Диаметр зеркала самого крупного в мире оптического телескопа, работающего близ станицы Зеленчукской на Кавказе, - 6 метров. Это почти предел того, что можно сделать из стекла.
При изготовлении таких огромных зеркал возникают проблемы с подготовкой стеклянной отливки, ее охлаждением, обработкой, шлифовкой, нанесением отражающего покрытия, установкой зеркала. Например, телескоп-гигант создавался 15 лет. Изготовление и работа телескопа сильно затрудняются большой массой зеркала. Однако, астрономам нужны еще более крупные телескопы. Как же быть?
Сейчас в мире идет создание нескольких телескопов, диаметры объективов которых измеряются десятками метров. Но, несмотря на общее бурное технологическое развитие человечества, достижения в увеличении максимального диаметра объектива телескопа достаточно скромны. Причина очень проста - с увеличением диаметра объектива растет не только научная отдача телескопа, но и его цена. Поэтому конструкторы непрерывно ищут способы удешевить такие дорогостоящие астрономические приборы.
В современных телескопах, как правило, в качестве объектива используется вогнутое зеркало. Чтобы зеркало фокусировало отражаемые им лучи, то есть сводило их в точку, оно должно иметь форму параболоида вращения. Изначально зеркала для телескопов отливали из специальных сортов бронзы, а потом долго шлифовали до нужной формы. В середине XIX века после изобретения процедуры серебрения зеркала начали изготавливать из стекла, шлифовать которое гораздо проще, однако и сейчас придание зеркалу точной формы - это один из самых сложных этапов создания телескопа.
Более простой и дешевый способ получения параболической отражающей поверхности был придуман еще Ньютоном. Когда спокойную гладь воды сравнивают с зеркалом, то подразумевают, что ее поверхность идеально гладкая и плоская. Если же воду (или другую жидкость) раскрутить в круглом сосуде, ее поверхность примет параболическую форму, за исключением края, где ее искажает поверхностное натяжение. Однако, у воды невысокий коэффициент отражения, в частности, для лучей, падающих почти перпендикулярно поверхности, но воду можно заменить более отражающей жидкостью.
Английский физик Д. Брюстер в 1857 году предложил вращать чашу, наполненную ртутью, вокруг вертикальной оси. Поверхность жидкого металла в результате взаимодействия силы тяжести и вращения примет параболическую форму - как раз такую, какая необходима для собирательного зеркала.
И возникла идея - зеркало телескопа можно сделать жидким. Ее высказал в 1850 году итальянский астроном Э.Капоцци. Вращающееся ртутное зеркало было представлено в 1872 году в Новой Зеландии Г.Скеем, а астрономические наблюдения на ртутном телескопе впервые провел Р.Вуд в самом начале XX века. В 1909 году, описывая свои опыты, Вуд отметил, что астрономы всегда воспринимали идею о жидком зеркале как шутку. Какое качество наблюдений может быть, если на поверхности зеркала появляется рябь даже от малейшего внешнего возмущения?
Роберт Вуд выявил основные источники возникновения ряби на поверхности зеркала:
- вибрации от двигателя и подвески зеркала,
- негоризонтальное расположение вращающейся чаши с ртутью,
- неравномерная скорость вращения двигателя.
Он доказал, что все они могут быть в значительной степени устранены продуманной конструкцией телескопа и тщательностью его изготовления. К ряби, создаваемой механизмами телескопа, нужно добавить и внешние воздействия, так как самый большой телескоп Вуда с 20-дюймовым зеркалом был установлен в оживленном месте на острове Лонг-Айленд (США) и потому содрогался и от прибоя, и от проезжавших мимо повозок, и даже от шагов прохожих.
Вуд предложил два метода избавления от остаточных колебаний зеркала: 1) Сделать слой ртути в чаше максимально тонким. Чем тоньше ртутное зеркало, тем меньше в нем ряби.
2)Покрыть ртуть еще какой-либо жидкостью, которая гасила бы колебания, - например, водой или глицерином.
Вуд довел свой ртутный телескоп до совершенства, доказал, что он дает изображения не худшего качества, чем «обычный», но забросил эту работу. Технические сложности были преодолены, а научная ценность неподвижного телескопа, направленного в зенит, осталась под вопросом. Идея вращающихся ртутных зеркал была забыта на долгие десятилетия.
Идею об использовании ртути как материала для объектива телескопа возродили в начале 1980-х годов благодаря ученому Э.Борра из Университета Лаваля (Канада).
