Renderowanie tego artysty pokazuje w nocy widok ekstremalnie dużego teleskopu działającego na Cerro Armazones w północnym Chile. Teleskop pokazano za pomocą laserów, aby stworzyć sztuczne gwiazdy wysoko w atmosferze. (ESO / L. Calçada)

5 powodów, dla których astronomia jest lepsza z ziemi niż w kosmosie

W 1990 r. Wystrzelono Kosmiczny Teleskop Hubble'a, co doprowadziło do rewolucji w astronomii. Ale pod wieloma względami Ziemia wciąż jest najlepszym miejscem.

Kiedy myślisz o tym, co jest w otchłani kosmosu, niezależnie od tego, czy patrzysz na planety w Układzie Słonecznym, czy na najbardziej odległe galaktyki dostrzegalne we Wszechświecie, instrument, o którym myśli większość ludzi, aby uzyskać najlepsze zdjęcia i dane jest Kosmicznym Teleskopem Hubble'a. Umieszczone setki mil nad ziemską atmosferą, problemy takie jak chmury, zniekształcenia atmosfery, burzliwe powietrze, a nawet zanieczyszczenia nie stanowią problemu. Obrazy są tak ostre, jak pozwalają na to kamery i optyka na pokładzie, a poza swoją pozycją poza światem mogą patrzeć w dowolnym kierunku. Używając go, widzieliśmy cuda, o których nigdy nie wyobrażaliśmy sobie; Hubble pokazał nam, jak naprawdę wygląda Wszechświat.

To zdjęcie porównuje dwa widoki Filarów Mgławicy Orzeł wykonanych w Hubblelu w odstępie 20 lat. Nowy obraz po lewej uchwycił prawie dokładnie ten sam region, co w 1995 r. Po prawej. Jednak w nowszym zdjęciu zastosowano kamerę Wide Field Camera 3 firmy Hubble, zainstalowaną w 2009 r., Aby wychwytywać światło ze świecącego tlenu, wodoru i siarki z większą jasnością. Posiadanie obu obrazów pozwala astronomom badać, jak zmienia się struktura filarów w czasie, i pokazuje jeden z najlepszych przykładów tego, czego możemy się nauczyć, wykonując astronomię w kosmosie. (WFC3: NASA, ESA / Hubble i zespół dziedzictwa Hubble'a WFPC2: NASA, ESA / Hubble, STScI, J. Hester i P. Scowen (Arizona State University))

A jednak są rzeczy, które możemy zrobić z ziemi, które są bezsprzecznie lepsze od wszystkiego, co możemy zrobić z kosmosu. Istnieją obrazy, które możemy stworzyć i dane, które możemy zebrać, których po prostu nie da się zrobić z kosmosu. Niezależnie od tego, czy korzystamy z naziemnych teleskopów, obserwatoriów balonowych, czy nawet samolotów na dużych wysokościach, istnieje wiele dobrych powodów, aby pozostać tutaj na Ziemi. Oczywiście, latanie nad atmosferą i otrzymywanie wszechkierunkowej perspektywy, jaką daje podróż w kosmos, są zdecydowanymi zwycięstwami dla miłośników teleskopów kosmicznych; nie ma mowy, aby optyka adaptacyjna lub nieskazitelne miejsce obserwacyjne mogły konkurować z obserwatorium, w którym Ziemia nie jest w stanie walczyć. Ale istnieją pewne bardzo ważne powody, aby robić astronomię na ziemi, ponieważ istnieją korzyści, które tracisz, gdy tylko pójdziesz w kosmos. Oto pierwsza piątka.

Instrumenty naukowe na pokładzie modułu ISIM są obniżane i instalowane w głównym zespole JWST w 2016 r. Instrumenty te były kompletne lata wcześniej, a ich pierwsze użycie będzie możliwe dopiero najwcześniej w 2019 r. (NASA / Chris Gunn)

1.) Technologia teleskopów kosmicznych jest przestarzała, nawet przed jej uruchomieniem. Aby uruchomić teleskop kosmiczny, musisz zdecydować, co zamierzasz z nim zrobić, zaprojektować i zbudować swoje instrumenty, zintegrować je na pokładzie obserwatorium, a następnie uruchomić. W przypadku misji takiej jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba konstrukcja jego instrumentów była kompletna na początku dekady; instrument zbudowany dzisiaj miałby zintegrowane z nim około siedmiu lat doskonałej technologii. Obsługa teleskopu w kosmosie jest kosztowna, ryzykowna, aw niektórych przypadkach (np. Gdy teleskop znajduje się poza zasięgiem statku kosmicznego z załogą), jest praktycznie niemożliwa. Ale jeśli twoje obserwatorium jest na ziemi? Po prostu wyjmij stary instrument i włóż nowy, a twój stary teleskop będzie ponownie najnowocześniejszy, do granicy jego optycznej konstrukcji.

