Pourquoi construisons-nous de plus grands télescopes terrestres au lieu d'en lancer de plus grands dans l'espace?


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Cette question fait suite à Est-ce que les grands télescopes donnent les meilleurs résultats?

À quel point un miroir au sol doit-il être plus gros pour correspondre à ce qu'un miroir dans l'espace peut faire? Je suppose que je demande principalement de la lumière visible, mais je m'intéresse aussi à l'ensemble.

Je suppose que sur le terrain, vous êtes à l’abri des micrométéorites, donc cela durera probablement plus longtemps. À quel moment devient-il moins coûteux de construire un télescope sur la lune ou quelque chose du genre?


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Comment se comparent les télescopes basés sur les avions? en.wikipedia.org/wiki/Kuiper_Airborne_Observatory et en.wikipedia.org/wiki/…
Shawn V. Wilson Le

Mais dans l’espace, vous n’avez pas de nuages ​​pour bloquer votre vue (enfin, c’est le cas, mais ce sont de gros blocs de poussière) ou de photo bombardée par des avions.
Leo Pan

Réponses:


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C'est moins cher.

(1) Avec l'optique adaptative, vous pouvez obtenir une résolution de 0,1 seconde d'arc sur le sol (certes uniquement au sommet d'une montagne avec une circulation d'air particulièrement bonne, mais quand même!). Cela élimine l’un des principaux avantages de l’espace jusqu’à atteindre un diamètre de miroir de plusieurs mètres.

(2) Les carénages de fusée sont des haubans qui protègent les charges utiles lors des vitesses atmosphériques supersoniques atteintes lors du lancement. Un carénage de 5 mètres est à peu près le plus grand qui puisse être volé, ce qui limite la taille des miroirs monoblocs pouvant être lancés. (Le miroir du dreaded Webb Telescope est en morceaux qui vont se monter dans l'espace - un dessin très effrayant et très coûteux.)

(3) La maintenance d'un télescope au sommet du Mauna Kea ou dans les hautes Andes chiliennes est un processus difficile et coûteux. Faire l'entretien d'un télescope en orbite donne à penser que cela change peu. (Un coût comparable à celui de la construction d’ une nouvelle lunette géante sur Terre.) Et la maintenance en orbite ne peut même pas être effectuée avec la technologie actuelle, sauf en orbite terrestre basse.

(4) Tandis que la haute résolution est une frontière en astronomie, aller en profondeur en est une autre, et aller en profondeur nécessite de grands miroirs. Un miroir de 30 mètres sur Terre recueille beaucoup plus de lumière qu'un miroir de 5 mètres dans l'espace. Les télescopes terrestres géants font tout simplement mieux pour être des seaux lumineux de spectroscopie que tout ce que nous pouvons encore placer dans l'espace.

L’essentiel est qu’avec le développement de l’optique adaptative, les télescopes basés dans l’espace, d’une taille actuellement exploitable et pouvant être lancée, aient perdu leur principal avantage par rapport aux télescopes basés au sol. Et comme ils coûtent 10 à 100 fois plus cher, ils ne valent tout simplement pas la peine d'être construits à de nombreuses fins.

Les télescopes spatiaux détiennent toujours un avantage significatif dans certaines parties du spectre bloquées par l'atmosphère, telles que les UV et les IR (Webb), ainsi que pour certaines tâches impliquant une photométrie de haute précision à long terme (Kepler) et l'astrométrie (Gaia). Mais pour une utilisation générale, la balance semble fermement au sol pour les grands télescopes.

Cela changera si le vol spatial devient moins cher - le SpaceX BFR, par exemple, avec son carénage de 9 mètres et ses coûts de lancement considérablement réduits, offre un grand espoir pour les télescopes spatiaux.


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Peut-être ajouter que l'optique adaptative ne fonctionne pas vraiment aux longueurs d'onde visibles; seulement proche IR. Un télescope spatial donnera toujours une meilleure résolution angulaire aux longueurs d'onde visibles.
Rob Jeffries

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@ jamessqf: C'est vrai, mais vous passez beaucoup de temps sur un instrument très coûteux. Il est beaucoup plus efficace de construire un plus grand télescope sur Terre pour moins de dollars. Prendre plusieurs expositions du même endroit et les ajouter au travail sur la Terre comme dans l’espace - la majeure partie du ciel est occultée par la Terre à un moment donné sur l’orbite de Hubble.
Mark Olson

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@RobJeffries AO fonctionne parfaitement dans le visible, bien que je concède que l'extrémité bleue est difficile à gérer.
Carl Witthoft

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@ Donald.McLean Cela dépend de ce que vous voulez faire. Le Webb est conçu pour regarder en arrière, mais un grand télescope fonctionnant dans le visible peut faire la spectroscopie d'objets faibles au-delà de z = 2, et qui couvre un très grand nombre d'objets intéressants. L’essentiel est que Webb dépasse les 9 milliards de dollars, l’ensemble du télescope de trente mètres étant estimé à 1,4 milliard de dollars. La Webb ne s'appelle pas "le télescope qui mange de l'astronomie" pour rien!
Mark Olson

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@jamesqf En réalité, ni les télescopes spatiaux ni terrestres n'exposent plus de 30 minutes environ. Au contraire, plusieurs expositions sont combinées en une seule image. Le HUDF, par exemple, a utilisé 800 expositions, chacune de 1 200 secondes. La raison en est que les objets clairs vont saturer les pixels s'ils sont exposés trop longtemps et que la probabilité que les rayons cosmiques détruisent une belle image augmente avec le temps d'exposition. Mais avec plusieurs expositions plus courtes, les CR sont éliminés en prenant la médiane de nombreuses expositions.
pela

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En plus de l'excellente réponse de Mark ...

Pourquoi construisons-nous de plus grands télescopes terrestres au lieu d'en lancer de plus grands dans l'espace?

Si vous aviez de l'argent pour deux maisons, une proche du travail et un «chalet d'été» dans les bois, comment diviseriez-vous votre budget?

Cette question fait suite à Est-ce que les grands télescopes donnent les meilleurs résultats?

Oui, et je ne suis pas fan de ces réponses, peut-être que @MarkOlson n'est pas impressionné non plus.

Ces réponses manquent à l'optique adaptative (considérée comme coûteuse et peu efficace) et à la possibilité de tout mettre à niveau facilement, à l'exception de la taille du bâtiment et du miroir principal.

À quel point un miroir au sol doit-il être plus gros pour correspondre à ce qu'un miroir dans l'espace peut faire? Je suppose que je demande principalement de la lumière visible, mais je m'intéresse aussi à l'ensemble.

Ce n'est pas tellement "combien plus grand", c'est "commercialiser efficacement votre idée, sécuriser autant de fonds que possible et construire le plus grand bâtiment avec le plus grand miroir principal possible". Creusez en profondeur et construisez ce que vous pouvez, sans être mis à niveau autant que possible - des capteurs et des superordinateurs peuvent réparer le reste.

Je suppose que sur le terrain, vous êtes à l'abri des micrométéorites, donc cela durera probablement plus longtemps. À quel moment devient-il moins coûteux de construire un télescope sur la lune ou quelque chose du genre?

Les télescopes terrestres et spatiaux sont utiles, les lunaires moins.

Lorsque nous avons "The Acme Telescope Company" ouvert leur premier magasin sur la Lune, le prix d'achat va baisser, jusque-là, la Terre et l'espace seront moins chers. Avec l’espace, il peut vous rencontrer à mi-chemin pour les réparations. Avec le sol (même au sommet d’une montagne), un centre de réparation est souvent à proximité.

À Paranal, le bâtiment d’entretien des miroirs est situé au sommet de la montagne, près des miroirs.

Article de Scientific America: Le télescope spatial James Webb est-il "trop ​​gros pour échouer?" explique:

«En supposant que nous atteignions la trajectoire d'injection vers Terre-Soleil L2, la prochaine chose la plus risquée est le déploiement du télescope. Et contrairement à Hubble, nous ne pouvons pas résoudre ce problème. Même un robot ne peut pas le réparer. Nous prenons donc un grand risque, mais pour une belle récompense », déclare Grunsfeld.

Cependant, des efforts modestes sont déployés pour rendre JWST "utilisable" comme Hubble,Selon Scott Willoughby, responsable du programme JWST chez Northrop Grumman Aerospace Systems à Redondo Beach, Californie. La société aérospatiale est le principal contractant de la NASA pour le développement et l'intégration de JWST. Elle a été chargée de fournir un anneau d'interface de lancement au télescope qui pourrait être "saisi par quelque chose", qu'il s'agisse d'un astronaute ou d'un robot télécommandé, explique Willoughby. Si un vaisseau spatial était envoyé à L2 pour y être amarré à JWST, il pourrait alors tenter de le réparer ou, si l'observatoire fonctionne correctement, compléter simplement son réservoir de carburant pour en prolonger la durée de vie. Mais pour l’instant, aucun budget n’est prévu pour de tels exploits. Au cas où JWST souffre de ce que les occupants des vols spatiaux appellent discrètement un «mauvais jour», que ce soit en raison d'accident de la roquette ou d'un problème de déploiement ou d'un imprévu, M. Grunsfeld indique qu'il existe actuellement un ensemble d'observatoires dans l'espace,

LVIR

Pièces forgées en anneau d’interface lanceur (LVIR) (2) livrées

Citation du site Web " James Webb Space Telescope " (JWST):

Le miroir primaire terminé sera 2,5 fois plus grand que le diamètre du miroir principal du télescope spatial Hubble, qui mesure 2,4 mètres de diamètre, mais pèsera environ deux fois moins.

Le télescope spatial James Webb captera la lumière environ 9 fois plus vite que le télescope spatial Hubble si l'on prend en compte les détails de la taille, des formes et des caractéristiques des miroirs de chaque modèle ", a déclaré Eric Smith, scientifique du programme JWST à la NASA, La sensibilité accrue permettra aux scientifiques de remonter au moment où les premières galaxies se sont formées juste après le Big Bang.Le plus grand télescope aura des avantages pour tous les aspects de l'astronomie et révolutionnera les études sur la formation et l'évolution des étoiles et des systèmes planétaires.

Voir aussi: " Webb vs télescope Hubble ":

... les objets les plus éloignés sont plus fortement décalés vers le rouge et leur lumière est poussée des rayons UV et optique dans le proche infrarouge. Ainsi, les observations de ces objets lointains (comme les premières galaxies formées dans l'univers, par exemple) nécessitent un télescope infrarouge.

C’est l’autre raison pour laquelle Webb ne remplace pas Hubble, c’est que ses fonctionnalités ne sont pas identiques. Webb s'intéressera principalement à l'Univers dans l'infrarouge, tandis que Hubble l'étudiera principalement aux longueurs d'onde optiques et ultraviolettes (bien qu'il possède certaines capacités infrarouges). Webb a également un miroir beaucoup plus grand que Hubble. Cette zone de collecte de lumière plus grande signifie que Webb peut regarder plus loin dans le temps que ce que Hubble est capable de faire. Hubble est sur une orbite très étroite autour de la Terre, tandis que Webb sera à 1,5 million de kilomètres (km) au deuxième point de Lagrange (L2).

...

Jusqu'où ira Webb?

En raison du temps nécessaire pour voyager, plus un objet est éloigné, plus nous remontons dans le temps.

Voir en arrière dans le temps.

