Tanyakan Ethan: mengapa kita tidak membuat teleskop tanpa cermin atau lensa?

Menempatkan CCD dalam fokus utama teleskop atau observatorium adalah cara yang bagus untuk mendapatkan gambar yang sangat baik; Teknologi serupa telah digunakan selama lebih dari 100 tahun. Tetapi apakah mungkin menggunakan CCD saja, tanpa cermin atau lensa?

Selama ratusan tahun, prinsip menggunakan teleskop adalah yang paling sederhana dari yang paling sederhana: untuk membuat lensa atau cermin untuk mengumpulkan sejumlah besar cahaya, fokuskan pada detektor (mata, pelat foto, perangkat elektronik), dan melihat sesuatu yang terletak jauh di luar kemampuan mata telanjang. Seiring waktu, lensa dan cermin menjadi lebih besar dengan diameter dan dibuat dengan akurasi yang meningkat, dan detektor mencapai tingkat di mana mereka dapat mengumpulkan dan menggunakan setiap foton yang masuk. Kualitas detektor mungkin membuat Anda bertanya-tanya mengapa kita membutuhkan lensa sama sekali! Inilah yang diminta pembaca kami:

Mengapa kita membutuhkan lensa dan cermin untuk membuat teleskop jika kita memiliki sensor CCD? Mengapa, alih-alih membuat cermin 10 meter atau lensa yang memfokuskan cahaya pada sensor kecil, jangan membuat sensor 10 meter?

Pertanyaannya sangat rumit, karena jika mereka bisa melakukan ini, itu akan berubah.


Perbandingan ukuran cermin dari berbagai teleskop yang ada dan yang diusulkan. Ketika Teleskop Raksasa Magellan mulai bekerja, itu akan menjadi yang terbesar di dunia, dan yang pertama di kelas teleskop optik dengan diameter lebih dari 25 m; selanjutnya harus dilampaui oleh teleskop Eropa yang sangat besar . Tetapi semua teleskop ini memiliki cermin.

Tidak peduli seberapa baik permukaan kita memantulkan, seberapa akurat kita menggiling dan memoles lensa kita, seberapa merata dan hati-hati kita menerapkan pelapisan, dan seberapa baik kita mengusir dan menghancurkan debu - tidak ada cermin atau lensa yang akan 100% sempurna secara optik. Sebagian kecil cahaya akan hilang di setiap langkah dan dengan setiap refleksi. Mengingat bahwa desain teleskop terbesar saat ini membutuhkan cermin multi-tahap, termasuk lubang besar di cermin utama, yang menyediakan lokasi yang baik untuk memantulkan cahaya, ada keterbatasan yang melekat dalam skema untuk mengumpulkan informasi tentang alam semesta menggunakan cermin dan lensa.

Tujuannya jelas dan indah: hilangkan langkah-langkah yang tidak perlu, hilangkan kehilangan cahaya. Gagasan ini mungkin tampak sederhana, dan karena sensor CCD menjadi lebih umum dan lebih murah, ia mungkin menemukan penerapannya dalam astronomi masa depan. Tetapi realisasi dari mimpi seperti itu tidak akan sangat sederhana, karena ada hambatan yang sangat penting dalam perjalanannya yang harus diatasi untuk mendapatkan teleskop tanpa cermin atau lensa. Mari kita bahas mereka.


Gambar tahun 1887 dari nebula Andromeda pertama kali menunjukkan struktur lengan spiral galaksi besar terdekat ke Bima Sakti. Ini benar-benar putih karena fakta bahwa foto itu diambil tanpa menggunakan filter - alih-alih mengambil foto melalui filter merah, hijau dan biru, dan kemudian menggabungkan warna-warna ini.

1) CCD mengukur cahaya dengan sempurna, tetapi tidak memilah atau menyaring panjang gelombang. Anda tidak memikirkan mengapa semua foto lama bintang dan galaksi dibuat hitam putih, meskipun faktanya bintang dan galaksi itu sendiri memiliki warna tertentu? Ini karena mereka tidak mengumpulkan cahaya dengan filter terpisah pada panjang gelombang yang berbeda. Bahkan teleskop modern menempatkan filter antara cahaya yang masuk dan CCD / kamera untuk mengarahkan pada panjang gelombang tertentu atau serangkaian panjang gelombang, mengambil beberapa gambar dengan beberapa filter, dan kemudian membuat ulang gambar dalam warna benar atau salah.


