¿Por qué estamos construyendo telescopios terrestres más grandes en lugar de lanzar telescopios más grandes al espacio?

Esta pregunta es una continuación de ¿Los telescopios más grandes equivalen a mejores resultados?

¿Cuánto más grande debe ser un espejo con base en el suelo para que coincida con lo que puede hacer un espejo con base en el espacio? Supongo que estoy pidiendo principalmente luz visible, pero también estoy interesado en general.

Supongo que sobre el terreno, estás a salvo de los micrometeoritos, por lo que probablemente durará más. ¿En qué punto se vuelve más barato construir un telescopio en la luna o algo así?

Es más barato.

(1) Con la óptica adaptativa, puede obtener una resolución de 0.1 segundos de arco en el suelo (ciertamente solo en la cima de una montaña con un flujo de aire particularmente bueno, ¡pero aún así!). Esto elimina una de las principales ventajas del espacio hasta que supere varios metros de diámetro del espejo.

(2) Los carenados de cohetes son las cubiertas que protegen las cargas útiles durante las velocidades atmosféricas supersónicas alcanzadas durante el lanzamiento. Un carenado de 5 metros es el más grande que se puede volar, lo que limita el tamaño de los espejos de una pieza que se pueden lanzar. (El espejo del Telescopio Webb temido está en piezas que se ensamblarán en el espacio, una pieza de diseño muy aterradora y muy costosa).

(3) El mantenimiento de un telescopio en la cima de Mauna Kea o en los altos Andes chilenos es un proceso difícil y costoso. El mantenimiento de un telescopio en órbita hace que parezca un pequeño cambio. (Costo comparable al costo de construir un nuevo alcance gigante en la Tierra). Y el servicio en órbita ni siquiera se puede hacer con la tecnología actual, excepto en órbita terrestre baja.

(4) Si bien la alta resolución es una frontera en astronomía, profundizar es otra, y profundizar requiere grandes espejos. Un espejo de 30 metros en la Tierra reúne mucha más luz que un espejo de 5 metros en el espacio. Los telescopios terrestres gigantes simplemente hacen un mejor trabajo al ser cubos de luz para espectroscopía que cualquier cosa que podamos poner en el espacio.

La conclusión es que con el desarrollo de la óptica adaptativa, los telescopios basados ​​en el espacio de tamaño actualmente edificable y de lanzamiento perdieron su principal ventaja sobre los telescopios terrestres. Y dado que cuestan entre 10x y 100x, simplemente no vale la pena construirlos para muchos propósitos.

Los telescopios basados ​​en el espacio aún tienen una ventaja significativa en partes del espectro bloqueado por la atmósfera, como UV e IR (Webb), y para ciertas tareas que involucran fotometría de alta precisión a largo plazo (Kepler) y astrometría (Gaia). Pero para uso general, la balanza parece firmemente del lado del suelo para grandes telescopios.

Esto cambiará si el vuelo espacial se vuelve más barato: el SpaceX BFR, por ejemplo, con su carenado de 9 metros y costos de lanzamiento dramáticamente más bajos, ofrece una gran esperanza para los telescopios espaciales.

Además de la gran respuesta de Mark ...

¿Por qué estamos construyendo telescopios terrestres más grandes en lugar de lanzar telescopios más grandes al espacio?

Si tuviera dinero para dos casas, una cerca del trabajo y una 'cabaña de verano' en el bosque, ¿cómo dividiría su presupuesto?

Esta pregunta es un seguimiento de ¿Los telescopios más grandes equivalen a mejores resultados?

Sí, y no soy fanático de esas respuestas, quizás @MarkOlson tampoco está impresionado.

Esas respuestas pierden la óptica adaptativa (descartándola como costosa y no particularmente efectiva) y la capacidad de actualizar fácilmente todo excepto el tamaño del edificio y el espejo principal.

¿Cuánto más grande debe ser un espejo con base en el suelo para que coincida con lo que puede hacer uno con base en el espacio? Supongo que estoy pidiendo principalmente luz visible, pero también estoy interesado en general.