25-metrowy gigantyczny teleskop Magellana jest obecnie w budowie i będzie największym nowym naziemnym obserwatorium na Ziemi. Ramiona spidar, widziane z utrzymywaniem drugiego zwierciadła w miejscu, są specjalnie zaprojektowane tak, aby ich linia widzenia spadała bezpośrednio między wąskimi szczelinami w zwierciadłach GMT. Jest to najmniejszy z trzech zaproponowanych teleskopów klasy 30-metrowej, i jest większy niż jakikolwiek obserwatorium kosmiczne, jakie kiedykolwiek stworzono. Powinien zostać ukończony do połowy 2020 roku. (Giant Magellan Telescope / GMTO Corporation)

2.) Możesz zbudować większe obserwatorium na ziemi niż w kosmosie. Słyszę już twój sprzeciw: jeśli wydasz na to wystarczająco dużo pieniędzy, możesz uruchomić tak duży teleskop, jak chcesz. To prawda, ale tylko do pewnego momentu. W szczególności, do tego stopnia, że ​​twoje kosmiczne obserwatorium musi zmieścić się w wystrzeliwującej go rakiecie! Kosmiczny Teleskop Hubble'a ma jedynie 2,4 metra średnicy; największym teleskopem kosmicznym, jaki kiedykolwiek latał, jest Herschel ESA o odległości 3,5 metra. James Webb będzie większy ze względu na swój segmentowy projekt, ale każdy złożony segment musi zmieścić się na pokładzie rakiety, która go wystrzeli. Nawet w marzeniach NASA koncepcja teleskopu kosmicznego LUVOIR osiąga 15,1 metra średnicy. Jednak na ziemi nie ma ograniczeń wielkości ani ciężaru, a trzy niezależne teleskopy klasy 30 metrów są projektowane i budowane: GMTO, ELT i TMT. W radiu możemy pójść jeszcze dalej, jak pokazały obiekty takie jak Arecibo i FAST. W astronomii rozmiar ma znaczenie!

12 grudnia 2017 r. Odlot 82. kolejnej udanej misji Ariane 5 z Gujany Francuskiej. Lot VA240 powinien być reprezentatywny dla tego, co zobaczy JWST podczas startu w 2019 r. Oby zakończył się powodzeniem; na wystrzelenie kosmosu dostajemy tylko jedną szansę. (Arianespace)

3.) Nigdy nie musisz się martwić o niepowodzenie uruchomienia. Słyszałeś kiedyś o NASA Orbiting Carbon Observatory, zaprojektowanym, aby zobaczyć, jak CO2 porusza się w atmosferze z kosmosu? Prawdopodobnie nie, ponieważ satelita nie oddzielił się od rakiety podczas pierwszych kilku minut startu; cały zespół rakietowo-kosmiczny rozbił się w oceanie zaledwie 17 minut po pierwszym wystartowaniu. Rakieta, która uruchomi kosmiczny teleskop Jamesa Webba, Ariane 5, miała 82 sukcesy z rzędu, zanim poniosła częściową awarię zaledwie dwa miesiące temu. Wiele misji kosmicznych zakończyło się ponurym końcem z powodu awarii podczas startu, rozmieszczenia lub wstawienia orbity; po uruchomieniu naprawienie awarii statku kosmicznego jest praktycznie niemożliwe, gdy coś pójdzie nie tak. Z ziemi nigdy to nie nastąpi.

Pierwsze światło, 26 kwietnia 2016 r., 4-gwiazdkowego urządzenia prowadzącego laser (4LGSF). Ten zaawansowany adaptacyjny układ optyczny zapewnia ogromny postęp z ziemi, ale jest jednym z przykładów fantastycznej infrastruktury, którą można budować, konserwować, uzyskiwać dostęp, naprawiać lub wymieniać z ziemi. (ESO / F.. Kamphues)

4.) Infrastruktura naziemna jest znacznie lepsza niż wszystko, co masz w kosmosie. Chcesz zachować chłód swojego statku kosmicznego? Lepiej weź ze sobą cały potrzebny płyn chłodzący na czas misji i / lub miej nadzieję, że twój pasywny system chłodzenia nigdy się nie uszkodzi. Chcesz osłonić się przed słońcem? Upewnij się, że zawsze wskazujesz właściwy kierunek i masz nadzieję, że żyroskopy nigdy nie zawiodą. Czy element optyczny ulega degradacji, uszkodzeniu lub usterce? W kosmosie utkniesz z tym, co masz. Ale na ziemi możesz mieć ekstrawaganckie zaplecze konserwacyjne na miejscu. Uszkodzone, brudne lub uszkodzone lustro można wymienić; teleskopy na podczerwień mogą być chłodzone w nieskończoność; naprawy mogą być wykonywane ludzkimi rękami w czasie rzeczywistym; nowe części i ludzie mogą być wysyłane natychmiast. To niezwykłe osiągnięcie, że Hubble przetrwał prawie 30 lat, ale aby to zrobić, trzeba było wykonać wiele misji serwisowych (i trochę szczęścia). Na ziemi teleskopy, które mają pół wieku, wciąż powracają najnowocześniejszą nauką. Nie ma konkursu.

