Μεγαλύτερα τηλεσκόπια, μικρότερα όργανα μέτρησης;

Γιατί;

Τα μεγαλύτερα, μέχρι σήμερα, οπτικά τηλεσκόπια επί της Γης με διάμετρο ~8-10m, δηλαδή όσο περίπου 2 αμάξια, απαιτούν οπτικά όργανα μεγέθους ενός δωματίου ~20τ.μ (π.χ. ο φασματογράφος CARMENES). Η επόμενη γενιά, με μεγαλύτερα τηλεσκόπια, τα οποία έχουν ήδη αρχίσει να κατασκευάζονται (ELT, TMT) με διάμετρο 30-40m, με σκοπό να συλλέγουν περισσότερο φως απο αμυδρούς στόχους, θα διογκώσουν το πρόβλημα περαιτέρω. Αυτό οφείλεται στο ότι η διάμετρος ενός τηλεσκοπίου στη Γη, καθορίζει και ανάλογα τις διαστάσεις του ειδώλου στην εστία του, και συνεπώς το μέγεθος του οργάνου μέτρησης που θα αναλύσει το φως αυτό (φασματογράφος σχισμής-οπτικής ίνας, κάμερα, κτλ).

Κύριος στόχος της αστρονομικής οργανολογίας είναι η μείωση της απώλειας φωτός που χάνεται σε κάθε οπτική επιφάνεια λόγω διαφόρων παραμέτρων, όπως η περιορισμένη ανακλαστικότητα-διαπερατότητα των οπτικών στοιχείων. Σημαντική εξίσου παράμετρος είναι και η σταθεροποίηση του περιβάλλοντος (θερμοκρασία, πίεση) του οργάνου μέτρησης το οποίο έχει άμεση επίδραση στην ευθυγράμμιση των οπτικών στοιχείων του και συνεπώς στην απόδοσή του. Έτσι, σε πολλές περιπτώσεις τα οπτικά όργανα μεταφέρονται σε κτίρια μακριά απ’ το θάλαμο του τηλεσκοπίου, αποφεύγοντας έτσι τις διακυμάνσεις της θερμοκρασίας, πίεσης κτλ., μένοντας σταθερά στο έδαφος και όχι εξαρτημένα απο τη δομή του τηλεσκοπίου, πράγμα που αυξάνει την αστάθεια στη στόχευση. Σε αυτές τις περιπτώσεις το φως από το τηλεσκόπιο μεταφέρεται, συνήθως, στα όργανα ανάλυσης των αστρονόμων με ειδικές οπτικές ίνες.

Πώς;

Η αστροφωτονική τεχνολογία είναι ο συνδυασμός της φωτονικής (οπτικές ίνες, ενσωματωμένα οπτικά-integrated optics) με τον τομέα της αστρονομικής οργανολογίας – astronomical instrumentation. Ο τομέας αυτός καλείται να αντιμετωπίσει το προαναφερθέν πρόβλημα, το οποίο απαιτεί πολύ μεγαλύτερα όργανα μέτρησης για τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια, με σκοπό να φτιάξει όργανα πολύ πιό μικρά σε μέγεθος αλλά με παρόμοια τουλάχιστον ακρίβεια και δυνατότητες. Αυτό συμφέρει διότι τα μικρότερα όργανα διαθέτουν ανάλογα οπτικά στοιχεία, με καλύτερη ακρίβεια εν γένει, έχουν πολύ χαμηλότερο κόστος και είναι πιό εύκολο να κατασκευαστούν σε ποσότητες. Μέσω εφαρμογών της αστροφωτονικής, καταφέρνουμε να μειώσουμε σημαντικά το μέγεθος των οργάνων μέτρησης από αρκετά μέτρα (π.χ. ο φασματογράφος CARMENES ~4m) σε μέγεθος μερικών δεκαδικών του μέτρου (~0.02m).

Μία άλλη προσέγγιση στο ίδιο πρόβλημα, είναι η χρήση οπτικομηχανικών στοιχείων με ταχείες μεταβολές της επιφάνειάς τους (Adaptive Optics). Με αυτή την προσέγγιση το είδωλο στην εστία του τηλεσκοπίου γίνεται “μικρότερο” σε μέγεθος, αλλά και διορθώνονται οι διαταραχές που προκαλεί η ατμόσφαιρα της γης στο φως του αστεριού. Η τεχνική αυτή, αν και πολλά υποσχόμενη, είναι αρκετά περίπλοκη, χρονοβόρα (10 χρόνια…) και λειτουργεί υπό περιορισμένες ατμοσφαιρικές συνθήκες.

Η πρόσφατη τεχνολογία της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D-printing) συμβάλλει καταλυτικά στο να κατασκευάσουμε οπτικούς φακούς με ακρίβεια νανοκλίμακας (~1000 φορές μικρότερο από τη διάμετρο μίας ανθρώπινης τρίχας) χωρίς να ανησυχούμε για την ευθυγράμμιση των οπτικών μας στοιχείων μεταξύ τους, πράγμα το οποίο αυξάνει την απόδοση πλησιάζοντας την θεωρητική οπτική απόδοση του συστήματος όπως αυτή προσομοιώνεται.