Od niemal czterech stuleci światło miliardów gwiazd i galaktyk jest obserwowane za pomocą teleskopów zwierciadlanych. Badania te, ukazując obraz Wszechświata ogromnego i skomplikowanego, rozszerzyły nasze horyzonty i wzbogaciły naszą wyobraźnię. Pomimo tych sukcesów obserwacje wykonywane klasycznymi teleskopami podlegają istotnym ograniczeniom. Precyzyjne oszlifowanie i wypolerowanie dużej szklanej powierzchni do kształtu idealnej paraboloidy, skupiającej padające równolegle promienie świetlne w jednym punkcie, jest niezwykle kosztowne i bardzo trudne. Duże lustra mogą ulegać deformacjom przy zmianach temperatury, powyżej zaś pewnej wielkości mają również tendencję do ugniatania się pod własnym ciężarem.
Z tych powodów niektórzy astronomowie oraz eksperci od optyki rozważali od pewnego czasu nieco dziwaczną na pierwszy rzut oka alternatywę: lustro wykonane z cieczy. Takie lustro nie uginałoby się, a więc przynajmniej teoretycznie mogłoby być dowolnie duże. Co więcej, nadanie cieczy parabolicznego kształtu jest trywialnie proste: połączone oddziaływanie sił grawitacji i odśrodkowej nadaje wirującej masie cieczy , np. odbijającej światło rtęci, kształt idealnej paraboloidy. To zjawisko, które w domowych warunkach możemy zaobserwować mieszając łyżeczką kawę, pozwala uzyskać znakomitą powierzchnię optyczną nie wymagającą polerowania. Dzięki temu ciekłe lustra byłyby znacznie tańsze od szklanych, a duże układy optyczne stałyby się dostępne nawet dla miłośników astronomii. Ponadto ciekłe lustra mogłyby znaleźć zastosowanie w innych dziedzinach nauki i techniki, w których optyka odgrywa istotną rolę.
Nie wiadomo kto pierwszy wpadł na pomysł ciekłego lustra. Mógł to być sam Newton, twórca pierwszego teleskopu zwierciadlanego; zdawał on sobie bowiem sprawę, że wirująca ciecz przyjmuje kształt paraboloidy. Wiadomo natomiast, że od pierwszej poważnej próby zastosowania tego pomysłu doszło na początku naszego stulecia, Robert Williams Wood - ekscentryczny fizyk i pisarz pracujący w Johns Hopkins University - skonstruował teleskop z ciekłym lustrem. Nie udało mu się rozwiązać wielu problemów, które pojawiają się przy konstrukcji takiego urządzenia. Chociaż wykonał fotografie przechodzących przez pole widzenia teleskopu gwiazd, uzyskane obrazy były rozmazane. Nieodpowiednie łożysko podtrzymujące zwierciadło powodowało, że prędkość obrotowa nie była stała, co w konsekwencji prowadziło do zmian długości ogniskowej. Ponadto drgania i ruchy powietrza marszczyły powierzchnię rtęci. Na to wszystko nałożyła się jeszcze jedna niedokładność ciekłego lustra - nie można go poruszać tak, by skompensować obrót Ziemi. W rezultacie obrazy gwiazd na kliszy fotograficznej wyglądały jak rozmyte prążki.
Idea płynnych luster pozostawała w zapomnieniu aż do stycznia 1982 roku, kiedy to James E. Gunn i Peter Schnider z Princeton University oraz Maarten Schmidt z California Institute of Technology zademonstrowali niezwykłą metodę kompensacji obrotu Ziemi. W obserwatorium na Mount Palamar śledzili przez całą noc pas nieba za pomocą teleskopu Hale'a (o średnicy 5 metrów) nieruchomego w ustalonej pozycji. Detektor CCD - półprzewodnikowy odbiornik światła - umożliwił uzyskanie prawidłowego obrazu nieba bez poruszania teleskopu.
