Как собирают самое большое в мире зеркало для телескопа? (5 фото)

Зеркальную кузницу в Университете Аризоны легко не заметить. Обладая внушительными размерами, Лаборатория зеркал Ричарда Кэриса находится в тени гигантского футбольного стадиона университета на 56 000 мест. Даже ее самая выдающаяся деталь — восьмиугольная бетонная вышка, украшенная эмблемой школы, выглядит как архитектурная деталь арены по соседству. Однако именно в этой башне расположено самое важное оборудование.

Внутри лаборатории узкая люминесцентная зеленая лестница поднимается на пять этажей до входа в башню. Вас там встретит управляющий лабораторией Стюарт Вайнбергер и попросит вынуть все из карманов.

«Очки, ключи, ручки. Все, что может упасть и повредить зеркало», говорит он. Вайнбергер проводит экскурсию на подиум в 25 метрах над зеркалом диаметром 9 метров. Чтобы сделать это зеркало, понадобилось 20 миллионов долларов и около шести лет. «Большинству людей в лаборатории даже не разрешают сюда заходить», говорит он. Это объясняет нервозность Вайнбергера — он привязал камеру экскурсанта к запястью. Далее — от первого лица, корреспондент Wired.

Вид второго зеркального сегмента с вершины испытательной башни лаборатории зеркал

Стеклянный диск надо мной — одно из семи зеркал, которые в конечном итоге соберутся в Гигантский Магелланов Телескоп. Он заработает в полную силу в 2025 году в обсерватории Лас Кампанас в пустыне Атакама в Чили и станет крупнейшей оптической обсерваторией в мире. Его зеркала, каждое из которых весит 17 тонн, будут расположены в цветочно-лепестковой конфигурации с шестью асимметричными зеркалами, окружающими центральный симметричный сегмент. В совокупности они растянутся на 25 метров (что вдвое больше диаметра существующих оптических телескопов) и займут общую площадь в 1300 квадратных метров (примерная площадь двух теннисных кортов). Обладая разрешающей силой в 10 раз большей, чем у космического телескопа Хаббла, БМТ будет ловить и фокусировать фотоны галактик и черных дыр на задворках Вселенной, изучать формирование звезд и миров рядом с ними и искать следы жизни в атмосферах потенциально обитаемых планет.

Но прежде чем БМТ приступит к своей работе, ученым и инженерам из лаборатории зеркал нужно создать эти гигантские плиты из стекла. Сделать это, как и следовало ожидать, будет поистине монументальной задачей.

«Это одно из самых сложных зеркал, которые когда-либо делали. Они асферичные, очень большие и сверхточные», говорит помощник директора MirrorLab Джефф Кингсли. «Наша цель — делать по одному зеркалу каждые четыре года, от начала и до конца». На первое зеркало ушло около десяти лет. Второй сегмент — который так защищает Вайнбергер — начали делать в январе 2012 года и не закончат до 2019.

В настоящее время в MirrorLab находятся зеркала БМТ на разных этапах производства. Последнее начали делать буквально на прошлой неделе. Первый шаг — загрузить 20 тонн боросиликатного стекла E6 в огромную вращающуюся печь, вручную. Внутри печи 1700 шестиугольных столбов образуют форму сот, на постройку которых ушло около шести месяцев. В течение нескольких дней печь, разогретая до тысячи градусов по Цельсию, переворачивается пять раз в минуту. Стекло, теперь уже жидкое, стекает в соты, а силы вращения закругляют расплавленную жижу по краям, придавая зеркалу его вогнутую форму.

Чтобы печь вернулась к комнатной температуре, нужно три месяца. Только тогда сотрудники лаборатории убирают зеркало, ставят его при помощи подъемника и ввергают в ванну под высоким давлением. «Мы по сути обстреливаем ее пистолетом для мытья машин», говорит Кингсли. «Умный студентик из университета пришел и переделал его под очистку стекла».

Затем сотрудники лаборатории переворачивают зеркало сверху вниз на гигантскую парящую доску и перевозят в центральную камеру лаборатории, где находится две станции полирования зеркала. Они убирают полсантиметра стекла из задней части отливки. Как только она становится гладкой, сотрудники MirrorLab крепят к ней 165 распределителей нагрузки, которые затем будут крепиться к приводам уже в пустыне Атакама.

Затем сотрудники переворачивают зеркало лицом кверху, и начинается сложная работа.

Шесть внешних сегментов зеркала БМТ — лепестки на цветке, если угодно — имеют неправильную форму. Их контуры топографически идентичны чипсам Pringles, только более тонкие; кривые невозможно увидеть невооруженным глазом, но из-за них формирование зеркала становится болью пониже спины.

«Мы хотим, чтобы телескоп был ограничен фундаментальной физикой — длиной волны света и диаметром зеркала, а не неровностями на поверхности зеркала», говорит ученый-оптик Бадди Мартин, наблюдающий за шлифованием и полировкой. Под «неровностями» он имеет в виду дефекты больше 20 нанометров — размеры небольшого вируса. Но когда зеркало выходит из формы, его неровности могут достигать миллиметра или больше.

Несколько проходов грубой обработки могут сгладить эти неровности до 20 микрон — четверть ширины человеческого волоса. Но эти огрехи по-прежнему в 1000 раз больше, чем они должны быть.

Именно здесь в игру вступает башня MirrorLab. На ее вершине есть набор лазеров и интерферометров, которые ищут эти субмикронные шероховатости. Процесс измерения настолько чувствителен, что зеркало должно находиться на пневматической системе, отделяющей его от движения здания. «Вибрации поступают с футбольного стадиона, дорожного движения на прилегающих улицах, вертолетах на пути в больницу», говорит Мартин. «Вы их не почувствуете, но измерения очень чувствительные».

Датчики в испытательной башне создают контурную карту поверхности зеркала. Загрузите карту в полировальную машину, и она удалит все шероховатости зеркала. Но не все сразу. На протяжении более чем года зеркало будут двигать туда-сюда между башней и полировальными станциями, пока оно не станет гладким… «как стеклышко».

Только тогда зеркалу позволят покинуть лабораторию. Первый сегмент БМТ покинул объект в сентябре, чтобы освободить место для своих родных братьев и сестер. Сейчас он находится во временном хранилище недалеко от международного аэропорта Тусон, ожидая отгрузки в пустыню Атакама, где 100-нанометровое тонкое покрытие из алюминия завершит долгий переход от 20-тонной кучи стеклянных кусков в прочесывающую космос отражающую поверхность.

«Знаете, мы ведь даже зеркал тут не делаем», говорит Мартин. «Мы делаем большие куски стекла».


Интересные материалы: