تلسكوب المرآة السائلة

التلسكوبات ذات المرايا السائلة هي تلسكوبات مزودة بمرايا مصنوعة من سائل عاكس. يُعد الزئبق السائل الأكثر شيوعًا ، ولكن يمكن استخدام سوائل أخرى أيضًا (مثل سبائك الغاليوم ذات درجة الانصهار المنخفضة ). يدور السائل وحاويته بسرعة ثابتة حول محور رأسي، مما يجعل سطح السائل يتخذ شكلًا قطعيًا مكافئًا . يمكن استخدام هذا العاكس القطعي المكافئ كمرآة أساسية لتلسكوب عاكس . يتخذ السائل الدوار نفس شكل السطح بغض النظر عن شكل الحاوية؛ ولتقليل كمية المعدن السائل اللازمة، وبالتالي الوزن، تستخدم مرآة الزئبق الدوارة حاويةً أقرب ما يمكن إلى الشكل القطعي المكافئ المطلوب. تُعد المرايا السائلة بديلاً منخفض التكلفة للتلسكوبات الكبيرة التقليدية . فمقارنةً بمرآة زجاجية صلبة تتطلب الصب والطحن والتلميع، فإن تصنيع مرآة المعدن السائل الدوارة أقل تكلفة بكثير.

لاحظ إسحاق نيوتن أن السطح الحر لسائل دوار يشكل قطعًا مكافئًا دائريًا ، وبالتالي يمكن استخدامه كمنظار، لكنه لم يتمكن من بناء واحد لعدم وجود طريقة لديه لتثبيت سرعة الدوران. ^{[ 1 ] [ 2 ]} وقد طور إرنستو كابوتشي (1798-1864) من مرصد نابولي (1850) هذا المفهوم، ^{[ 3 ] [ 4 ]} ولكن لم يتم بناء أول منظار مرآة سائلة عملي في المختبر إلا في عام 1872 على يد هنري سكي من مدينة دنيدن في نيوزيلندا.

تتمثل إحدى الصعوبات الأخرى في أن المرآة المعدنية السائلة لا تُستخدم إلا في التلسكوبات الموجهة نحو الأعلى مباشرةً ، مما يجعلها غير مناسبة للدراسات التي تتطلب بقاء التلسكوب موجهًا نحو نفس الموقع في الفضاء المرجعي (مع وجود استثناء محتمل لهذه القاعدة، وهو تلسكوب فضائي ذو مرآة سائلة ، حيث يُستبدل تأثير جاذبية الأرض بجاذبية اصطناعية ، ربما عن طريق دفعه للأمام برفق باستخدام الصواريخ). لا يُمكن الحصول على رؤية ثابتة نسبيًا للسماء إلا من خلال تلسكوب يقع في القطب الشمالي أو الجنوبي ، مع الأخذ في الاعتبار درجة تجمد الزئبق وبعد الموقع. يوجد بالفعل تلسكوب راديوي في القطب الجنوبي، لكن الوضع مختلف في القطب الشمالي لوقوعه في المحيط المتجمد الشمالي.

كانت مرآة الزئبق لتلسكوب زينيث الكبير في كندا أكبر مرآة معدنية سائلة تم بناؤها على الإطلاق. بلغ قطرها 6 أمتار (20 قدمًا) ودارت بمعدل 8.5 دورات في الدقيقة تقريبًا . تم إيقاف تشغيلها في عام 2016. ^{[ 5 ]} كانت هذه المرآة تجريبية، بُنيت بتكلفة مليون دولار، لكنها لم تكن مناسبة لعلم الفلك بسبب ظروف الطقس في موقع الاختبار. اعتبارًا من عام 2006، ^{[ 6 ]} كانت هناك خطط لبناء تلسكوب أكبر بمرآة سائلة يبلغ قطره 8 أمتار (26 قدمًا) يُدعى ALPACA للاستخدام الفلكي، ^{[ 7 ]} ومشروع أكبر يُسمى LAMA يضم 66 تلسكوبًا فرديًا بقطر 6.15 متر (20.2 قدمًا) بقدرة تجميع إجمالية تعادل تلسكوبًا بقطر 55 مترًا، وقدرة تحليلية تعادل تلسكوبًا بقطر 70 مترًا (230 قدمًا) . ^{[ 8 ] [ 9 ]}     

