Teóricamente, ¿cuál es el telescopio óptico más grande que pueda existir?

Recientemente, leí otra noticia más sobre E-ELT . Tendrá un espejo primario segmentado de 39.3 metros de diámetro. Y me interesó la siguiente pregunta: en teoría, ¿qué tamaño del espejo primario (simple / múltiple / segmentado) puede tener un telescopio en la Tierra para observar en longitudes de onda ópticas? ¿Y por qué? Quiero decir, ¿qué limitaciones físicas existen?

¿Y la misma pregunta sobre el espacio (no en la Tierra)?

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Siguiendo el consejo de @TildalWave, para responder a esta pregunta, hagamos algunos ajustes:

1. El espejo primario debe estar segmentado (o sus variaciones) como en E-ELT.
2. Supongamos que tenemos una superficie grande (varios kilómetros cuadrados) y plana sobre el nivel del mar.
3. Tenemos que construir un telescopio para observar a longitudes de onda ópticas.

Sé que hay un concepto de OWL con espejo primario segmentado de 100 metros de diámetro.

¿Pero qué hay de 500 metros de diámetro o 1000? ¿Es posible en teoría?

Es complicado.

Hasta finales del siglo XX, hemos tratado de fabricar telescopios monolíticos cada vez más grandes. Eso funcionó bastante bien hasta el espejo parabólico de 5 metros en el Monte Palomar en California en la década de 1940. Funcionó un poco, pero apenas, para el espejo de 6 metros en el Cáucaso en Rusia en la década de 1970. Funcionó, pero ese fue un gran logro, para los espejos gemelos de 8.4 metros para el LBT en Arizona en la década de 2000.

Finalmente, hemos aprendido que el camino a seguir no es vertiendo losas cada vez más grandes de vidrio de baja expansión. En general, se acepta que en algún lugar justo por debajo de los 10 metros de diámetro es lo más grande posible para los espejos monolíticos.

El camino a seguir es elegir hacer segmentos de espejo más pequeños (de 1 metro a unos pocos metros de diámetro cada uno) y combinarlos en un espejo de azulejos. Es algo más difícil tallar la superficie curva parabólica asimétrica (o hiperbólica, o elíptica, o esférica) que refleja en un segmento como ese, pero es mucho más fácil manejar problemas térmicos y de enfriamiento cuando tiene que lidiar con objetos sólidos más pequeños.

Cada segmento está montado en una celda de espejo activa, con actuadores piezoeléctricos que controlan con mucha precisión su posición. Todos los segmentos deben combinarse en una sola superficie lisa con una precisión mejor que 100 micrones (mucho mejor que eso en realidad). Así que ahora tiene una gran variedad de objetos masivos, controlados dinámicamente por computadora, cada uno con sus propios modos de vibración, cada uno con su propia fuente de ruido mecánico, cada uno con sus propios movimientos de expansión térmica, todos ellos "bailando" arriba y abajo pocas micras en elementos piezoeléctricos.

¿Es posible orquestar un sistema muy grande como ese? Si. El OWL de 100 metros se consideró factible técnicamente. Desde la perspectiva de mantener los espejos alineados, una estructura aún más grande debería ser factible; Los actuadores controlados por computadora deben superar la mayoría de las vibraciones y desplazamientos a distancias bastante grandes.

Como dijiste, los límites reales son financieros. La complejidad de dicho sistema aumenta con el cuadrado del diámetro, y con la complejidad viene el costo.

Toda la discusión anterior fue sobre telescopios de "abertura llena": dada una forma redonda de cierto diámetro, está llena de segmentos de espejo. Para una apertura determinada, este diseño captura la mayor cantidad de luz.

Pero la abertura no tiene que llenarse. Puede estar mayormente vacío. Podría tener algunos segmentos reflectantes en la periferia, y el centro estaría mayormente vacío. Tendría el mismo poder de resolución (vería los mismos pequeños detalles), es solo que el brillo de la imagen disminuiría, porque está capturando menos luz total.

Este es el principio del interferómetro. Los espejos gemelos Keck segmentados de 10 metros en Hawai pueden funcionar como un interferómetro con una línea base de 85 metros. Esto es efectivamente equivalente a una sola apertura de 85 metros en términos de poder de resolución, pero obviamente no en términos de brillo de la imagen (cantidad de luz capturada).

La Marina de los EE. UU. Tiene un interferómetro en Arizona con espejos colocados en 3 brazos en forma de Y, cada brazo de 250 metros de largo. Eso le da al instrumento una línea base (apertura equivalente) de varios cientos de metros.

U de Sydney tiene un interferómetro de referencia de 640 metros en el desierto australiano.

Los interferómetros no pueden usarse para estudiar objetos muy débiles, porque no pueden capturar suficiente luz. Pero pueden producir datos de muy alta resolución a partir de objetos brillantes, por ejemplo, se utilizan para medir el diámetro de las estrellas, como Betelgeuse.

La línea base de un interferómetro puede hacerse extremadamente grande. Para los instrumentos terrestres, una línea de base de kilómetros de ancho es muy factible ahora. Más grande será factible en el futuro.

Se habla de construir interferómetros en el espacio exterior, en órbita alrededor de la Tierra o incluso más grandes. Eso proporcionaría una línea de base al menos en los miles de kilómetros. Eso no es factible ahora, pero parece factible en el futuro.