Andromeda Galaxy (M31), diambil dari teleskop berbasis darat melalui beberapa filter, setelah itu potret warna dibuat dari foto-foto ini

Ini dapat dihindari dengan membuat set filter lengkap untuk setiap elemen CCD individu, tetapi desainnya akan rumit, mahal dan membutuhkan filter ini untuk ditempatkan di suatu tempat di belakang elemen CCD, karena itu perlu untuk menjaga kelengkapan area pengumpulan cahaya, yang biasanya akan menempati cermin atau lensa menatap langit. Ini bukan hambatan yang tidak dapat diatasi, tetapi saat ini kami tidak memiliki solusi untuk masalah ini.


CCD area luas sangat berguna untuk mengumpulkan dan mendeteksi cahaya, dan untuk memaksimalkan manfaat setiap foton yang masuk. Tetapi tanpa cermin atau lensa yang memfokuskan cahaya, sifat omnidirectional dari CCD tidak akan dapat menghasilkan gambar yang bermakna dari objek yang diamati.

2) CCD tidak mengukur arah cahaya yang masuk. Untuk mendapatkan gambar yang bermakna yang cocok dengan teleskop, mereka perlu mengukur tidak hanya intensitas dan panjang gelombang cahaya yang masuk, tetapi juga arahnya. Lensa dan cermin memiliki properti yang indah - cahaya yang berasal dari sumber yang sangat jauh, tegak lurus dengan bidang cermin, difokuskan sedemikian rupa sehingga memasuki kamera / pelat fotografi / CCD, dan cahaya dari arah lain tidak sampai di sana karena pantulan dan refraksi. Untuk CCD terpisah, ini tidak begitu: ia meregistrasi cahaya dari segala arah. Jika Anda tidak membawa sinar ke dalam sinar, jangan memfokuskan cahaya terlebih dahulu, Anda hanya melihat langit putih yang cerah di segala arah - tidak ada informasi tentang arah cahaya yang akan disimpan di sana.


Skema pengoperasian peralatan teleskop surya McMas-Pierce , sebuah teleskop dengan terowongan optik terpanjang di dunia. Bahkan dia pada akhirnya membutuhkan cermin untuk mendapatkan gambar berkualitas tinggi.

Anda mungkin berpikir bahwa solusi untuk masalah ini adalah dengan membangun tabung buram yang sangat panjang dan tegak lurus terhadap bidang matriks CCD, tetapi ini juga merupakan masalah: tanpa lensa dan cermin, cahaya segala sesuatu yang ada di bidang pandang akan jatuh pada setiap piksel matriks Anda. Bahkan poros terpanjang yang pernah dibangun untuk tujuan ini, teleskop surya McMas-Pierce [panjang poros 220 m / kira-kira. trans.], Anda masih membutuhkan cermin atau lensa untuk memfokuskan cahaya. Ini adalah masalah terbesar dalam menggunakan matriks CCD saja untuk mengukur cahaya, dan alasan utama mengapa Anda perlu melengkapinya dengan cermin atau lensa.


Foto yang diambil di pabrik Astrium di Toulouse menunjukkan seperangkat 106 CCD yang membentuk bidang fokus teleskop ruang angkasa Gaia . CCD dibautkan ke struktur pendukungnya (CSS). CSS (pelat abu-abu untuk CCD) memiliki berat sekitar 20 kg dan terbuat dari silikon karbida (SiC), bahan dengan stabilitas termal dan mekanik yang luar biasa. Dimensi pesawat: 1 × 0,5 m

3) CCD terlalu mahal bagi mereka untuk menutupi lingkaran dengan diameter 10 meter. CCD saja mahal; CCD 12 megapiksel yang canggih, dengan piksel (dan lensa mikro yang menutupi mereka) berukuran 3,1 mikron, dijual seharga $ 3.700 . Untuk menutupi area yang setara dengan cermin 10 meter, diperlukan 700.000 matriks: biaya ini mendekati $ 3 miliar yang tidak dapat diterima. Sebagai perbandingan, teleskop Eropa yang sangat besar dengan cermin utama dengan diameter 39 meter bersama dengan semua observatorium dan peralatan diperkirakan € 1.083 juta - kurang dari setengah jumlah pertama.


