ईथन से पूछें: हम दर्पण या लेंस के बिना दूरबीन क्यों नहीं बनाते?

एक टेलिस्कोप या वेधशाला के मुख्य फोकस में सीसीडी को रखने से उत्कृष्ट चित्र प्राप्त करने का एक शानदार तरीका है; 100 से अधिक वर्षों के लिए इसी तरह की तकनीक का उपयोग किया गया है। लेकिन क्या दर्पण या लेंस के बिना अकेले सीसीडी का उपयोग करना संभव है?

सैकड़ों वर्षों के लिए, दूरबीन का उपयोग करने का सिद्धांत सबसे सरल था: प्रकाश की एक बड़ी मात्रा को इकट्ठा करने के लिए एक लेंस या दर्पण बनाने के लिए, इसे डिटेक्टर (आंख, फोटोग्राफिक प्लेट, इलेक्ट्रॉनिक उपकरण) पर केंद्रित करें, और कुछ ऐसा देखें जो नग्न आंखों की क्षमताओं से बहुत दूर है। समय के साथ, लेंस और दर्पण व्यास में बड़े हो गए और बढ़ती सटीकता के साथ बनाए गए, और डिटेक्टर एक स्तर पर पहुंच गए, जिस पर वे प्रत्येक आने वाले फोटॉन को इकट्ठा करने और उपयोग करने में सक्षम थे। डिटेक्टरों की गुणवत्ता आपको आश्चर्यचकित कर सकती है कि हमें लेंस की आवश्यकता क्यों है! यही हमारे पाठक पूछते हैं:

यदि हमारे पास सीसीडी सेंसर हैं, तो टेलीस्कोप बनाने के लिए हमें लेंस और दर्पण की आवश्यकता क्यों है? क्यों, एक छोटे सेंसर पर प्रकाश केंद्रित करने वाले 10-मीटर दर्पण या लेंस बनाने के बजाय, 10-मीटर सेंसर नहीं बनाते हैं?

सवाल बहुत पेचीदा है, क्योंकि अगर वे ऐसा कर पाते, तो इससे क्रांति आ जाती।


विभिन्न मौजूदा और प्रस्तावित दूरबीनों के दर्पण आकारों की तुलना। जब जाइंट मैगेलन टेलीस्कोप काम करना शुरू करता है, तो यह दुनिया में सबसे बड़ा हो जाएगा, और 25 मीटर से अधिक के व्यास के साथ ऑप्टिकल दूरबीन की कक्षा में पहला होगा; बाद में इसे यूरोपीय अत्यंत बड़ी दूरबीन द्वारा पार करना होगा। लेकिन इन सभी दूरबीनों में दर्पण हैं।

इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि हमारी सतह कितनी अच्छी तरह से परिलक्षित होती है, हम अपने लेंस को कितनी अच्छी तरह से पीसते और पॉलिश करते हैं, हम कोटिंग को समान रूप से और कितनी सावधानी से लागू करते हैं, और हम कितनी अच्छी तरह से धूल को दोहराते हैं और नष्ट करते हैं - कोई भी दर्पण या लेंस कभी भी वैकल्पिक रूप से 100% सही नहीं होगा। प्रकाश का एक निश्चित अंश हर कदम पर और हर प्रतिबिंब के साथ खो जाएगा। यह देखते हुए कि आज के सबसे बड़े टेलीस्कोप डिजाइनों के लिए मल्टी-स्टेज दर्पणों की आवश्यकता होती है, जिसमें मुख्य दर्पण में एक बड़ा छेद भी शामिल है, जो प्रकाश को प्रतिबिंबित करने के लिए एक अच्छा स्थान प्रदान करता है, दर्पण और लेंस का उपयोग करके ब्रह्मांड के बारे में जानकारी एकत्र करने की योजना में अंतर्निहित सीमाएं हैं।

लक्ष्य स्पष्ट और सुंदर है: अनावश्यक चरणों को हटा दें, प्रकाश के किसी भी नुकसान को खत्म करें। यह विचार सरल लग सकता है, और चूंकि सीसीडी सेंसर अधिक सामान्य और सस्ते होते जा रहे हैं, इसलिए यह भविष्य के खगोल विज्ञान में अपना आवेदन पा सकता है। लेकिन इस तरह के एक सपने की प्राप्ति बहुत सरल नहीं होगी, क्योंकि इसके रास्ते में बहुत महत्वपूर्ण बाधाएं हैं जो दर्पण या लेंस के बिना दूरबीन प्राप्त करने के लिए दूर होनी चाहिए। चलो उनके ऊपर चलते हैं।


