Warum bauen wir größere landgestützte Teleskope, anstatt größere ins All zu schicken?

Es ist billiger.

(1) Mit adaptiver Optik bekommt man am Boden eine Auflösung von 0,1 Bogensekunde (zugegebenermaßen nur auf einem Berggipfel mit besonders guter Luftströmung, aber immerhin!). Damit entfällt einer der großen Platzvorteile bis man über mehrere Meter Spiegeldurchmesser kommt.

(2) Raketenverkleidungen sind die Hüllen, die die Nutzlasten während der atmosphärischen Überschallgeschwindigkeiten schützen, die während des Starts erreicht werden. Eine 5-Meter-Verkleidung ist ungefähr die größte, die geflogen werden kann, was die Größe der einteiligen Spiegel begrenzt, die gestartet werden können. (Der Spiegel des Dreaded Webb Telescope besteht aus Einzelteilen, die sich im Weltraum selbst zusammensetzen – ein sehr beängstigendes und sehr teures Designstück.)

(3) Die Wartung eines Teleskops auf dem Gipfel des Mauna Kea oder in den hohen chilenischen Anden ist ein schwieriger und teurer Prozess. Die Wartung eines Teleskops im Orbit lässt das wie Kleingeld aussehen. (Kosten vergleichbar mit den Kosten für den Bau eines neuen riesigen Zielfernrohrs auf der Erde.) Und die Wartung im Orbit kann nicht einmal mit der aktuellen Technologie durchgeführt werden, außer im erdnahen Orbit.

(4) Während die hohe Auflösung eine Grenze in der Astronomie darstellt, ist das Vordringen in die Tiefe eine andere, und das Vordringen in die Tiefe erfordert große Spiegel. Ein 30-Meter-Spiegel auf der Erde sammelt viel mehr Licht als ein 5-Meter-Spiegel im Weltraum. Die riesigen terrestrischen Teleskope sind einfach bessere Lichteimer für die Spektroskopie als alles, was wir bisher in den Weltraum bringen können.

Die Quintessenz ist, dass mit der Entwicklung der adaptiven Optik weltraumgestützte Teleskope von derzeit bau- und startfähiger Größe ihren Hauptvorteil gegenüber bodengestützten Teleskopen verloren haben. Und da sie das 10- bis 100-fache der Kosten kosten, lohnt es sich für viele Zwecke einfach nicht, sie zu bauen.

Weltraumteleskope haben immer noch einen bedeutenden Vorteil in Teilen des Spektrums, die von der Atmosphäre blockiert werden, wie UV und IR (Webb), und für bestimmte Aufgaben, die langfristige hochgenaue Photometrie (Kepler) und Astrometrie (Gaia) beinhalten. Aber für den allgemeinen Gebrauch scheint das Gleichgewicht für große Teleskope fest auf der Bodenseite zu liegen.

Dies wird sich ändern, wenn die Raumfahrt billiger wird – der SpaceX BFR zum Beispiel bietet mit seiner 9-Meter-Verkleidung und dramatisch niedrigeren Startkosten große Hoffnungen für Weltraumteleskope.

Zusätzlich zu Marks großartiger Antwort ...

Warum bauen wir größere landgestützte Teleskope, anstatt größere ins All zu schicken?

Wenn Sie Geld für zwei Häuser hätten, eines in der Nähe der Arbeit und ein „Sommerhaus“ im Wald, wie würden Sie Ihr Budget aufteilen?

Diese Frage ist eine Folgefrage zu Sind größere Teleskope gleich besseren Ergebnissen?

Ja, und ich bin kein Fan dieser Antworten, vielleicht ist @MarkOlson auch nicht beeindruckt.

Diese Antworten vermissen die adaptive Optik (sie wird als teuer und nicht besonders effektiv abgetan) und die Möglichkeit, alles außer der Größe des Gebäudes und des Hauptspiegels einfach aufzurüsten.

Wie viel größer muss ein bodengestützter Spiegel sein, um mit einem weltraumgestützten mithalten zu können? Ich denke, ich frage hauptsächlich nach sichtbarem Licht, aber ich bin auch allgemein interessiert.

Es geht nicht so sehr um "wie viel größer", sondern um "deine Idee effektiv vermarkten, so viel Finanzierung wie möglich sichern und das größte Gebäude mit dem größtmöglichen Hauptspiegel bauen". Graben Sie tief und bauen Sie, was Sie können, und lassen Sie sich nicht so weit aufrüsten, wie Sie können – Sensoren und Supercomputer können den Rest reparieren.

Ich schätze, am Boden sind Sie vor Mikrometeoriten sicher, also wird es wahrscheinlich länger dauern. Ab wann wird es billiger ein Teleskop auf dem Mond oder so zu bauen?

Boden- und weltraumgestützte Teleskope sind nützlich, mondgestützte weniger.

