Як збирають найбільше в світі дзеркало для телескопа?

Дзеркальну кузню в Університеті Арізони легко не помітити. Володіючи значними розмірами, Лабораторія дзеркал Річарда Кэриса знаходиться в тіні гігантського футбольного стадіону університету на 56 000 місць. Навіть її найвидатніша деталь — восьмикутна бетонна вишка, прикрашена емблемою школи, виглядає як архітектурна деталь арени по сусідству. Однак саме в цій вежі розташовано найважливіше обладнання.

Всередині лабораторії вузька люмінесцентна зелена сходи піднімається на п'ять поверхів до входу в башту. Вас там зустріне керуючий лабораторією Стюарт Вайнбергер і попросить вийняти все з кишень.

«Окуляри, ключі, ручки. Все, що може впасти і пошкодити дзеркало», говорить він. Вайнбергер проводить екскурсію на подіум в 25 метрах над дзеркалом діаметром 9 метрів. Щоб зробити це дзеркало, знадобилося 20 мільйонів доларів і близько шести років. «Більшості людей в лабораторії навіть не дозволяють сюди заходити», говорить він. Це пояснює нервозність Вайнбергера — він прив'язав камеру екскурсанта до зап'ястя. Далі — від першої особи, кореспондент Wired.

Вигляд другого дзеркального сегмента з вершини випробувальної вежі лабораторії дзеркал

Скляний диск наді мною — одне з семи дзеркал, які в кінцевому підсумку зберуться в Гігантський Магелланову Телескоп. Він запрацює в повну силу в 2025 році в обсерваторії Лас-Кампанас в пустелі Атакама в Чилі і стане найбільшою оптичної обсерваторією в світі. Його дзеркала, кожне з яких важить 17 тонн, будуть розташовані в квітково-пелюсткової конфігурації з шістьма асиметричними дзеркалами, що оточують центральний симетричний сегмент. В сукупності вони розтягнуться на 25 метрів (що вдвічі більше діаметра існуючих оптичних телескопів) і займуть загальну площу в 1300 квадратних метрів (приблизна площа двох тенісних кортів). Володіючи роздільною силою в 10 разів більшою, ніж у космічного телескопа Хаббла, БМТ буде ловити і фокусувати фотони галактик і чорних дір на задвірках Всесвіту, вивчати формування зірок і світів поруч з ними і шукати сліди життя в атмосферах потенційно жилих планет.

Але перш ніж БМТ приступить до своєї роботи, вченим і інженерам з лабораторії дзеркал потрібно створити ці гігантські плити із скла. Зробити це, як і слід було очікувати, буде справді монументальної завданням.

«Це одне з найскладніших дзеркал, які коли-небудь робили. Вони асферичные, дуже великі і надточні», каже помічник директора MirrorLab Джефф Кінгслі. «Наша мета — робити по одному дзеркалу кожні чотири роки, від початку і до кінця». На перше дзеркало пішло близько десяти років. Другий сегмент — який захищає Вайнбергер — почали робити в січні 2012 року і не закінчать до 2019.

В даний час в MirrorLab знаходяться дзеркала БМТ на різних етапах виробництва. Останнім почали робити буквально минулого тижня. Перший крок — завантажити 20 тонн боросилікатного скла E6 у величезну обертову піч, вручну. Всередині печі 1700 шестикутних стовпів утворюють форму сот, на будівництво яких пішло близько шести місяців. Протягом декількох днів піч, розігріта до тисячі градусів за Цельсієм, перевертається п'ять разів на хвилину. Скло, тепер вже рідке, стікає в стільники, а сили обертання закруглюють розплавлену жижу по краях, надаючи дзеркалу його увігнуту форму.

Щоб піч повернулася до кімнатної температури, потрібно три місяці. Тільки тоді співробітники лабораторії прибирають дзеркало, ставлять його за допомогою підйомника і занурюють у ванну під високим тиском. «Ми по суті обстреливаем її пістолетом для миття машин», говорить Кінгслі. «Розумний студентик з університету прийшов і переробив його під очищення скла».

Потім співробітники лабораторії перевертають дзеркало зверху вниз на гігантську ширяючу дошку і перевозять в центральну камеру лабораторії, де знаходиться дві станції полірування дзеркала. Вони прибирають півсантиметра скла із задньої частини виливки. Як тільки вона стає гладкою, співробітники MirrorLab кріплять до неї 165 розподільників навантаження, які потім будуть кріпитися до приводів вже в пустелі Атакама.

Потім співробітники перевертають дзеркало обличчям догори, і починається складна робота.

Шість зовнішніх сегментів дзеркала БМТ — пелюстки на квітці, якщо завгодно — мають неправильну форму. Їх контури топографічно ідентичні чіпсів Pringles, тільки більш тонкі; криві неможливо побачити неозброєним оком, але з-за них формування дзеркала стає болем нижче спини.

«Ми хочемо, щоб телескоп був обмежений фундаментальної фізикою — довжиною хвилі світла і діаметром дзеркала, а не нерівностями на поверхні дзеркала», говорить вчений-оптик Бадді Мартін, який спостерігає за шліфуванням і поліруванням. Під «нерівностями» він має на увазі дефекти більше 20 нанометрів — розміри невеликого вірусу. Але коли дзеркало виходить з форми, його нерівності можуть досягати міліметра або більше.

Кілька проходів грубої обробки можуть згладити ці нерівності до 20 мікрон — чверть ширини людської волосини. Але ці огріхи раніше в 1000 разів більше, ніж вони повинні бути.

Саме тут у гру вступає вежа MirrorLab. На її вершині є набір лазерів і інтерферометрів, які шукають ці субмікронні шорсткості. Процес вимірювання настільки чутливий, що дзеркало має перебувати на пневматичній системі, що відокремлює його від руху будівлі. «Вібрації надходять з футбольного стадіону, дорожнього руху на прилеглих вулицях, вертольотах на дорозі в лікарню», - говорить Мартін. «Ви їх не відчуєте, алевимірювання дуже чутливі».

Датчики у випробувальній вежі створюють контурну карту поверхні дзеркала. Завантажте карту в полірувальну машину, і вона видалить всі шорсткості дзеркала. Але не все відразу. Протягом більш ніж року дзеркало будуть рухати туди-сюди між вежею і полірувальними станціями, поки воно не стане гладким... «як скельце».

Тільки тоді дзеркалу дозволять покинути лабораторію. Перший сегмент БМТ покинув об'єкт у вересні, щоб звільнити місце для своїх рідних братів і сестер. Зараз він знаходиться у тимчасовому сховищі недалеко від міжнародного аеропорту Тусон, очікуючи відвантаження в пустелю Атакама, де 100-нанометрове тонке покриття з алюмінію завершить довгий перехід від 20-тонної купи скляних кусків прочесывающую космос відбивну поверхню.

«Знаєте, ми ж навіть дзеркал тут не робимо», - говорить Мартін. «Ми робимо великі шматки скла».