Cette illustration compare différents télescopes et leur distance de visibilité. En gros, Hubble [HST] peut voir l'équivalent de "galaxies pour tout-petits" et le télescope Webb [JWST] pourra voir "des galaxies pour bébés". L'une des raisons pour lesquelles Webb pourra voir les premières galaxies est un télescope infrarouge. L'univers (et donc les galaxies qu'il contient) est en expansion. Lorsque nous parlons des objets les plus lointains, le rapport général d'Einstein entre en jeu. Cela nous dit que l'expansion de l'univers signifie que c'est l'espace entre les objets qui s'étire réellement, ce qui amène les objets (galaxies) à s'éloigner les uns des autres. De plus, toute lumière dans cet espace s’étirera également, déplaçant sa longueur d’onde vers des longueurs d’onde plus longues. Cela peut rendre les objets distants très faibles (ou invisibles) aux longueurs d'onde visibles de la lumière, parce que cette lumière nous parvient sous forme de lumière infrarouge. Les télescopes infrarouges, comme Webb, sont idéaux pour observer ces galaxies anciennes.

Des mises à jour des techniques d'optique adaptative sont en cours, voir: " Imagerie différentielle cohérente rapide sur des télescopes au sol utilisant une caméra auto-cohérente " (7 juin 2018), de Benjamin L. Gerard, Christian Marois et Raphaël Galicher:

"Nous développons le cadre d'une telle méthode basée sur la caméra auto-cohérente (SCC) à appliquer aux télescopes au sol, appelée technique FCC (Fast Atmospheric SCC). Nous montrons que l'utilisation d'un coronographe spécialement conçu et cohérent algorithme d'imagerie différentielle, l'enregistrement d'images toutes les quelques millisecondes permet de soustraire les taches atmosphériques et statiques tout en maintenant un débit d'algorithme proche de l'unité: les simulations détaillées permettent d'atteindre un contraste proche de la limite de bruit des photons après 30 secondes pour une bande passante de 1% dans la bande H Pour les étoiles de magnitude 0 et de magnitude 5. Pour le cas de magnitude 5, le contraste brut est environ 110 fois supérieur à celui obtenu avec les instruments ExAO si nous extrapolons pendant une heure d'observation., illustrant que l'amélioration de la sensibilité grâce à cette méthode pourrait jouer un rôle essentiel dans la détection et la caractérisation futures d'exoplanètes de masse inférieure. "

En bref, ils peuvent parfois éliminer complètement l'atmosphère. Des améliorations sont à venir.

ESO 4LGSF - Installation d'étoiles guides laser - Quatre lasers sont utilisés pour créer des étoiles guides pour l'AO.


Une petite idiote: les réparations dans l’espace ne se produiront jamais pour que ces télescopes soient placés aux points de Lagrange. Trop loin pour que les humains puissent y aller.
Carl Witthoft

@CarlWitthoft - Faites - vous référence à ce point de je fait: « Avec un espace basé peut vous rencontrer à mi - chemin pour les réparations, ... » - Mon plus grand nC'est je ne dis pas y aller ou le laisser comme ordures de l' espace si Hubbles. Bien moins cher de tirer un rétro, de se rencontrer un an ou deux plus tard, d’effectuer des réparations (espérons-le pas de le sauver) et de le repousser. Vous pourriez peut-être écrire une question: aimez-le ou laissez-le ...
Rob

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En fait, je pense que nous verrons des réparations et des mises à niveau spatiales de la prochaine génération de télescopes spatiaux. Se rendre, par exemple, de la position de Webb à l’orbite terrestre haute est relativement bon marché. Si BFR fait ses preuves ou si Blue Origin réussit et franchit une nouvelle étape, envoyer un équipage sur une orbite de 100 000 km devient un coût comparable à celui d’un lancement à l’ancien de ULA par LEO. Et ajouter 1000 kg à la Webb lui permettrait de revenir sur la même orbite de 100 000 km pour l’entretien à l'aide de moteurs à ions. Une baisse des coûts de lancement de type BFR est un point d'inflexion pour l'astronomie spatiale.
Mark Olson