في المناقشة التالية،${\displaystyle g}$يمثل التسارع الناتج عن الجاذبية الأرضية ،${\displaystyle \omega }$يمثل السرعة الزاوية لدوران السائل، بوحدة الراديان في الثانية.${\displaystyle m}$هي كتلة جزء متناهي الصغر من المادة السائلة على سطح السائل،${\displaystyle r}$هي المسافة بين الطرد ومحور الدوران، و${\displaystyle h}$هل ارتفاع القطعة فوق الصفر هو ما سيتم تحديده في الحساب؟

يمثل مخطط القوى (الموضح) لقطة للقوى المؤثرة على الجسم، في إطار مرجعي ثابت. يشير اتجاه كل سهم إلى اتجاه القوة، بينما يشير طول السهم إلى شدة القوة. يمثل السهم الأحمر وزن الجسم ، الناتج عن الجاذبية والمتجه عموديًا إلى الأسفل. يشير السهم الأخضر إلى قوة الطفو التي يؤثر بها السائل على الجسم. ولأن السائل، في حالة الاتزان، لا يمكنه التأثير بقوة موازية لسطحه، فإن السهم الأخضر يجب أن يكون عموديًا على السطح. يشير السهم الأزرق القصير إلى محصلة القوى المؤثرة على الجسم. وهي المحصلة الاتجاهية لقوتي الوزن والطفو، وتؤثر أفقيًا باتجاه محور الدوران. (يجب أن تكون أفقية، لأن الجسم لا يتسارع رأسيًا). إنها القوة المركزية التي تُسرّع الجسم باستمرار نحو المحور، مما يحافظ على حركته الدائرية أثناء دوران السائل.

قوة الطفو (السهم الأخضر) لها مركبة رأسية، والتي يجب أن تساوي الوزن${\displaystyle mg}$بالنسبة للطرود (السهم الأحمر)، يجب أن تساوي المركبة الأفقية لقوة الطفو القوة المركزية${\displaystyle m\omega ^{2}r}$(السهم الأزرق). لذلك، يميل السهم الأخضر عن الوضع الرأسي بزاوية ظلّها يساوي حاصل قسمة هاتين القوتين. وبما أن السهم الأخضر عمودي على سطح السائل، فإن ميل السطح يجب أن يكون حاصل قسمة القوتين نفسه.

${\displaystyle {\frac {dh}{dr}}={\frac {m\omega ^{2}r}{mg}}.}$

إلغاء${\displaystyle m}$من كلا الجانبين، التكامل، والتحديد${\displaystyle h=0}$متى${\displaystyle r=0}$يؤدي إلى

${\displaystyle h={\frac {1}{2g}}\omega ^{2}r^{2}.}$

هذا على شكل${\displaystyle h=kr^{2}}$، أين${\displaystyle k}$هو ثابت، مما يدل على أن السطح، بحكم التعريف، هو قطع مكافئ .

تتمثل الميزة الأكبر للمرآة السائلة في تكلفتها المنخفضة، التي تبلغ حوالي 1% من تكلفة مرآة التلسكوب التقليدية. وهذا يُخفض تكلفة التلسكوب بأكمله بنسبة 95% على الأقل. فعلى سبيل المثال، بلغت تكلفة تلسكوب سمت الكبير ذو الستة أمتار التابع لجامعة كولومبيا البريطانية حوالي 1/50 من تكلفة تلسكوب تقليدي مزود بمرآة زجاجية. ^{[ 14 ]} أما العيب الأكبر فهو أن المرآة لا يمكن توجيهها إلا للأعلى مباشرةً. وتجري حاليًا أبحاث لتطوير تلسكوبات قابلة للإمالة، ولكن في الوقت الحالي، إذا مالت المرآة السائلة خارج نطاق سمت الرأس ، فإنها ستفقد شكلها. وبالتالي، تتغير رؤية المرآة مع دوران الأرض ، ولا يمكن تتبع الأجرام السماوية فعليًا. يمكن تتبع الجرم السماوي إلكترونيًا لفترة وجيزة أثناء وجوده في مجال الرؤية عن طريق تحريك الإلكترونات عبر جهاز اقتران الشحنات (CCD) بنفس سرعة حركة الصورة؛ وتُعرف هذه التقنية باسم " التأخير الزمني والتكامل" أو "المسح الانجرافي". ^{[ 15 ]} بعض أنواع الأبحاث الفلكية لا تتأثر بهذه القيود، مثل المسوحات السماوية طويلة الأمد وعمليات البحث عن المستعرات العظمى . بما أن الكون يُعتقد أنه متجانس ومتساوي الخواص (وهذا ما يسمى بالمبدأ الكوني )، فإن دراسة بنيته من قبل علماء الكونيات يمكن أن تستخدم أيضًا تلسكوبات ذات مجال رؤية محدود للغاية.