एंड्रोमेडा नेबुला की 1887 की छवि ने सबसे पहले मिल्की वे के लिए निकटतम बड़ी आकाशगंगा के सर्पिल हथियारों की संरचना का प्रदर्शन किया। यह इस तथ्य के कारण पूरी तरह से सफेद है कि फोटो को फिल्टर के उपयोग के बिना लिया गया था - एक लाल, हरे और नीले फिल्टर के माध्यम से फोटो लेने के बजाय, और फिर इन रंगों को मिलाएं।

1) सीसीडी पूरी तरह से प्रकाश को मापते हैं, लेकिन वे तरंग दैर्ध्य को सॉर्ट या फ़िल्टर नहीं करते हैं। आपने इस बारे में नहीं सोचा कि सितारों और आकाशगंगाओं की सभी पुरानी तस्वीरों को काले और सफेद रंग में क्यों बनाया गया है, इस तथ्य के बावजूद कि सितारों और आकाशगंगाओं के स्वयं के कुछ रंग हैं? ऐसा इसलिए है क्योंकि उन्होंने अलग-अलग तरंग दैर्ध्य में अलग-अलग फिल्टर के साथ प्रकाश एकत्र नहीं किया। यहां तक ​​कि आधुनिक टेलीस्कोप आने वाली रोशनी और सीसीडी / कैमरे के बीच एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य या तरंग दैर्ध्य के सेट के उद्देश्य से एक फिल्टर लगाते हैं, कई फिल्टर के साथ कई छवियां लेते हैं, और फिर छवि को असली रंगों या झूठ में फिर से बनाते हैं।


एंड्रोमेडा गैलेक्सी (M31), कई फिल्टर के माध्यम से जमीन-आधारित दूरबीन से लिया गया था, जिसके बाद इन तस्वीरों से एक रंगीन चित्र बनाया गया था

प्रत्येक व्यक्तिगत सीसीडी तत्व के लिए फिल्टर का एक पूरा सेट बनाने से इसे टाला जा सकता है, लेकिन डिजाइन बोझिल, महंगा होगा और इन फिल्टर को सीसीडी तत्वों के पीछे कहीं स्थित होने की आवश्यकता होगी, क्योंकि प्रकाश संग्रह क्षेत्र की पूर्णता को संरक्षित करना आवश्यक है, जो सामान्य रूप से एक दर्पण पर कब्जा करेगा। या लेंस आकाश को देख रहा है। यह एक अचूक बाधा नहीं है, लेकिन वर्तमान में हमारे पास इस समस्या का कोई समाधान नहीं है।


बड़े क्षेत्र सीसीडी प्रकाश को इकट्ठा करने और पता लगाने के लिए और प्रत्येक आने वाले फोटॉन के लाभ को अधिकतम करने के लिए बेहद उपयोगी हैं। लेकिन एक दर्पण या लेंस के बिना प्रकाश पर ध्यान केंद्रित किए हुए, सीसीडी की सर्वदिशात्मक प्रकृति मनाया वस्तु की एक सार्थक छवि उत्पन्न नहीं कर सकती है।

2) सीसीडी आने वाली रोशनी की दिशा को नहीं मापता है। टेलिस्कोप के साथ इतनी अच्छी तरह से जाने वाली सार्थक छवियां प्राप्त करने के लिए, उन्हें न केवल आने वाली रोशनी की तीव्रता और तरंग दैर्ध्य को मापने की जरूरत है, बल्कि इसकी दिशा भी। लेंस और दर्पण के पास एक अद्भुत संपत्ति है - एक बहुत दूर के स्रोत से आने वाला प्रकाश, दर्पण के विमान के लिए लंबवत, इस तरह से ध्यान केंद्रित किया जाता है कि यह कैमरा / फोटोग्राफिक प्लेट / सीसीडी में प्रवेश करता है, और अन्य दिशाओं से प्रकाश प्रतिबिंब और अपवर्तन के कारण नहीं मिलता है। एक अलग सीसीडी के लिए, यह ऐसा नहीं है: यह किसी भी दिशा से प्रकाश को पंजीकृत करता है। यदि आप किरणों को एक बीम में नहीं लाते हैं, तो प्रकाश को पहले से ध्यान केंद्रित न करें, आप बस सभी दिशाओं में एक उज्ज्वल सफेद आकाश देखते हैं - प्रकाश की दिशा के बारे में कोई जानकारी वहां नहीं सहेजी जाएगी।


मैकमास-पियर्स सोलर टेलीस्कोप , दुनिया की सबसे लंबी ऑप्टिकल सुरंग वाली दूरबीन के उपकरण के संचालन की योजना। यहां तक ​​कि उसे अंततः उच्च-गुणवत्ता वाली छवियां प्राप्त करने के लिए दर्पण की आवश्यकता होती है।