Wewnętrzna konstrukcja detektora CCD pozwoliła skompensować ruch obrotowy Ziemi za pomocą elektronicznego przesuwania elementów światłoczułych ze wschodu na zachód w tempie odpowiadającym ruchowi obrazu gwiazd znajdujących się w polu widzenia teleskopu. Można by go porównać z wykonaniem zdjęcia na błonie fotograficznej przesuwającej się w aparacie z taką samą prędkością jak obraz poruszającego się fotografowanego obiektu. Technika ta ogranicza długość ekspozycji do kilku minut, podczas których obraz obiektu przesuwa się przez wąską szczeliną detektora. Jednakże wykonując w czasie kolejnych nocy ekspozycje tych samych fragmentów nieba można komputerowo dodawać ich obrazy zwiększając w ten sposób czułość.
Osiągnięcie Gunna, Schneidera i Schmidta zainteresowało Ermanna F. Borra. Przeprowadził on sprawdzian pierwszego rtęciowego lustra o średnicy 50 cm. Wykonał prosty test, który polegał na umieszczeniu na drodze odbitych od lustra promieni świetlnych, pochodzących z punktowego źródła, cienkiego ostrza, np.: żyletki. Jeśli lustro jest prawidłowo wykonane, obraz ma ostre krawędzie, a przesłonięcie go przez przesuwające się ostrze jest natychmiastowe. Złe lustro daje obraz rozmyty, oświetlający ostrze. Test wypadł pomyślnie potwierdzając paraboliczny kształt lustra.
Wkrótce zbudował lustro o średnicy metra, aby bardziej szczegółowo przeanalizować problemy technologii, opartej na ciekłej rtęci. Pomagali mu w tym absolwenci Laval University - Robin Arsenault oraz Mario Beauchemin. Kolejne testy potwierdziły, że powierzchnia lustra była idealnie paraboliczna i dostatecznie gładka. Konstrukcja podtrzymująca lustra okazała się na tyle stabilna, że marszczenie się powierzchni cieczy było zaniedbywalne, a ogniskowa niezmienna.
Zachęcony tymi wynikami Borra postanowił zająć się sprawą całkiem poważnie. Po pierwsze, należało zbudować laboratorium umożliwiające precyzyjne pomiary optyczne i wyposażyć je w najnowocześniejszą aparaturę. Przygotowania zajęły znacznie więcej czasu niż same eksperymenty. W czasie budowy konieczna była staranna kontrola ustawienia układów optycznych, drgań budynku oraz turbulencji powietrza. Osiągnięcie wysokiej jakości wymaga wykonania i ustawienia lustra z dokładnością do 1/40 długości fali padającego światła. Po zakończeniu budowy Borra postanowił rozpocząć testy nowego lustra rtęciowego o średnicy 1 ½ metra. Stanisław Szapiel, obecnie pracujący w National Institute of Optics, uzyskał na monitorze telewizyjnym obraz sztucznej gwiazdy. Po powiększeniu ukazał się centralny dysk otoczony naprzemiennie ułożonymi jasnymi i ciemnymi pierścieniami. Wyglądało to jak wzór dyfrakcyjny lustra. Obraz taki powstaje nawet wtedy, gdy powierzchnia optyczna jest bliska ideału, na skutek naturalnych ograniczeń, powodowanych falową naturą światła. Powierzchnie falowe odbitego promieniowania nakładają się na siebie, wzajemnie się wzmacniając lub osłabiając i, podobnie jak fale na powierzchni stawu, tworzą skomplikowane wzory. W rezultacie obraz punktowego źródła ma charakterystyczny kształt dysku otoczonego pierścieniami, odpowiadającymi miejscom wzmocnienia lub osłabienia odbitych fal świetlnych. Ostrość obrazu zależy nie tyle od jakości, ile od średnicy lustra : im większa, tym ostrzejszy obraz. Początkowo nie było pewne, czy obraz uzyskany na monitorze jest rzeczywiście obrazem dyfrakcyjnym, ale po długich dyskusjach, obliczeniach i dodatkowych eksperymentach uznano, że owe lustro było niemal idealne. Potwierdzenie tego wymagało jednak jeszcze bardziej rygorystycznych testów.