На сегодняшний день самый большой телескоп с жидким зеркалом (ТЖЗ) создан в Канаде, в Университете Британской Колумбии группой специалистов под руководством Пола Хиксона. Это Большой зенитный телескоп (Large Zenith Telescope, LZT) с диаметром зеркала 6 м. В телескопе используется аэростатический подшипник, на котором закреплена стальная рама сложной конструкции, поддерживающая чашу из поливинилхлорида. Рама должна быть очень жесткой: если гигантская чаша будет хоть немного гнуться, вращение тяжелой жидкости сильно раскачает ее. Жесткие требования предъявляются и к вертикальности оси вращения - отклонение от вертикали должно быть меньше угловой секунды.
Поверхность чаши покрыта эпоксидной смолой и сама имеет параболическую форму, всего на доли миллиметра отличающуюся от желаемой формы зеркала. Это сделано для того, чтобы свести к минимуму необходимую толщину слоя ртути. И цель не только в том, чтобы сократить расход ртути - рябь на жидком зеркале гасится тем эффективнее, чем меньше его толщина. На шестиметровом LZT толщина слоя ртути составляет менее 1,5 мм. Меньше сделать не получилось, так как при попытке создать чрезмерно тонкий слой ртуть распадается на отдельные капельки.
Чуть выше зеркала над всей его площадью протянута горизонтальная прозрачная пленка. Для получения необходимого фокусного расстояния (9 м) зеркало должно совершать один оборот примерно за 8,5 с. Это означает, что край зеркала движется со скоростью больше 2 м/с, поднимая ветер, способный нарушить гладкость поверхности ртути. Защитная пленка создает «ловушку» для воздуха, внутри которой он вращается вместе с зеркалом. Пленка, конечно, сама несколько портит изображение, но с этим приходится мириться.
Следующий крупный проект ТЖЗ - международный телескоп с жидким зеркалом (International Liquid Mirror Telescope, ILMT) построен в Индии, в обсерватории Девасталь на высоте 2540м. Это четырехметровый телескоп, посвященный решению уже не тестовых, а научных задач. Управляет проектом Льежский университет (Бельгия).
Чаша международного телескопа с жидким зеркалом (ILMT) изготовлена из кевлара, натянутого на основание из вспененного полимера. Чтобы она наиболее близко соответствовала форме идеального зеркала, ее покрывают слоем полиуретана путем ротационной полимеризации: жидкий мономер наливают в чашу и поддерживают вращение до тех пор, пока покрытие не затвердеет
Наибольшее преимущество жидкого зеркала - это его небольшая стоимость, около 1% от обычного телескопического зеркала. Это сокращает стоимость всего телескопа как минимум на 95%.
Самый большой недостаток - это то, что зеркало может быть направлено только вверх. Ведутся исследования по разработке телескопов, которые можно будет наклонять, но в настоящее время, если жидкое зеркало выпадет из зенита, оно потеряет свою форму. Поэтому, многие объекты не могут быть физически отслежены. Но есть некоторые виды астрономических исследований, на которые не влияют эти ограничения. Например, долгосрочные съемки неба и поиски сверхновых. Повысить возможности ТЖЗ могла бы дополнительная оптика, с помощью которой можно значительно расширить площадь доступного неба.
Но еще остается проблема использования ртути в телескопе, поскольку металлическая ртуть и ее пары токсичны для людей и животных. Это может повлиять на пользователей телескопа и других в этом районе.
В большом зенитном телескопе ртутное зеркало и операторы находятся в отдельно проветриваемых помещениях. В канадских горах, где расположен телескоп, температура окружающей среды довольно низкая, что снижает скорость испарения ртути. Вместо ртути можно использовать металлический галлий, так как он менее токсичен. Но галлий имеет недостаток - высокую стоимость.
В настоящее время есть множество идей по совершенствованию телескопа с жидким зеркалом (ТЖЗ). Например, можно использовать в качестве опоры для отражающей пленки ферромагнитные жидкости, и формировать поверхность зеркала не вращением, а магнитным полем. В таком случае можно будет устанавливать ТЖЗ на космических аппаратах.
Есть идея установить ТЖЗ на Луне, причем можно увеличить диаметр зеркала на совершенно недостижимый в земных условиях - порядка сотни метров и использовать сверхпроводящий магнит в качестве подвески. Но ртуть здесь уже не подойдет, и на ее роль рассматриваются ионные жидкости с отражающим напылением. Однако, до сих пор не удалось подобрать жидкость, которая бы не замерзала при лунных температурах. Но ученые не отчаиваются и считают, что это обязательно будет сделано.