आप सोच सकते हैं कि इस समस्या का एक समाधान सीसीडी मैट्रिक्स के विमान के लिए एक बहुत लंबा, अपारदर्शी ट्यूब सीधा बनाने के लिए होगा, लेकिन यह भी एक समस्या है: लेंस और एक दर्पण के बिना, देखने के क्षेत्र में जो कुछ भी है, उसका प्रकाश आपके मैट्रिक्स के हर पिक्सेल पर पड़ेगा। यहां तक ​​कि इस उद्देश्य के लिए बनाया गया अब तक का सबसे लंबा शाफ्ट, मैकमास-पियर्स सोलर टेलिस्कोप [शाफ्ट की लंबाई 220 मीटर / लगभग। ट्रांस।], आपको अभी भी प्रकाश को केंद्रित करने के लिए दर्पण या लेंस की आवश्यकता है। प्रकाश को मापने के लिए अकेले सीसीडी मैट्रिक्स का उपयोग करने में यह सबसे बड़ी समस्या है, और मुख्य कारण है कि आपको इसे दर्पण या लेंस से लैस करने की आवश्यकता क्यों है।


टूलूज़ में एस्ट्रियम कारखाने में ली गई तस्वीर में 106 CCDs का एक सेट दिखाया गया है जो Gaia स्पेस टेलीस्कोप के फोकल प्लेन को बनाते हैं। CCDs को उनकी सहायक संरचना (CSS) से टकराया जाता है। सीएसएस (सीसीडी के लिए एक ग्रे प्लेट) का वजन लगभग 20 किलोग्राम है और यह सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) से बना है, जो एक उल्लेखनीय थर्मल और यांत्रिक स्थिरता वाली सामग्री है। विमान के आयाम: 1 × 0.5 मीटर

3) 10 मीटर के व्यास के साथ एक सर्कल को कवर करने के लिए सीसीडी उन्हें बहुत महंगा है। अकेले सीसीडी महंगे हैं; एक उन्नत 12 मेगापिक्सेल सीसीडी, जिसमें पिक्सेल (और उन्हें कवर करने वाले माइक्रो-लेंस) 3.1 माइक्रोन को मापते हैं, $ 3,700 में बेचता है । एक 10-मीटर दर्पण के बराबर क्षेत्र को कवर करने के लिए, 700,000 मैट्रिसेस की आवश्यकता होगी: यह लागत एक अस्वीकार्य $ 3 बिलियन तक पहुंचती है। तुलनात्मक रूप से, सभी वेधशाला और उपकरणों के साथ 39 मीटर के व्यास के साथ एक मुख्य दर्पण के साथ यूरोपीय अत्यंत बड़े टेलीस्कोप € 1,083 मिलियन का अनुमान है - पहली राशि के आधे से भी कम।


आरेख यूरोपीय अत्यंत बड़े टेलीस्कोप के पांच दर्पणों की नवीनतम प्रणाली को दर्शाता है। वैज्ञानिक उपकरणों को प्राप्त करने से पहले, प्रकाश को पहले एक विशाल अवतल मिश्रित दर्पण 39 मीटर व्यास (M1) से परिलक्षित किया जाता है, फिर दो 4-मीटर दर्पण, उत्तल (M2) और अवतल (M3) से परावर्तित किया जाता है। अंतिम दो दर्पण (एम 4 और एम 5) अंतिम फोकल विमान पर बेहद स्पष्ट छवियां प्राप्त करने के लिए अंतर्निहित अनुकूली ऑप्टिकल प्रणाली बनाते हैं।

दर्पण के बिना सीसीडी में प्रवेश करने वाले प्रकाश की अतिरिक्त मात्रा कम होगी, क्योंकि प्रत्येक प्रतिबिंब में हम लगभग 5-10% प्रकाश खो देते हैं, लेकिन साथ ही दर्पण के 10-मीटर से 39-मीटर व्यास तक बढ़ने पर हम प्रकाश की मात्रा 1500% बढ़ाते हैं ( एक हजार पाँच सौ प्रतिशत)! सीधे शब्दों में कहें, तो आप बहुत अच्छा पैसा खर्च कर सकते हैं यदि आपका लक्ष्य अधिक प्रकाश इकट्ठा करना और संकल्प को बढ़ाना है।


पृथ्वी पर, बड़े और बड़े पैमाने पर दूरबीन आमतौर पर एक समस्या नहीं है जब तक कि दर्पण का आकार प्रकाश को प्रतिबिंबित करने के लिए आदर्श बनाए रखा जाता है। लेकिन अंतरिक्ष में, लॉन्च की लागत आकार और वजन से निर्धारित होती है, इसलिए प्रत्येक छोटी बचत बहुत कुछ लायक है