No es tanto "cuánto más grande", es "comercializar efectivamente su idea, asegurar la mayor cantidad de fondos posible y construir el edificio más grande con el espejo principal más grande posible". Profundice y construya lo que pueda, no se actualice tan grande como pueda: los sensores y las supercomputadoras pueden arreglar el resto.

Supongo que en el terreno, estás a salvo de los micrometeoritos, por lo que probablemente durará más. ¿En qué punto se vuelve más barato construir un telescopio en la luna o algo así?

Los telescopios terrestres y espaciales son útiles, pero no tanto los basados ​​en la luna.

Cuando tenemos "El Acme Telescope Company" abra su primera tienda en la luna, el precio de compra caerá, hasta entonces la Tierra y el espacio serán más baratos. Con base en el espacio, puede encontrarse a mitad de camino para las reparaciones, con base en el suelo (incluso en la cima de una montaña), una instalación de reparación a menudo está al alcance de la mano.

En Paranal, el edificio de mantenimiento de espejos se encuentra en la cima de la montaña, cerca de los espejos.

El artículo de Scientific America: ¿Es el telescopio espacial James Webb "demasiado grande para fallar"? explica:

“Suponiendo que lleguemos a la trayectoria de inyección a Earth-Sun L2, por supuesto, lo siguiente más arriesgado es desplegar el telescopio. Y a diferencia del Hubble, no podemos salir y arreglarlo. Ni siquiera un robot puede salir y arreglarlo. Así que estamos tomando un gran riesgo, pero por una gran recompensa ", dice Grunsfeld.

Hay, sin embargo, se están realizando esfuerzos modestos para hacer que JWST sea "útil" como Hubble,según Scott Willoughby, gerente de programa de JWST en Northrop Grumman Aerospace Systems en Redondo Beach, California. La firma aeroespacial es el principal contratista de la NASA para desarrollar e integrar JWST, y se le ha encomendado la tarea de aprovisionar un "anillo de interfaz de vehículo de lanzamiento" en el telescopio que podría ser "captado por algo", ya sea un astronauta o un robot operado a distancia, dice Willoughby. Si se enviara una nave espacial a L2 para atracar con JWST, podría intentar reparaciones o, si el observatorio funciona bien, simplemente completar su tanque de combustible para extender su vida útil. Pero actualmente no se presupuesta dinero para tales heroicidades. En el caso de que JWST sufra lo que aquellos en el vuelo espacial llaman discretamente un "mal día", ya sea debido a un accidente de cohete o falla de despliegue o algo imprevisto, Grunsfeld dice que actualmente hay un conjunto de observatorios en el espacio,

Lanzamiento de forjas de anillo de interfaz de vehículo (LVIR) (2) entregadas

Cita del sitio web del " James Webb Space Telescope " (JWST):

El espejo primario completo será 2.5 veces más grande que el diámetro del espejo primario del telescopio espacial Hubble, que tiene 2.4 metros de diámetro, pero pesará aproximadamente la mitad.

El telescopio espacial James Webb recolectará luz aproximadamente 9 veces más rápido que el telescopio espacial Hubble cuando se tengan en cuenta los detalles de los tamaños, formas y características relativas de los espejos en cada diseño ", dijo Eric Smith, científico del programa JWST en la sede de la NASA, Washington. La mayor sensibilidad permitirá a los científicos ver cuándo se formaron las primeras galaxias justo después del Big Bang. El telescopio más grande tendrá ventajas para todos los aspectos de la astronomía y revolucionará los estudios sobre cómo se forman y evolucionan las estrellas y los sistemas planetarios.

Ver también: " Webb vs telescopio Hubble ":

... los objetos más distantes se desplazan más hacia el rojo, y su luz es empujada desde los rayos UV y ópticos hacia el infrarrojo cercano. Por lo tanto, las observaciones de estos objetos distantes (como las primeras galaxias formadas en el Universo, por ejemplo) requieren un telescopio infrarrojo.