Wenn „The Acme Telescope Company“ ihr erstes Geschäft auf dem Mond eröffnet, wird der Kaufpreis sinken, bis dahin werden erd- und weltraumgestützte Geräte billiger sein. Bei weltraumgestützten Systemen kann es Sie auf halbem Weg zur Reparatur treffen, bei bodengestützten (sogar auf dem Gipfel eines Berges) ist eine Reparaturwerkstatt oft in der Nähe.

Am Paranal befindet sich das Spiegelwartungsgebäude auf dem Berggipfel in der Nähe der Spiegel.

Der Artikel von Scientific America: Ist das James-Webb-Weltraumteleskop "Too Big to Fail?" erklärt:

„Angenommen, wir schaffen es bis zur Injektionsbahn zur Erde-Sonne L2, dann ist das nächste Risiko natürlich der Einsatz des Teleskops. Und im Gegensatz zu Hubble können wir nicht rausgehen und es reparieren. Nicht einmal ein Roboter kann losgehen und es reparieren. Wir gehen also ein großes Risiko ein, aber für eine große Belohnung“, sagt Grunsfeld.

Es werden jedoch bescheidene Anstrengungen unternommen, um JWST wie Hubble „brauchbar“ zu machen,so Scott Willoughby, Programmmanager von JWST bei Northrop Grumman Aerospace Systems in Redondo Beach, Kalifornien. Das Luft- und Raumfahrtunternehmen ist der Hauptauftragnehmer der NASA für die Entwicklung und Integration von JWST und wurde mit der Bereitstellung eines „Trägerraketen-Schnittstellenrings“ am Teleskop beauftragt, der „von etwas erfasst“ werden könnte, sei es ein Astronaut oder ein ferngesteuerter Roboter, sagt Willoughby. Wenn ein Raumschiff nach L2 geschickt wird, um an JWST anzudocken, könnte es Reparaturen versuchen – oder, wenn das Observatorium gut funktioniert, einfach seinen Treibstofftank auffüllen, um seine Lebensdauer zu verlängern. Aber für solche Heldentaten ist derzeit kein Geld veranschlagt. Für den Fall, dass JWST einen „schlechten Tag“ erleidet, wie es die Raumfahrttechniker untertrieben nennen, sei es aufgrund eines Raketenunglücks oder einer Fehlfunktion beim Einsatz oder etwas Unvorhergesehenem, sagt Grunsfeld, dass es derzeit ein Ensemble von Observatorien im Weltraum gibt,

Launch Vehicle Interface Ring (LVIR) Schmiedeteile (2) geliefert

Zitat von der " James Webb Space Telescope " (JWST) Website:

Der fertige Hauptspiegel wird mehr als 2,5-mal größer sein als der Hauptspiegel des Hubble-Weltraumteleskops, der einen Durchmesser von 2,4 Metern hat, aber etwa halb so viel wiegen wird.

Das James-Webb-Weltraumteleskop wird etwa neunmal schneller Licht sammeln als das Hubble-Weltraumteleskop, wenn man die Details der relativen Spiegelgrößen, -formen und -merkmale in jedem Design berücksichtigt", sagte Eric Smith, JWST-Programmwissenschaftler am NASA-Hauptquartier. Washington. Die erhöhte Empfindlichkeit wird es Wissenschaftlern ermöglichen, bis zu der Zeit zurückzublicken, als sich die ersten Galaxien kurz nach dem Urknall bildeten. Das größere Teleskop wird Vorteile für alle Aspekte der Astronomie haben und die Erforschung der Entstehung und Entwicklung von Sternen und Planetensystemen revolutionieren.

Siehe auch: „ Webb vs. Hubble-Teleskop “:

... weiter entfernte Objekte werden stärker rotverschoben, und ihr Licht wird aus dem UV und optischen ins nahe Infrarot verschoben. Daher erfordert die Beobachtung dieser fernen Objekte (wie zum Beispiel der ersten im Universum entstandenen Galaxien) ein Infrarotteleskop.

Das ist der andere Grund, warum Webb kein Ersatz für Hubble ist, weil seine Fähigkeiten nicht identisch sind. Webb wird das Universum hauptsächlich im Infrarotbereich betrachten, während Hubble es hauptsächlich bei optischen und ultravioletten Wellenlängen untersucht (obwohl es einige Infrarotfähigkeiten hat). Webb hat auch einen viel größeren Spiegel als Hubble. Diese größere Lichtsammelfläche bedeutet, dass Webb weiter in die Zeit zurückblicken kann, als Hubble dazu in der Lage ist. Hubble befindet sich in einer sehr engen Umlaufbahn um die Erde, während Webb am zweiten Lagrange-Punkt (L2) 1,5 Millionen Kilometer (km) entfernt sein wird.

...

Wie weit wird Webb sehen?

Je weiter ein Objekt entfernt ist, desto weiter in der Zeit schauen wir aufgrund der Zeit, die das Licht benötigt, um zu reisen.