Robert Content, wówczas doktorant w Laval University, przebadał dokładnie lustro o średnicy 1 ½ metra za pomocą interferometru z płytką rozpraszającą. Instrument ten pozwala na podstawie zarejestrowanych wzorów interferencyjnych światła wyznaczyć kształt powierzchni z niezwykłą precyzją.
Badanie ciekłych luster jest trudniejsze niż szklanych, ponieważ ciecz zmienia kształt bardzo szybko. Pomiarów nie można więc uśredniać, jak to się zwykle robi z lustrami ze szkła, dzięki czemu pomniejsza się wpływ odkształceń powodowanych przez drgania i turbulencje powietrza. Badania interferometryczne udowodniły ostatecznie, że dobre ciekłe lustro zachowuje kształt paraboliczny z dokładnością nie mniejszą niż 1/30 długości fali światła widzialnego, co jest wartością zbliżoną do pierwotnie planowanych parametrów kosmicznego teleskopu Hubble'a.
Chociaż testy laboratoryjne przyniosły rezultaty znacznie lepsze od oczekiwanych, konieczne było sprawdzenie, jak ciekłe lustro będzie się spisywać w warunkach zewnętrznych - w praktyce astronomicznej. W tym celu zbudowano w 1986 r obserwatorium z teleskopem o średnicy metra, rok zaś później 1,2 m. Studenci prowadzili obserwacje w ciągu 63 pogodnych nocy, poszukując rozbłysków gwiazd, o których napływały uprzednio pojedyncze, niepotwierdzone doniesienia. Jako detektora użyto programowanej 35-milimetrowej kamery rejestrującej ślady gwiazd w okresie do dwóch minut. Żadnych rozbłysków nie dostrzeżono wnioskując z tego, że jeśli nawet występują, to bardzo rzadko. Przede wszystkim jednak projekt ten doprowadził do opublikowania epokowej pracy, opisującej pierwszy udany program badawczy zrealizowany za pomocą teleskopu z ciekłym lustrem.
Powstaje jednak pytanie, jak obserwacje można wykonać teleskopem, który co prawda jest bezpieczny, tani i precyzyjny, ale którego nie można skierować tam, gdzie się chce? Twierdzono, że do nieruchomego teleskopu można zaadaptować każdy niemal system detekcji i rejestracji promieniowania. A jeśli uwzględnimy jedynie sprawdzoną już technikę CCD, teleskopy z ciekłymi lustrami i tak mogą znacząco wspomóc badania astronomiczne.
Skorzystać z nich powinni kosmolodzy, zwłaszcza ci, którzy zajmują się sporządzaniem „mapy” Wszechświata. Poszukują oni niezwykle odległych, a tym samym bardzo słabych obiektów, co wymaga prowadzenia długich obserwacji za pomocą dużych teleskopów. Ponieważ jednak instrumenty wykonane ze szkła konwencjonalną techniką są bardzo drogie, żaden samotny astronom nie ma szans na uzyskanie czasu obserwacyjnego wystarczającego do tego rodzaju badań. Zapotrzebowanie na duże teleskopy jest tak ogromne, że nawet zespoły badawcze nie otrzymują więcej niż kilkanaście nocy w ciągu roku na realizację swoich projektów. W rezultacie badania trwają wiele lat.
Niższa cena pozwoliłaby kosmologom w większym stopniu wykorzystywać teleskopy z ciekłymi lustrami niż teleskopy ze szkła. Nowa technologia mogłaby przyspieszyć postęp badań w różnych dziedzinach - od poszukiwań odległych supernowych i kwazarów aż po studia nad ewolucją i topologią Wszechświata. Pierwsze instrumenty służące tym celom już skonstruowano. Paul Hickson z University of British Columbia realizując wspólny projekt z Laval University zbudował teleskop z ciekłym lustrem o średnicy 2,7 metra przeznaczony do badań spektroskopowych. Jest on wyposażony w filtry interferencyjne i detektor CCD; pierwsze obserwacje wykonano pod koniec 1992 r. Andrew E. Potter, Jr, z NASA i Terry Byers z Lockheed Corporation zbudowali teleskop z ciekłym lustrem o średnicy 3 metrów, przeznaczony do wykrywania kosmicznego gruzu - obiektów o rozmiarach 1 cm i większych, które mogą stanowić zagrożenie dla satelitów, statków załogowych i stacji kosmicznych.
Technologia ciekłych luster ułatwia nie tylko budowę dużych teleskopów; gwarantuje także wysoką jakość powierzchni, niski poziom rozpraszania światła, dużą światłosiłę oraz możliwość precyzji kontroli zmiany ogniskowej. W rezultacie ciekłe lustra mogą przyczynić się do rozszerzenia zakresu badań w wielu dziedzinach nauki. Borra wraz z Robertem J. Sicą z University of Western Ontario i jego zespołem zastosowali płynne lustro jako odbiornik w systemie LIDAR monitorującym atmosferę ziemską na wysokości od 30 do 110 km. Działanie systemu polega na emisji silnego impulsu laserowego, który wzbudza cząsteczki atmosfery. Emitują one następnie światło, którego natężenie i widmo niosą informacje o temperaturze i gęstości w danym miejscu atmosfery. Możliwości ciekłego lustra o średnicy 2.65 metra zastosowanego jako odbiornik wtórnego promieniowania stawiają ten system w światowej czołówce instrumentów do badania atmosfery.
Płynne lustra mogą również służyć w laboratoriach optycznych jako powierzchnie wzorcowe ze względu na swój idealnie paraboliczny kształt. W najbardziej oryginalnym dotychczas projekcie związanym z tą technologią Nathalie Ninane z Centrum Kosmicznego w Liege wykonuje hologram lustra rtęciowego o średnicy 1.4 metra. Po wyświetleniu obraz holograficzny będzie służył jako wzorzec idealnej paraboloidy wykorzystywany podczas polerowania lustra szklanego .
Perspektywa budowy gigantycznych ciekłych luster od początku była niezwykle pociągająca. Istnieją jednak czynniki ograniczające średnicę lustra. Jednym z nich jest krzywizna Ziemi, która wprowadza niewielkie zmiany w ogniskowej. Inny problem stanowi siła Coriolisa - ta sama, która nadaje wielkim prądom powietrznym w atmosferze spiralny kształt. Efekt taki powstaje, gdy przedmiot ( np. wirujące ciekłe lustro ) porusza się w obracającym się układzie odniesienia, którym jest Ziemia. Obliczenia wykonane niezależnie przez Hicksona, Brada K. Gibsona oraz przez Borra wykazały jednak, że w przypadku ciekłych luster problem ten nie ma istotnego znaczenia. Poważniejszą przeszkodę stanowi wiatr, który powoduje istotne zaburzenia. I chociaż można lustro obudować, izolując je od zewnętrznych prądów powietrza, to zawirowania powstałe na skutek jego obrotu będą najprawdopodobniej ograniczały max. średnicę teleskopu. Zewnętrzne części lustra poruszają się tym szybciej, im większe jest lustro, i dlatego lokalna turbulencja powietrza będzie wzrastać wraz z wielkością lustra.
Na szczęście istnieją sposoby na zmniejszenie falowania powierzchni lustra. Jednym z nich jest stosowanie cienkiej warstwy rtęci. Jeszcze lepsze wyniki uzyskuje się pokrywając powierzchnię lustra pojedynczą warstwą cząsteczek organicznych, takich jak oleje. Gwarantowaną metodą jest umieszczenie nad wirującą cieczą plastikowej błony. Po przetestowaniu wielu materiałów stwierdzono, że najlepsza jest cienka, mocna warstwa mylaru, która dobrze chroni powierzchnię lustra i nie rozprasza światła.