Diagram menunjukkan sistem terbaru dari lima cermin teleskop Eropa yang sangat besar. Sebelum sampai ke instrumen ilmiah, cahaya pertama-tama dipantulkan dari cermin komposit cekung raksasa berdiameter 39 m (M1), kemudian dipantulkan dari dua cermin 4 meter, cembung (M2) dan cekung (M3). Dua mirror terakhir (M4 dan M5) membentuk sistem optik adaptif bawaan untuk mendapatkan gambar yang sangat jernih pada bidang fokus akhir.

Jumlah tambahan cahaya yang memasuki CCD tanpa cermin akan menjadi kecil, karena pada setiap pantulan kita kehilangan sekitar 5-10% dari cahaya, tetapi pada saat yang sama beralih dari diameter cermin 10 meter ke 39 meter, kami menambah jumlah cahaya sebesar 1500% ( seribu lima ratus persen)! Sederhananya, Anda dapat menghabiskan uang lebih baik jika tujuan Anda adalah mengumpulkan lebih banyak cahaya dan meningkatkan resolusi.


Di bumi, teleskop besar dan besar biasanya tidak menjadi masalah selama bentuk cermin dipertahankan ideal untuk memantulkan cahaya. Tetapi di ruang angkasa, biaya peluncuran ditentukan oleh ukuran dan berat, sehingga setiap penghematan kecil sangat berharga

4) Jika Anda ingin menghemat berat, ada solusi yang lebih baik. Teleskop luar angkasa Hubble sangat sulit diluncurkan dan dipasang, bukan hanya karena ukurannya, tetapi juga karena beratnya. Kerasnya cermin utama adalah salah satu hambatan terbesar bagi misi. Tetapi pada teleskop James Webb, area yang mengumpulkan cahaya akan tujuh kali lebih besar dari Hubble, dan itu akan menimbang bahkan kurang dari setengah pendahulunya yang lebih besar. Apa rahasianya Keluarkan cermin, bentuk, poles - lalu bor bahan dari belakang .


Pemasangan segmen ke-18 terakhir dari cermin utama teleskop James Webb. Selimut gelap melindungi bagian emas cermin, sementara 92% material asli telah dilepas dari belakang.

Di ruang angkasa, tidak perlu melawan gravitasi, jadi kekuatan struktural khusus tidak diperlukan untuk mendukung teleskop. Setelah memproduksi masing-masing 18 segmen teleskop James Webb, 92% dari massa asli dibor dari sisi sebaliknya dari teleskop - ini membantu menjaga bentuk bagian depan cermin dan secara dramatis menghemat berat.


Interior dan cermin utama dari Grand Canary Telescope, pemilik cermin terbesar di dunia (10,4 m)

Ada banyak alasan mengapa dimungkinkan untuk membangun teleskop tanpa lensa atau cermin - pengoptimalan berdasarkan berat, biaya, bahan, kekuatan pengumpulan cahaya, kualitas gambar, resolusi, dalam hal apa pun, akan memerlukan beberapa kompromi. Tetapi fakta bahwa CCD saja tidak dapat mengukur arah cahaya yang masuk adalah masalah besar untuk membuat teleskop tanpa cermin. Meskipun setiap permukaan cermin dari mana cahaya dipantulkan menyebabkan hilangnya sebagiannya, cermin tetap merupakan cara terbaik untuk mendapatkan gambar Semesta dengan resolusi tinggi, kualitas luar biasa, dengan area koleksi cahaya yang besar dan biaya yang relatif rendah. Jika biaya CCD akan turun, jika memungkinkan untuk membuat kisi ukuran cermin teleskop, dan juga mungkin untuk mengukur arah cahaya yang masuk secara real time, maka akan mungkin untuk membicarakan sesuatu. Namun sejauh ini tidak ada pengganti yang diramalkan untuk ilmu optik. Lebih dari 300 tahun setelah publikasi pertama risalah revolusioner tentang sifat cahaya, aturan Newton ketika membuat teleskop individu belum dikalahkan!

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].

FAQ: jika Semesta berkembang, mengapa kita tidak berkembang ; mengapa usia alam semesta tidak sesuai dengan jari-jari bagian yang diamati