Diese Abbildung vergleicht verschiedene Teleskope und wie weit sie zurückblicken können. Im Wesentlichen kann Hubble [HST] das Äquivalent von „Kleinkindgalaxien“ sehen und das Webb-Teleskop [JWST] wird in der Lage sein, „Babygalaxien“ zu sehen. Ein Grund, warum Webb die ersten Galaxien sehen kann, ist, dass es sich um ein Infrarotteleskop handelt. Das Universum (und damit die Galaxien darin) dehnt sich aus. Wenn wir über die am weitesten entfernten Objekte sprechen, kommt tatsächlich Einsteins General Relatively ins Spiel. Es sagt uns, dass die Expansion des Universums bedeutet, dass es der Raum zwischen Objekten ist, der sich tatsächlich ausdehnt, was dazu führt, dass sich Objekte (Galaxien) voneinander entfernen. Darüber hinaus dehnt sich auch jedes Licht in diesem Raum aus und verschiebt die Wellenlänge dieses Lichts zu längeren Wellenlängen. Dies kann entfernte Objekte bei sichtbaren Lichtwellenlängen sehr dunkel (oder unsichtbar) machen. denn dieses Licht erreicht uns als Infrarotlicht. Infrarotteleskope wie Webb sind ideal, um diese frühen Galaxien zu beobachten.

Aktualisierungen adaptiver optischer Techniken sind im Gange, siehe: „ Fast Coherent Differential Imaging on Ground-Based Telescopes using the Self-Coherent Camera “ (7. Juni 2018), von Benjamin L. Gerard, Christian Marois und Raphaël Galicher:

„Wir entwickeln den Rahmen für eine solche Methode basierend auf der selbstkohärenten Kamera (SCC), die auf bodengestützte Teleskope angewendet werden soll, die so genannte Fast Atmospheric SCC Technique (FAST). Wir zeigen dies mit der Verwendung eines speziell entwickelten Koronographen und kohärent Differenzbildalgorithmus, der alle paar Millisekunden Bilder aufzeichnet, ermöglicht eine Subtraktion von atmosphärischen und statischen Speckles, während ein algorithmischer Exoplanetendurchsatz von nahezu eins beibehalten wird Detaillierte Simulationen erreichen nach 30 Sekunden einen Kontrast nahe der Grenze des Photonenrauschens für einen 1 % Bandpass im H-Band sowohl auf Sterne der 0. als auch auf die 5. Für den Fall der 5. Größenordnung ist dies im Rohkontrast etwa 110-mal besser als das, was derzeit mit ExAO-Instrumenten erreicht wird, wenn wir eine Stunde Beobachtungszeit extrapolieren, was zeigt, dass die Empfindlichkeitsverbesserung durch diese Methode eine wesentliche Rolle bei der zukünftigen Erkennung und Charakterisierung von Exoplaneten mit geringerer Masse spielen könnte.

Kurz gesagt, manchmal können sie die Atmosphäre vollständig entfernen. Verbesserungen kommen.

ESO 4LGSF - Laser Guide Stars Facility - Vier Laser werden verwendet, um Leitsterne für das AO zu erstellen.

Beantwortung Ihrer Teilfrage zum Bauen auf dem Mond: Dies unterliegt den gleichen Startkosten und Einschränkungen wie ein weltraumgestütztes Zielfernrohr, außerdem müssen Sie sich mit der Landung und dem Gravitationsdurchhang auseinandersetzen. Das erste, was Sie brauchen, ist eine funktionierende Mondbasis, die alle Komponenten aus lokalen Rohstoffen herstellen kann. Sobald dies vorhanden ist (hier großes Lachen einfügen), benötigen Sie immer noch adaptive Optiken (wie auch Mehrelement-Oszilloskope wie JWebb) für die Ausrichtung und den Gravitationsdurchhang, aber da diese statisch sind, benötigen Sie die Hochfrequenz nicht Reaktion, die auf der Erde erforderlich ist, um atmosphärische Abweichungen zu bewältigen. Sie sollten auf der „dunklen Seite“ aufbauen, damit das terranische Licht nicht alles verdirbt.

Antwort auf Teleskope auf dem Mond. Auf der Oberfläche des Mondes zu sein, verursacht Probleme im Vergleich zum freien Schweben im Weltraum, weit weg von jedem Planeten / Mond. Die Schwerkraft verzerrt Spiegel/Mechanik, erfordert zusätzliche Technik, um das Gewicht zu tragen, der halbe Himmel ist zu jeder Zeit vom Mond blockiert, thermische Emission vom Boden, Temperaturänderungen mit Tag-Nacht-Zyklus, Staub ...

Die andere Seite des Mondes wäre der beste Ort für niederfrequente Radiobeobachtungen. Der Mond blockiert alle Emissionen der Erde.