Por que estamos construindo telescópios terrestres maiores em vez de lançar outros maiores no espaço?

Esta pergunta é uma continuação de Os telescópios maiores equivalem a melhores resultados?

Qual o tamanho de um espelho terrestre para corresponder ao que um espelho espacial pode fazer? Acho que estou pedindo principalmente luz visível, mas também estou interessado em geral.

Eu acho que no chão, você está a salvo de micrometeoritos, então provavelmente vai durar mais tempo. Em que momento fica mais barato construir um telescópio na lua ou algo assim?

É mais barato.

(1) Com óptica adaptativa, você pode obter uma resolução de 0,1 arco-segundo no solo (reconhecidamente apenas no topo de uma montanha com fluxo de ar particularmente bom, mas ainda assim!). Isso elimina uma das principais vantagens do espaço até você ultrapassar vários metros de diâmetro do espelho.

(2) Carenagens de foguetes são as mortalhas que protegem as cargas úteis durante as velocidades atmosféricas supersônicas atingidas durante o lançamento. Uma carenagem de 5 metros é a maior que pode ser voada, o que limita o tamanho dos espelhos de uma peça que podem ser lançados. (O espelho do Dreaded Webb Telescope está em peças que se juntam no espaço - uma peça de design muito assustadora e muito cara.)

(3) A manutenção de um telescópio no topo de Mauna Kea ou no alto Andes chilenos é um processo difícil e caro. A manutenção de um telescópio em órbita faz com que pareça uma pequena mudança. (Custo comparável ao custo de construção de um novo escopo gigante na Terra.) E o serviço em órbita nem pode ser feito com a tecnologia atual, exceto em baixa órbita terrestre.

(4) Embora a alta resolução seja uma fronteira em astronomia, ir fundo é outro, e ir fundo exige grandes espelhos. Um espelho de 30 metros na Terra reúne muito mais luz do que um espelho de 5 metros no espaço. Os gigantescos telescópios terrestres simplesmente fazem um trabalho melhor em serem baldes de luz para espectroscopia do que qualquer coisa que ainda possamos colocar no espaço.

A conclusão é que, com o desenvolvimento da óptica adaptativa, os telescópios espaciais de tamanho atualmente montável e lançável perderam sua principal vantagem em relação aos telescópios terrestres. E como eles custam de 10 a 100 vezes, eles simplesmente não valem a pena serem construídos para muitos propósitos.

Os telescópios espaciais ainda mantêm uma margem significativa em partes do espectro bloqueadas pela atmosfera, como UV e IR (Webb), e para certas tarefas que envolvem fotometria de alta precisão a longo prazo (Kepler) e astrometria (Gaia). Mas, para uso geral, a balança parece firmemente do lado do solo para grandes telescópios.

Isso mudará se o vôo espacial ficar mais barato - o SpaceX BFR, por exemplo, com sua carenagem de 9 metros e custos de lançamento dramaticamente mais baixos, oferece grande esperança para os telescópios espaciais.

Além da grande resposta de Mark ...

Por que estamos construindo telescópios terrestres maiores em vez de lançar outros maiores no espaço?

Se você tivesse dinheiro para duas casas, uma perto do trabalho e uma 'casa de veraneio' na floresta, como você dividiria seu orçamento?

Esta pergunta é uma continuação de Os telescópios maiores equivalem a melhores resultados?

Sim, e não sou fã dessas respostas, talvez o @MarkOlson também não esteja impressionado.

Essas respostas perdem a ótica adaptativa (descartando-a como cara e não particularmente eficaz) e a capacidade de atualizar facilmente tudo, exceto o tamanho do edifício e o espelho principal.

Qual o tamanho de um espelho terrestre para corresponder ao que um espelho espacial pode fazer? Acho que estou pedindo principalmente luz visível, mas também estou interessado em geral.

Não é tanto "quanto maior", é "comercializar efetivamente sua idéia, garantir o máximo de financiamento possível e construir o maior edifício com o maior espelho principal possível". Aprofundar e construir o que você pode, não pode ser atualizado tão grande quanto você pode - sensores e supercomputadores podem consertar o resto.