NASA Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) z otwartymi drzwiami teleskopu. To wspólne partnerstwo między NASA i niemiecką organizacją DLR pozwala nam zabrać najnowocześniejszy teleskop na podczerwień w dowolne miejsce na powierzchni Ziemi, umożliwiając nam obserwowanie wydarzeń w każdym miejscu. (NASA / Carla Thomas)

5.) Na Ziemi możesz obserwować z dowolnego miejsca. Gdy twoje obserwatorium znajdzie się w kosmosie, grawitacja i prawa ruchu ustalają w dowolnym momencie dokładnie, gdzie będzie ten statek kosmiczny. Wszędzie można zobaczyć wiele ciekawostek astronomicznych, ale są spektakularne wydarzenia, które wymagają przebywania w bardzo konkretnym miejscu w określonym momencie. Okultyzacje są ekstremalnym przykładem tego, w którym odległy, mały obiekt w Układzie Słonecznym przechodzi przed gwiazdą tła, ale tylko przez krótką chwilę w określonym miejscu. Księżyc Neptuna, Tryton i pierwsze miejsce po Plutonie, Nowe Morskie Huty, MU69, obie zakryły gwiazdy tła, a Triton robi to regularnie. Teleskopy kosmiczne nigdy nie miały tyle szczęścia, by je złapać, ale dzięki mobilnym obserwatoriom, takim jak SOFIA NASA, dowiedzieliśmy się, jak zmienia się atmosfera Triton wraz z porami roku, a nawet odkryliśmy mały księżyc wokół MU69! Ponieważ nie wkładamy wszystkich naszych jajek do kosza w kosmosie, możemy zrobić wyjątkową naukę, którą umożliwia światło docierające do naszego świata.

Szczyt Mauna Kea zawiera wiele najbardziej zaawansowanych i potężnych teleskopów na świecie. Wynika to z połączenia równikowej lokalizacji Mauna Kea, dużej wysokości, jakości widzenia oraz faktu, że ogólnie, ale nie zawsze, znajduje się powyżej linii chmur. (Współpraca z Subaru Telescope)

Jako bonus, dwie główne zalety podróży kosmicznej można skutecznie zrównoważyć z ziemi dzięki odpowiednim innowacjom technologicznym. Budując nasze obserwatoria na bardzo dużych wysokościach w miejscach, w których wciąż jest powietrze - takich jak na szczycie Mauna Kea lub w chilijskich Andach - możemy natychmiast usunąć dużą część turbulencji atmosferycznych z równania. Dodanie adaptacyjnej optyki, w której znany sygnał (jak jasna gwiazda lub sztuczna gwiazda utworzona przez laser, który odbija się od warstwy sodowej atmosfery, 60 kilometrów w górę) istnieje, ale wydaje się rozmazany, może pozwolić nam stworzyć właściwy „ kształt lustra ”, aby rozmazać ten obraz, a tym samym całe inne światło, które mu towarzyszy. Dodatkowe ulepszenia, takie jak jednoczesne korzystanie z wielu prowadnic, mogą osiągnąć 99% tego, co osiągniesz z kosmosu, ale przy dziesiątkach, a nawet setkach razy większej mocy zbierania światła.

I wreszcie atmosfera jest w dużej mierze przezroczysta dla nie tylko światła widzialnego, ale dla wielu różnych długości fali, które są na zewnątrz. Te „atmosferyczne okna” pozwalają nam patrzeć w dowolne miejsce we Wszechświecie, dopóki światło może przedostać się. Podczas gdy promienie gamma, rentgenowskie i wiele długości fal podczerwonych naprawdę można zobaczyć tylko z kosmosu, istnieją ogromne zakresy widma elektromagnetycznego, które dosłownie równie dobrze można oglądać z Ziemi. Fale radiowe są najbardziej oszałamiającym tego przykładem, w którym wiele rzędów wielkości jest tak samo nieskazitelnych z ziemi, jak z kosmosu. Istnieje również wiele wysoce skutecznych okien atmosferycznych w świetle ultrafioletowym, widzialnym i podczerwonym.

Transmitancja lub nieprzezroczystość widma elektromagnetycznego w atmosferze. Zwróć uwagę na wszystkie funkcje absorpcji w promieniach gamma, rentgenowskich i podczerwieni, dlatego najlepiej oglądać je z kosmosu. Jednak na wielu długościach fal, na przykład w radiu, ziemia jest równie dobra. (NASA)

Istnieje wiele dobrych powodów, aby robić astronomię z kosmosu, a cała masa imponujących obiektów, które możemy zobaczyć, i długości fal, które możemy zbadać, które w przeciwnym razie byłyby dla nas zamknięte od ziemi. Jednak pod względem wszechstronności, niezawodności, konserwacji, wielkości i najnowocześniejszej technologii Ziemia wciąż jest najlepszym miejscem. W miarę jak lokalizacje na dużych wysokościach i obserwatoria balonów lub samolotów stają się coraz bardziej powszechne, musimy coraz mniej martwić się o najstarszą nemezis astronoma: chmury. Jeśli uda nam się utrzymać nasze niebo czyste i ciemne, astronomia na Ziemi będzie nadal odkrywać nowe tajemnice o Wszechświecie dla przyszłych pokoleń.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.