نظرًا لسمية بخار الزئبق للإنسان والحيوان، لا يزال استخدامه في أي تلسكوب يُحتمل أن يؤثر على مستخدميه وغيرهم في محيطه يُمثل مشكلة. في تلسكوب زينيث الكبير، وُضعت مرآة الزئبق والمشغلون في غرف منفصلة ذات تهوية جيدة. وبفضل موقعه في جبال كندا، تكون درجة الحرارة المحيطة منخفضة نسبيًا، مما يُقلل من معدل تبخر الزئبق. يُمكن استخدام معدن الغاليوم الأقل سمية بدلًا من الزئبق، لكن عيبه ارتفاع تكلفته. وقد اقترح باحثون كنديون مؤخرًا استبداله بمرايا سائلة قابلة للتشكيل مغناطيسيًا، مُكوّنة من معلق من جسيمات نانوية من الحديد والفضة في الإيثيلين جليكول . إضافةً إلى انخفاض سميته وتكلفته المنخفضة نسبيًا، تتميز هذه المرآة بسهولة وسرعة تشكيلها باستخدام تغيرات في شدة المجال المغناطيسي . ^{[ 16 ] [ 17 ]}

عادةً، تدور مرآة التلسكوب ذي المرآة السائلة حول محورين في آنٍ واحد. فعلى سبيل المثال، تدور مرآة التلسكوب الموجود على سطح الأرض بسرعة بضع دورات في الدقيقة حول محور رأسي للحفاظ على شكلها القطعي المكافئ، وبسرعة دورة واحدة في اليوم حول محور الأرض نتيجة دورانها. في العادة (إلا إذا كان التلسكوب موجودًا عند أحد قطبي الأرض)، يتفاعل الدورانان بحيث تتعرض المرآة، في إطار مرجعي ثابت بالنسبة لسطح الأرض، لعزم دوران حول محور عمودي على كلا محوري الدوران، أي محور أفقي يمتد من الشرق إلى الغرب. ولأن المرآة سائلة، فإنها تستجيب لعزم الدوران هذا بتغيير اتجاه توجيهها. لا تكون النقطة في السماء التي تُوجَّه إليها المرآة فوق الرأس تمامًا، بل تكون مُزاحة قليلًا نحو الشمال أو الجنوب. وتعتمد قيمة الإزاحة على خط العرض وسرعات الدوران ومعايير تصميم التلسكوب. على سطح الأرض، يكون الإزاحة صغيرة، عادةً بضع ثوانٍ قوسية ، ومع ذلك، قد تكون ذات أهمية في الرصد الفلكي. أما إذا كان التلسكوب في الفضاء، يدور لتوليد جاذبية اصطناعية، فقد تكون الإزاحة أكبر بكثير، وربما تصل إلى عدة درجات. وهذا من شأنه أن يزيد من تعقيد تشغيل التلسكوب.

توجد نماذج أولية متنوعة تاريخياً. وبعد عودة الاهتمام بهذه التقنية في ثمانينيات القرن الماضي، تحققت عدة مشاريع.

• UBC/Laval LMT، 2.65 متر (8.7 قدم) ، 1992 
• ناسا-إل إم تي ، 3 أمتار (9.8 قدم) ، 1995-2002 
• LZT ، 6 أمتار (20 قدمًا) ، 2003-2016 
• ILMT ، 4 أمتار (13 قدمًا) ، اختبار 2011، تم افتتاحه في عام 2022 ^{[ 18 ]} 

• قائمة أجزاء التلسكوب وطريقة تركيبه
• قائمة أنواع التلسكوبات
• زجاج الزئبق ، منتجات زجاجية مزخرفة مطلية بالفضة من الداخل، سميت بهذا الاسم لتشابهها مع الزئبق.
• طلاء الفضة بالزئبق ، وهي تقنية لتطبيق طبقة رقيقة من معدن ثمين على جسم معدني أساسي
• فرن دوار ، يستخدم لصنع مرايا زجاجية كبيرة
• تلسكوب فضائي ذو مرآة سائلة
• طباخ شمسي
• الانعكاس المرآوي

• تلسكوب زينيث كبير: تلسكوب ذو مرآة زئبقية بقطر 6 أمتار.