Was ist theoretisch das größte optische Teleskop, das es geben kann?

Kürzlich habe ich noch eine Nachricht über E-ELT gelesen . Es wird einen segmentierten Primärspiegel mit einem Durchmesser von 39,3 Metern haben. Und ich war an der nächsten Frage interessiert: Theoretisch kann welche Größe des Primärspiegels (einfach / mehrfach / segmentiert) ein Teleskop auf der Erde zur Beobachtung bei optischen Wellenlängen haben? Und warum? Ich meine, was sind körperliche Einschränkungen?

Und die gleiche Frage zum Weltraum (nicht auf der Erde)?

Aktualisieren:

Um diese Frage beantwortbar zu machen, nehmen wir auf Anraten von @TildalWave einige Anpassungen vor:

1. Der Primärspiegel sollte wie bei E-ELT segmentiert sein (oder Variationen davon).
2. Angenommen, wir haben eine große (mehrere Quadratkilometer) flache Oberfläche hoch über dem Meeresspiegel.
3. Wir müssen ein Teleskop für die Beobachtung bei optischen Wellenlängen bauen.

Ich weiß, dass es ein OWL- Konzept mit einem segmentierten Primärspiegel mit einem Durchmesser von 100 Metern gibt.

Aber was ist mit 500 Metern Durchmesser oder 1000? Ist es theoretisch möglich?

Es ist kompliziert.

Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts haben wir versucht, immer größere monolithische Teleskope herzustellen. Das funktionierte ziemlich gut bis zum 5-Meter-Parabolspiegel auf dem Mount Palomar in Kalifornien in den 1940er Jahren. Für den 6-Meter-Spiegel im Kaukasus in Russland in den 1970er Jahren hat es irgendwie funktioniert, aber kaum. Es hat funktioniert, aber das war eine große Leistung für die beiden 8,4-Meter-Spiegel des LBT in Arizona in den 2000er Jahren.

Wir haben schließlich gelernt, dass der Weg nicht darin besteht, immer größere Glasplatten mit geringer Ausdehnung zu gießen. Es ist allgemein anerkannt, dass ein Durchmesser von knapp unter 10 Metern für monolithische Spiegel so groß wie möglich ist.

Der Weg dahin besteht darin, kleinere Spiegelsegmente (jeweils 1 Meter bis einige Meter Durchmesser) herzustellen und diese zu einem gekachelten Spiegel zu kombinieren. Es ist etwas schwieriger, die asymmetrische parabolische (oder hyperbolische, elliptische oder kugelförmige) reflektierende gekrümmte Oberfläche in einem solchen Segment zu schnitzen, aber es ist viel einfacher, Wärme- und Kühlprobleme zu bewältigen, wenn Sie mit kleineren festen Objekten arbeiten müssen.

Jedes Segment ist in einer aktiven Spiegelzelle mit Piezoaktoren montiert, die seine Position sehr genau steuern. Alle Segmente müssen zu einer einzigen glatten Oberfläche mit einer Genauigkeit von mehr als 100 Mikrometern (viel besser als in der Realität) kombiniert werden. Jetzt haben Sie eine große Anzahl massiver Objekte, die dynamisch über den Computer gesteuert werden, jedes mit seinen eigenen Vibrationsmodi, jedes mit seiner eigenen Quelle für mechanisches Rauschen, jedes mit seinen eigenen Wärmeausdehnungsbewegungen, die alle auf und ab "tanzen" wenige Mikrometer auf Piezoelementen.

Ist es möglich, ein sehr großes System wie dieses zu orchestrieren? Ja. Die 100-Meter-OWL wurde technisch als machbar angesehen. Unter dem Gesichtspunkt der Ausrichtung der Spiegel sollte eine noch größere Struktur möglich sein. Die computergesteuerten Aktuatoren sollten die meisten Vibrationen überwinden und bis zu ziemlich großen Entfernungen schalten.

Wie Sie sagten, sind die wirklichen Grenzen finanzieller Natur. Die Komplexität eines solchen Systems nimmt mit dem Quadrat des Durchmessers zu, und mit der Komplexität gehen Kosten einher.

Die gesamte obige Diskussion befasste sich mit Teleskopen mit "gefüllter Apertur": Bei einer runden Form mit einem bestimmten Durchmesser ist sie mit Spiegelsegmenten gefüllt. Bei einer bestimmten Blende erfasst dieses Design die größte Lichtmenge.

Die Blende muss aber nicht gefüllt werden. Es kann größtenteils leer sein. Sie könnten ein paar reflektierende Segmente an der Peripherie haben, und das Zentrum wäre größtenteils leer. Sie hätten das gleiche Auflösungsvermögen (Sie würden die gleichen kleinen Details sehen), nur dass die Helligkeit des Bildes abnimmt, weil Sie insgesamt weniger Licht erfassen.

Dies ist das Prinzip des Interferometers. Die zwei 10-Meter-segmentierten Keck-Spiegel in Hawaii können als Interferometer mit einer Grundlinie von 85 Metern verwendet werden. Dies entspricht effektiv einer einzelnen Apertur von 85 Metern in Bezug auf das Auflösungsvermögen, aber offensichtlich nicht in Bezug auf die Bildhelligkeit (Menge des aufgenommenen Lichts).

Die US Navy verfügt über ein Interferometer in Arizona mit Spiegeln, die an drei Y-förmigen Armen mit einer Länge von jeweils 250 Metern angebracht sind. Dies gibt dem Instrument eine Grundlinie (äquivalente Apertur) von mehreren hundert Metern.

U of Sydney verfügt über ein 640-Meter-Basisinterferometer in der australischen Wüste.

Interferometer können nicht zur Untersuchung sehr schwacher Objekte verwendet werden, da sie nicht genügend Licht einfangen können. Sie können jedoch Daten mit sehr hoher Auflösung von hellen Objekten erzeugen - z. B. werden sie zur Messung des Durchmessers von Sternen wie Betelgeuse verwendet.

Die Basislinie eines Interferometers kann extrem groß gemacht werden. Für terrestrische Instrumente ist eine kilometerweite Grundlinie jetzt sehr gut machbar. Größer wird in Zukunft machbar sein.

Es gibt Gespräche über den Bau von Interferometern im Weltraum, in der Erdumlaufbahn oder noch größer. Das würde zumindest in Tausenden von Kilometern eine Basis liefern. Das ist jetzt nicht machbar, scheint aber in Zukunft machbar.