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@ MarkOlson - Vrai. Prix SpaceX est soit U $ 62M ou U $ 90m à envoyer 4.020 ou 16.800 kg à Mars selon le véhicule que vous choisissez. Si cela coûtait 10 fois plus cher d'envoyer des personnes ou un robot au rendez-vous en orbite ou en L2, cela ne représenterait que 10% du coût. Si votre voiture coûte 30 000 $ , vous devrez payer 3 000 $ pour la réparer ou l'amener à la casse, je ne peux m'empêcher de penser qu'un nombre raisonnable de personnes paierait pour la réparation - en particulier lorsque vous comparez le bénéfice à la perte. .
Rob

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@ Mark Olson: Pourquoi envoyer un équipage à l'endroit où vous avez garé le télescope? (Etant donné que vous devez également envoyer un système de support à la vie avec eux et payer le temps de déplacement ...) Construisez un remorqueur robotique qui le ramènera à LEO, réparez-le là-bas et récupérez-le. Vous pouvez utiliser le même remorqueur pour les satellites de communication, etc.
jamesqf

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Répondre à votre sous-question concernant la construction sur la Lune: elle est soumise aux mêmes coûts et restrictions de lancement qu’à une lunette de visée spatiale, mais vous devez également faire face à l’atterrissage et à l’affaissement gravitationnel. La première chose dont vous avez besoin est donc une base lunaire fonctionnelle capable de fabriquer tous les composants à partir de matières premières locales. Une fois que cela est en place (insérez un grand rire ici), vous aurez toujours besoin d’optiques adaptatives (comme les étendues multi-éléments comme JWebb) pour l’alignement et les décalages d’atténuation gravitationnelle, mais comme elles sont statiques, vous n’avez pas besoin de la haute fréquence. réponse requise sur Terre pour gérer les aberrations atmosphériques. Vous voudrez construire sur le "côté obscur" afin que la lumière Terran ne souille pas tout.


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Bonne réponse. En outre, la lune est poussiéreuse, ce qui augmente également les coûts, car vous devez nettoyer le miroir et espérer que la poussière n'encrasse pas les mécanismes délicats.
Mark Olson

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Les cratères les plus populaires suggérés sont les cratères situés près du pôle Sud. Ils sont ombrés en permanence (par le Soleil et la Terre), mais ont des pics proches dans une lumière presque permanente, pour le pouvoir. J'ai vu des suggestions selon lesquelles un télescope lunaire aurait une direction très limitée et serait conçu de manière à être très profond dans un petit espace situé près du pôle Sud.
Steve Linton

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"5 tonnes de particules de comète frappent la surface de la Lune toutes les 24 heures ... éjectant la poussière de la Lune au-dessus de la Lune." Sans parler de la possibilité que l'un de ceux-ci frappe le télescope. Donc, toujours dans le domaine de la science-fiction pour le moment. en.wikipedia.org/wiki/Moon#Dust
GlenPeterson

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@GlenPeterson pas de problème: construire un gros aspirateur :-) :-)
Carl Witthoft

C'est peu pratique, voyez ce qui se passe à Paranal : "Chaque nuit, les immenses miroirs sont exposés à l'atmosphère ..." ... ... "Ils accumulent progressivement de la poussière ... ce qui réduit leur réflectivité, les rendant moins efficaces ... Alors ils sont régulièrement retirés du télescope, descendus de la montagne vers le centre de recouvrement, nettoyés puis recouverts d’une nouvelle couche d’aluminium mince et hautement réfléchissante. Le processus de nettoyage du miroir prend huit jours ... ". Comme Glen l'a fait remarquer, la lune a beaucoup de poussière.
Rob

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Réponse aux télescopes sur la lune. Être à la surface de la lune crée des problèmes par rapport à la liberté de flotter librement dans l’espace, loin de toute planète / lune. La gravité déforme les miroirs / la mécanique, nécessite de l'ingénierie supplémentaire pour supporter le poids, la moitié du ciel est bloquée par la lune à tout moment, les émissions thermiques du sol, les changements de température avec le cycle jour-nuit, la poussière ...

La face cachée de la lune serait le meilleur endroit pour faire des observations radio à basse fréquence. La lune bloque toutes les émissions de la terre.

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