Eu acho que no chão, você está a salvo de micrometeoritos, então provavelmente vai durar mais tempo. Em que momento fica mais barato construir um telescópio na lua ou algo assim?

Telescópios terrestres e espaciais são úteis, menos lunares.

Quando a "The Acme Telescope Company" abrir sua primeira loja na Lua, o preço da compra cairá, até então a Terra e o espaço serão mais baratos. Com base no espaço, você pode encontrá-lo na metade do caminho para reparos; com base no solo (mesmo no topo de uma montanha), uma instalação de reparo geralmente fica próxima.

No Paranal, o prédio de manutenção de espelhos está localizado no topo da montanha, perto dos espelhos.

Artigo da Scientific America: o telescópio espacial James Webb é "grande demais para falir?" explica:

“Assumindo que chegamos à trajetória de injeção do Terra-Sol L2, é claro que a próxima coisa mais arriscada é implantar o telescópio. E, diferentemente do Hubble, não podemos resolver o problema. Nem mesmo um robô pode sair e consertá-lo. Então, estamos correndo um grande risco, mas por uma grande recompensa ”, diz Grunsfeld.

No entanto, são feitos esforços modestos para tornar o JWST "reparável" como o Hubble,de acordo com Scott Willoughby, gerente de programa da JWST na Northrop Grumman Aerospace Systems em Redondo Beach, Califórnia. A empresa aeroespacial é a principal contratada da NASA para desenvolver e integrar o JWST, e foi encarregada de provisionar um "anel de interface de veículo de lançamento" no telescópio que poderia ser "apreendido por alguma coisa", seja astronauta ou robô operado remotamente, diz Willoughby. Se uma nave espacial fosse enviada para L2 para atracar no JWST, ela poderia tentar reparos - ou, se o observatório estiver funcionando bem, basta carregar o tanque de combustível para prolongar sua vida útil. Mas, atualmente, nenhum dinheiro é orçado para tais heróicos. No caso em que o JWST sofre o que os que estão nos voos espaciais chamam de "dia ruim", seja por acidente de foguete ou falha de implantação ou algo imprevisto, Grunsfeld diz que atualmente há um conjunto de observatórios no espaço,

Forjados do anel de interface do veículo de lançamento (LVIR) (2) entregues

Citação do site " James Webb Space Telescope " (JWST):

O espelho primário concluído será 2,5 vezes maior que o diâmetro do espelho primário do Telescópio Espacial Hubble, que tem 2,4 metros de diâmetro, mas pesará aproximadamente metade do mesmo.

O Telescópio Espacial James Webb coletará luz aproximadamente 9 vezes mais rápido que o Telescópio Espacial Hubble quando se levar em conta os detalhes dos tamanhos, formas e recursos relativos dos espelhos em cada projeto ", disse Eric Smith, cientista do programa JWST na sede da NASA, O aumento da sensibilidade permitirá que os cientistas vejam quando as primeiras galáxias se formaram logo após o Big Bang. O telescópio maior terá vantagens para todos os aspectos da astronomia e revolucionará os estudos de como as estrelas e os sistemas planetários se formam e evoluem.

Veja também: " Webb vs Telescópio Hubble ":

... objetos mais distantes são mais altamente desviados para o vermelho e sua luz é empurrada dos raios UV e ópticos para o infravermelho próximo. Assim, as observações desses objetos distantes (como as primeiras galáxias formadas no Universo, por exemplo) requerem um telescópio infravermelho.

Essa é a outra razão pela qual o Webb não substitui o Hubble, porque seus recursos não são idênticos. Webb examinará principalmente o Universo no infravermelho, enquanto o Hubble o estuda principalmente nos comprimentos de onda ópticos e ultravioletas (embora ele tenha alguma capacidade de infravermelho). Webb também tem um espelho muito maior que o Hubble. Essa área maior de coleta de luz significa que Webb pode espiar mais longe no tempo do que o Hubble é capaz de fazer. O Hubble está em uma órbita muito próxima ao redor da Terra, enquanto Webb estará a 1,5 milhão de quilômetros (km) de distância no segundo ponto de Lagrange (L2).

