Введение
Сегментированное зеркало – это совокупность небольших зеркал, спроектированных для совместной работы как единое большое изогнутое зеркало. Сегменты могут быть сферическими или асимметричными (если они являются частью большего параболического отражателя). Они используются в качестве объективов для крупных рефлекторных телескопов. Для функционирования все сегменты зеркала должны быть отполированы с высокой точностью и активно выровнены с помощью компьютерной системы активной оптики, использующей актуаторы, встроенные в опорную ячейку зеркала. Концепция была впервые разработана Гидо Хорном Д’Артуро, который построил первое действующее сегментированное зеркало в 1952 году после двадцати лет исследований. Позже она была независимо повторно открыта и усовершенствована под руководством доктора Джерри Нельсона в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийском университете в 1980-х годах, и с тех пор все необходимые технологии получили широкое распространение по всему миру, в результате чего практически все будущие крупные оптические телескопы планируют использовать сегментированные зеркала.
A segmented mirror is an array of smaller mirrors designed to act as segments of a single large curved mirror. The segments can be either spherical or asymmetric (if they are part of a larger parabolic reflector). They are used as objectives for large reflecting telescopes. To function, all the mirror segments have to be polished to a precise shape and actively aligned by a computer controlled active optics system using actuators built into the mirror support cell. The concept was pioneered by Guido Horn D'Arturo, who built the first working segmented mirror in 1952, after twenty years of research; It was later independently rediscovered and further developed under the leadership of Dr. Jerry Nelson at the Lawrence Berkeley National Laboratory and University of California during the 1980s, and since then all the necessaries technologies have spread worldwide to the point that essentially all future large optical telescopes plan to use segmented mirrors.
Применение
Существует технологический предел для первичных зеркал, изготовленных из цельного куска стекла. Такие несегментированные, или монолитные, зеркала невозможно изготовить диаметром более восьми метров. Крупнейшими монолитными зеркалами, используемыми в настоящее время, являются два основных зеркала Большого бинокулярного телескопа, каждое диаметром 8,4 метра. Таким образом, использование сегментированных зеркал является ключевым элементом для телескопов с большой апертурой. Использование монолитного зеркала диаметром более 5 метров становится непомерно дорогим из-за стоимости самого зеркала и массивной конструкции, необходимой для его поддержки. Зеркало большего размера также будет незначительно прогибаться под собственным весом при вращении телескопа в разные положения, что изменит точность формы поверхности. Сегменты также проще в изготовлении, транспортировке, установке и обслуживании по сравнению с очень большими монолитными зеркалами. Сегментированные зеркала имеют недостаток: каждый сегмент может требовать точной асимметричной формы и полагаться на сложную систему крепления с компьютерным управлением. Все сегменты также вызывают дифракционные эффекты на конечном изображении. Другое применение сегментированных зеркал можно найти в сфере дополненной реальности для уменьшения размера оптических компонентов. Компания Tooz использует частично отражающий сегментированный зеркальный массив для извлечения света из своих световодов, который используется в качестве оптического элемента Smartglass.
Телескопы, использующие сегментированные зеркала
Некоторые из крупнейших оптических телескопов в мире используют сегментированные первичные зеркала. Среди них, помимо прочих, следующие телескопы:
Телескопы Кека
Телескопы-близнецы Кека – самые известные из обсерваторий Мауна-Кеа, расположенные на высоте 4145 метров (13600 футов) у подножия вершины Мауна-Кеа на Гавайях, в США. Оба телескопа оснащены первичными зеркалами.
Телескоп Хобби-Эберли
Телескоп Хобби-Эберли (HET) — это телескоп с диаметром зеркала 9,2 метра (30 футов), расположенный в обсерватории Макдональда, в Западном Техасе, на высоте 2026 м (6647 футов). Его первичное зеркало состоит из 91 шестиугольного сегмента. Главное зеркало телескопа зафиксировано под углом 55 градусов и может вращаться вокруг своей оси. Наведение на объект осуществляется перемещением инструментов в фокусе телескопа, что обеспечивает доступ к приблизительно 70–81% неба в данной местности, и позволяет отслеживать один объект до двух часов.
Большой телескоп Южной Африки
Большой южноафриканский телескоп (SALT) — это 10-метровый телескоп, основное время наблюдений которого посвящено спектроскопии. Он имеет конструктивные сходства с телескопом Хобби-Эберли и также состоит из 91 шестиугольного зеркального сегмента, каждый диаметром 1 метр, что в совокупности образует шестиугольное зеркало размером 11,1 м на 9,8 м. Телескоп расположен недалеко от города Сазерленд в полупустынной области Кару, Южная Африка. Он является частью Южно-Африканской астрономической обсерватории, национальной оптической обсерватории Южной Африки.
Гран Телескоп Канарские острова
Большой телескоп Канарских островов, также известный как GranTeCan, использует в общей сложности 36 сегментированных зеркал. С первичным зеркалом в 10,4 метра, в настоящее время это самый большой в мире оптический телескоп, расположенный в обсерватории Роке-де-лос-Мучачос на острове Ла-Пальма, на Канарских островах в Испании.
ЛАМОСТ
Большой небесный многообъектный волоконно-оптический спектроскопический телескоп — обзорный телескоп, расположенный в провинции Хэбэй Китая. Он состоит из двух прямоугольных зеркал, каждое из которых состоит из 24 и 37 сегментов соответственно. Каждый шестиугольный сегмент имеет размер 1,1 метра.
Космический телескоп Джеймса Уэбба
18 зеркальных сегментов космического телескопа Джеймса Уэбба были в основном изготовлены в 2011 году. Космический телескоп был запущен с помощью ракеты-носителя Ariane 5 с Космического центра Гвианы 25 декабря 2021 года.
Телескопы нового поколения
Три чрезвычайно больших телескопа станут следующим поколением телескопов с сегментированным зеркалом, и планируется ввести их в эксплуатацию в 2020-х годах. Гигантский телескоп Магеллана использует семь крупных сегментов и может рассматриваться как часть группы сегментированных телескопов или как отдельная категория. Тридцатиметровый телескоп должен быть построен в обсерваториях Мауна-Кеа на Гавайях, однако строительство в настоящее время приостановлено. Для его создания потребуется 492 шестиугольных сегмента. Европейский чрезвычайно большой телескоп станет самым крупным из этих трех, используя в общей сложности 798 сегментов для своего главного зеркала. Ожидается, что первый свет он получит в 2027 году.