4) यदि आप वजन को बचाना चाहते हैं, तो एक बेहतर उपाय है। हबल स्पेस टेलीस्कोप को लॉन्च करने और तैनात करने के लिए अविश्वसनीय रूप से मुश्किल था, न केवल इसके आकार के कारण, बल्कि इसके वजन के कारण भी। मुख्य दर्पण की गंभीरता मिशन की सबसे बड़ी बाधाओं में से एक थी। लेकिन जेम्स वेब टेलीस्कोप में, प्रकाश को इकट्ठा करने वाला क्षेत्र हबल की तुलना में सात गुना बड़ा होगा, और यह अपने बड़े पूर्ववर्ती के आधे से भी कम वजन करेगा। राज क्या है? दर्पण को कास्ट करें, इसे आकार दें, इसे पॉलिश करें - और फिर पीछे से सामग्री को ड्रिल करें ।


जेम्स वेब टेलिस्कोप के मुख्य दर्पण के अंतिम, 18 वें खंड की स्थापना। डार्क कवर दर्पणों के सुनहरे सेगमेंट की रक्षा करते हैं, जबकि मूल सामग्री का 92% पहले से ही पीछे से हटा दिया गया है।

अंतरिक्ष में, गुरुत्वाकर्षण से लड़ने की कोई आवश्यकता नहीं है, इसलिए दूरबीन का समर्थन करने के लिए विशेष संरचनात्मक ताकत की आवश्यकता नहीं है। जेम्स वेब टेलीस्कोप के 18 खंडों में से प्रत्येक के निर्माण के बाद, मूल द्रव्यमान का 92% दूरबीन के रिवर्स साइड से ड्रिल किया गया था - इससे दर्पण के सामने के आकार को बनाए रखना और नाटकीय रूप से वजन पर बचत करना संभव हो गया।


आंतरिक और ग्रैंड कैनरी टेलिस्कोप का मुख्य दर्पण, दुनिया में सबसे बड़े दर्पण का मालिक (10.4 मीटर)

कई कारण हैं कि लेंस या दर्पण के बिना दूरबीन का निर्माण करना संभव क्यों होगा - वजन, लागत, सामग्री, प्रकाश संग्रह शक्ति, छवि गुणवत्ता, संकल्प द्वारा अनुकूलन, किसी भी मामले में, कुछ समझौतों की आवश्यकता होगी। लेकिन यह तथ्य कि सीसीडी केवल आने वाली रोशनी की दिशा को माप नहीं सकते हैं, एक दर्पण रहित दूरबीन बनाने के लिए एक बड़ी समस्या है। यद्यपि प्रत्येक दर्पण सतह जिसमें से प्रकाश परिलक्षित होता है, उसका आंशिक नुकसान होता है, दर्पण उच्च संकल्प, उत्कृष्ट गुणवत्ता, प्रकाश के बड़े संग्रह क्षेत्र और अपेक्षाकृत कम लागत के साथ ब्रह्मांड की छवियों को प्राप्त करने का सबसे अच्छा तरीका है। यदि सीसीडी की लागत गिर जाएगी, अगर टेलीस्कोप मिरर के आकार के एक झंझरी का निर्माण करना संभव है, और साथ ही वास्तविक समय में आने वाली रोशनी की दिशा को मापना संभव होगा, तो कुछ के बारे में बात करना संभव होगा। लेकिन अभी तक ऑप्टिकल साइंस के लिए कोई प्रतिस्थापन नहीं किया गया है। प्रकाश की प्रकृति पर क्रांतिकारी ग्रंथ के पहले प्रकाशन के 300 से अधिक वर्षों बाद, व्यक्तिगत टेलिस्कोप बनाते समय न्यूटन के नियम अभी तक पराजित नहीं हुए हैं!

एथन सीगल - खगोल वैज्ञानिक, विज्ञान लोकप्रिय, एक बैंग्स के साथ शुरुआत के लेखक! उन्होंने "बियॉन्ड द गैलेक्सी" [ बियॉन्ड द गैलेक्सी ], और "ट्रैकनोलॉजी: स्टार ट्रेक का विज्ञान" [ ट्रेकोनोलॉजी ] किताबें लिखीं ।

यदि यूनिवर्स का विस्तार हो रहा है, तो हम विस्तार क्यों नहीं कर रहे हैं ; क्यों ब्रह्मांड की उम्र उसके मनाया भाग की त्रिज्या के साथ मेल नहीं खाती है