...

Até onde a Webb verá?

Por causa do tempo que a luz leva para viajar, quanto mais longe um objeto está, mais no tempo estamos olhando.

Esta ilustração compara vários telescópios e a que distância eles são capazes de ver. Essencialmente, o Hubble [HST] pode ver o equivalente a "galáxias infantis" e o Telescópio Webb [JWST] poderá ver "galáxias infantis". Uma das razões pelas quais Webb poderá ver as primeiras galáxias é porque é um telescópio infravermelho. O universo (e, portanto, as galáxias nele) está se expandindo. Quando falamos sobre os objetos mais distantes, o General Relatives de Einstein entra em cena. Diz-nos que a expansão do universo significa que é o espaço entre os objetos que realmente se estende, fazendo com que os objetos (galáxias) se afastem um do outro. Além disso, qualquer luz nesse espaço também se estenderá, mudando o comprimento de onda dessa luz para comprimentos de onda mais longos. Isso pode tornar objetos distantes muito escuros (ou invisíveis) a comprimentos de onda visíveis da luz, porque essa luz chega até nós como luz infravermelha. Telescópios infravermelhos, como Webb, são ideais para observar essas galáxias primitivas.

Atualizações nas técnicas ópticas adaptativas estão em andamento, consulte: " Imagens diferenciais coerentes rápidas em telescópios terrestres usando a câmera autocherente " (7 de junho de 2018), de Benjamin L. Gerard, Christian Marois e Raphaël Galicher:

"Desenvolvemos a estrutura para um desses métodos, com base na câmera auto-coerente (SCC), a ser aplicada aos telescópios terrestres, denominada Fast Atmospheric SCC Technique (FAST). Mostramos que, com o uso de um coronagraph especialmente projetado e coerente, algoritmo de imagem diferencial, a gravação de imagens a cada poucos milissegundos permite uma subtração de manchas atmosféricas e estáticas, mantendo uma taxa de transferência de exoplaneta algorítmica próxima à unidade.As simulações detalhadas atingem um contraste próximo ao limite de ruído de fótons após 30 segundos para uma passagem de banda de 1% na banda H em estrelas de magnitude 0 e 5. Para o caso de 5ª magnitude, isso é cerca de 110 vezes melhor em contraste bruto do que o que é obtido atualmente com os instrumentos ExAO se extrapolarmos por uma hora observando o tempo, ilustrando que a melhoria da sensibilidade desse método pode desempenhar um papel essencial na futura detecção e caracterização de exoplanetas de menor massa ".

Em suma, às vezes eles podem remover completamente a atmosfera. Melhorias estão chegando.

ESO 4LGSF - Instalação de estrelas-guia a laser - Quatro lasers são usados ​​para criar estrelas-guia para a AO.

Respondendo à sua subquestão sobre construir na lua: Isso está sujeito aos mesmos custos e restrições de lançamento que um escopo baseado em espaço, além de você ter que lidar com o pouso e com a queda gravitacional. Portanto, a primeira coisa que você precisa é de uma base lunar em funcionamento que possa fabricar todos os componentes a partir de matérias-primas locais. Uma vez instalado (insira uma grande gargalhada aqui), você ainda precisará de óptica adaptativa (como escopos de vários elementos como o JWebb) para alinhamento e desvios de curvatura gravitacionais, mas, como são estáticos, você não precisa da alta frequência resposta necessária na Terra para lidar com as aberrações atmosféricas. Você vai querer aproveitar o "lado sombrio" para que a luz terráquea não estrague tudo.

Resposta aos telescópios na lua. Estar na superfície da lua cria problemas em comparação com flutuar livremente no espaço, longe de qualquer planeta / lua. A gravidade distorce os espelhos / mecânica, requer engenharia extra para suportar o peso, o meio céu é bloqueado pela lua a qualquer momento, emissão térmica do solo, mudanças de temperatura com o ciclo dia-noite, poeira ...

O outro lado da lua seria o melhor lugar para fazer observações de rádio de baixa frequência. A lua bloqueia todas as emissões da terra.