Teoretycznie możliwe jest także zastosowanie holografii w urządzeniach korygujących. Jeśli specjalnie zarejestrowany hologram zostanie wyświetlony na drodze odbitego światła, wiązka będzie oczyszczona z błędów powstałych przy odbiciu. Mozaika komputerowo wygenerowanych hologramów mogłaby kompensować aberracje w świetle pochodzącym z obszarów odległych od zenitu, zwiększając pole widzenia. Możliwość korekcji holograficznej wymaga jednak dalszego postępu technologicznego. Powstaje pytanie czy teleskop z ciekłym lustrem może być umieszczony w kosmosie. Możliwość taka jest intrygująca ze względu na własności tych urządzeń - doskonałe parametry optyczne, małą masę, łatwość instalacji. Księżyc, pomimo panujących na nim bardzo niskich temperatur, nadawałby się niewątpliwie na miejsce budowy takiego teleskopu. Lustra wykonane z lekkich stopów galu lub jeszcze lżejszych stopów metali alkalicznych pozostałyby płynne w warunkach księżycowych dzięki niskim temperaturom krzepnięcia. Wydawało się natomiast jeszcze do niedawna zupełnie niemożliwe umieszczenie ciekłego lustra w przestrzeni kosmicznej. Grawitacja, która dostarcza siły potrzebnej do uformowania parabolicznego kształtu lustra, nie spełnia tej funkcji na orbicie, gdzie teleskop znajduje się w stanie swobodnego spadku. Użycie konwencjonalnego silnika do uzyskania potrzebnego przyspieszenia byłoby niepraktyczne, ponieważ szybko wyczerpałyby się zapasy paliwa.
Opinię na ten temat zmienił dopiero pomysł zastosowania żagla słonecznego do napędu statków kosmicznych. W 1992 r. ukazał się artykuł analizujący możliwość użycia żagli słonecznych do poruszania teleskopów z ciekłymi lustrami na orbicie. Słońce stanowi niewyczerpane źródło energii, którą żagiel słoneczny może zużytkować do nadania powierzchni cieczy parabolicznego kształtu. I chociaż pomysł ten wydaje się bliższy fantastyki niż prawdziwej nauki, jest on oparty na zupełnie racjonalnych założeniach. Dotychczas nie zbudowano żadnego żaglowego statku kosmicznego, ale badania przeprowadzone w NASA w latach siedemdziesiątych wykazały, że taki projekt jest realny.
Lustro przyspieszane przez żagiel słoneczny nie zwiększyłoby jego pędu, a co za tym idzie, nie opuściłoby Układu Słonecznego pod warunkiem, że poruszałoby się z prędkością mniejszą niż na danej orbicie. Żagiel słoneczny przeciwdziałałby wówczas przyciąganiu grawitacyjnemu na tyle, by utrzymać teleskop na orbicie. Mógłby też znieść całkowicie grawitację i w ten sposób powstałby stacjonarny instrument zdolny do wykonywania obserwacji o długim czasie integracji. Colin McInnes z University of Glasgow wykazał, że kosmiczny żaglowiec byłby zdolny do poruszania się po bardzo różnorodnych orbitach oraz do przechodzenia z jednej na drugą. Dzięki temu umieszczony w przestrzeni teleskop z płynnym lustrem mógłby być kierowany niemal w dowolnym kierunku, podobnie jak teleskopy konwencjonalne. Można sobie wyobrazić, jakich odkryć dokonaliby astronomowie, dysponując na orbicie okołoziemskiej teleskopem o średnicy np. kilometra.
W czerwcowym numerze „Physics Today” z 1987 roku Per H. Andersen zamieścił notatkę zatytułowaną „Czy astronomowie będą w przyszłości prowadzić obserwacje za pomocą ciekłych luster?” W ciągu następnych siedmiu lat wybudowano kilka takich teleskopów i wykorzystano je w badaniach naukowych. Powstaje pytanie, jak wielu astronomów będzie używać ich w niedalekiej przyszłości. Czas przyniesie odpowiedź, ale przynajmniej niektóre specjalistyczne programy badawcze, np. przeglądy nieba, będą wykonywane za pomocą ciekłych luster. Naukowcy marzą o chwili, w której teleskopy z płynnymi lustrami przejmą większość zadań obserwacyjnych astronomii, spychając dawne szklane instrumenty na margines. Wizja ta wydaje się nieco przedwczesna, ale w końcu prostota i małe koszty ciekłych luster przeważą.
1
6