este propósito, el telescopio solar McMas-Pierce [longitud del eje 220 m / aprox. trans.], aún necesita un espejo o lentes para enfocar la luz. Este es el mayor problema al usar una matriz CCD sola para medir la luz, y la razón principal por la que necesita equiparla con un espejo o lente.
La foto tomada en la fábrica Astrium en Toulouse muestra un conjunto de 106 CCD que conforman el plano focal del telescopio espacial Gaia . Los CCD están atornillados a su estructura de soporte (CSS). CSS (una placa gris para CCD) pesa unos 20 kg y está hecho de carburo de silicio (SiC), un material con excelente estabilidad térmica y mecánica. Dimensiones del avión: 1 × 0.5 m3) Los CCD son demasiado caros para cubrir un círculo con un diámetro de 10 metros. Los CCD solos son caros; un CCD avanzado de 12 megapíxeles, con píxeles (y micro lentes que los cubren) de 3.1 micras de ancho, se
vende por $ 3,700 . Para cubrir un área equivalente a un espejo de 10 metros, se requerirían 700,000 matrices: este costo se acerca a $ 3 mil millones inaceptables. En comparación, el telescopio europeo extremadamente grande con un espejo principal con un diámetro de 39 metros junto con todo el observatorio y equipo
se estima en € 1,083 millones - menos de la mitad de la primera cantidad.
El diagrama muestra el último sistema de cinco espejos del telescopio europeo extremadamente grande. Antes de llegar a los instrumentos científicos, la luz se refleja primero desde un espejo compuesto cóncavo gigante de 39 m de diámetro (M1), luego se refleja desde dos espejos de 4 metros, convexo (M2) y cóncavo (M3). Los dos últimos espejos (M4 y M5) forman el sistema óptico adaptativo incorporado para obtener imágenes extremadamente claras en el plano focal final.La cantidad adicional de luz que ingresa al CCD sin espejos sería pequeña, porque en cada reflejo perdemos alrededor del 5-10% de la luz, pero al mismo tiempo que cambiamos de 10 metros a 39 metros de diámetro del espejo, aumentamos la cantidad de luz en un 1500% ( mil quinientos por ciento)! En pocas palabras, puede gastar dinero mucho mejor si su objetivo es recoger más luz y aumentar la resolución.
En la tierra, los telescopios grandes y masivos generalmente no son un problema siempre que la forma de los espejos se mantenga ideal para reflejar la luz. Pero en el espacio, el costo del lanzamiento está determinado por el tamaño y el peso, por lo que cada pequeño ahorro vale mucho4) Si desea ahorrar peso, hay una mejor solución. El telescopio espacial Hubble fue increíblemente difícil de lanzar y desplegar, no solo por su tamaño, sino también por su peso. La severidad del espejo principal fue uno de los mayores obstáculos para la misión. Pero en
el telescopio James Webb, el área que recoge la luz será siete veces más grande que la del Hubble, y pesará incluso menos de la mitad de su predecesor más grande. Cual es el secreto Eche el espejo, déle forma, púlselo y luego
perfore el material desde la parte posterior .
Instalación del último segmento 18 del espejo principal del telescopio James Webb. Las cubiertas oscuras protegen los segmentos dorados de los espejos, mientras que el 92% del material original ya se ha eliminado de la parte trasera.En el espacio, no hay necesidad de combatir la gravedad, por lo que no se requiere una resistencia estructural especial para soportar el telescopio. Después de fabricar cada uno de los 18 segmentos del telescopio James Webb, el 92% de la masa original se perforó desde el reverso del telescopio, lo que ayudó a mantener la forma de la parte frontal del espejo y a ahorrar mucho peso.
Los interiores y el espejo principal del Gran telescopio canario, el dueño del espejo más grande del mundo (10,4 m)Hay muchas razones por las cuales sería posible construir un telescopio sin lentes ni espejos: la optimización por peso, costo, materiales, potencia de recolección de luz, calidad de imagen, resolución, en cualquier caso, requerirá algunos compromisos. Pero el hecho de que los CCD por sí solos no puedan medir la dirección de la luz entrante es un gran problema para crear un telescopio sin espejo. Aunque cada superficie de espejo desde la que se refleja la luz conduce a su pérdida parcial, los espejos siguen siendo la mejor manera de obtener imágenes del Universo con alta resolución, excelente calidad, con una gran área de recolección de luz y un costo relativamente bajo. Si el costo del CCD caerá, si es posible construir una rejilla del tamaño de un espejo telescópico, y también será posible medir la dirección de la luz entrante en tiempo real, entonces será posible hablar sobre algo. Pero hasta ahora no se prevé ningún reemplazo para la ciencia óptica. ¡Más de 300 años después de la primera publicación del tratado revolucionario sobre la naturaleza de la luz, las reglas de Newton al crear telescopios individuales aún no han sido derrotadas!
Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].Preguntas frecuentes: si el Universo se está expandiendo, ¿por qué no nos estamos expandiendo ? por qué la edad del universo no coincide con el radio de su parte observada