Esta es la otra razón por la que Webb no reemplaza a Hubble es que sus capacidades no son idénticas. Webb observará principalmente el Universo en el infrarrojo, mientras que Hubble lo estudia principalmente en las longitudes de onda óptica y ultravioleta (aunque tiene cierta capacidad infrarroja). Webb también tiene un espejo mucho más grande que el Hubble. Esta área de recolección de luz más grande significa que Webb puede mirar más atrás en el tiempo de lo que el Hubble es capaz de hacer. El Hubble está en una órbita muy cercana alrededor de la Tierra, mientras que Webb estará a 1,5 millones de kilómetros (km) en el segundo punto de Lagrange (L2).

...

¿Hasta dónde verá Webb?

Debido al tiempo que tarda la luz en viajar, cuanto más lejos está un objeto, más atrás en el tiempo estamos mirando.

Esta ilustración compara varios telescopios y qué tan atrás pueden ver. Esencialmente, Hubble [HST] puede ver el equivalente de "galaxias pequeñas" y el Telescopio Webb [JWST] podrá ver "galaxias bebés". Una razón por la que Webb podrá ver las primeras galaxias es porque es un telescopio infrarrojo. El universo (y por lo tanto las galaxias en él) se está expandiendo. Cuando hablamos de los objetos más distantes, el General de Einstein Relativamente entra en juego. Nos dice que la expansión del universo significa que es el espacio entre los objetos que realmente se estira, haciendo que los objetos (galaxias) se alejen unos de otros. Además, cualquier luz en ese espacio también se estirará, cambiando la longitud de onda de esa luz a longitudes de onda más largas. Esto puede hacer que los objetos distantes sean muy tenues (o invisibles) a longitudes de onda visibles de luz, porque esa luz nos llega como luz infrarroja. Los telescopios infrarrojos, como Webb, son ideales para observar estas primeras galaxias.

Las actualizaciones en técnicas ópticas adaptativas están en curso, ver: " Imagen diferencial coherente rápida en telescopios terrestres usando la cámara auto-coherente " (7 de junio de 2018), por Benjamin L. Gerard, Christian Marois y Raphaël Galicher:

"Desarrollamos el marco para un método de este tipo basado en la cámara autocoherente (SCC) que se aplicará a los telescopios terrestres, llamado Fast Atmospheric SCC Technique (FAST). Lo demostramos con el uso de un coronógrafo especialmente diseñado y coherente algoritmo de imagen diferencial, la grabación de imágenes cada pocos milisegundos permite restar manchas atmosféricas y estáticas mientras se mantiene un rendimiento de exoplaneta algorítmico cercano a la unidad. Las simulaciones detalladas alcanzan un contraste cercano al límite de ruido de fotones después de 30 segundos para un paso de banda del 1% en la banda H en las estrellas de magnitud 0 y 5. Para el caso de la magnitud 5, esto es aproximadamente 110 veces mejor en contraste bruto que lo que se logra actualmente con los instrumentos ExAO si extrapolamos durante una hora de tiempo de observación, ilustrando que la mejora de la sensibilidad de este método podría desempeñar un papel esencial en la detección y caracterización futuras de exoplanetas de menor masa ".

En resumen, a veces pueden eliminar completamente la atmósfera. Las mejoras están llegando.

ESO 4LGSF - Instalación de estrellas guía láser - Se utilizan cuatro láseres para crear estrellas guía para el AO.

Respondiendo a su pregunta sobre construir en la luna: esto está sujeto a los mismos costos de lanzamiento y restricciones que un alcance basado en el espacio, además de que tiene que lidiar con el aterrizaje y el hundimiento gravitacional. Entonces, lo primero que necesita es una base lunar funcional que pueda fabricar todos los componentes a partir de materias primas locales. Una vez que esté en su lugar (inserte una gran risa aquí), aún necesitará una óptica adaptativa (al igual que los ámbitos de elementos múltiples como JWebb) para la alineación y las compensaciones de hundimiento gravitacional, pero como son estáticos, no necesita la alta frecuencia respuesta requerida en la Tierra para manejar las aberraciones atmosféricas. Querrás construir en el "lado oscuro" para que la luz terran no estropee todo.

Respuesta a los telescopios en la luna. Estar en la superficie de la luna crea problemas en comparación con flotar libremente en el espacio muy lejos de cualquier planeta / luna. La gravedad distorsiona los espejos / la mecánica, requiere ingeniería adicional para soportar el peso, la luna bloquea el medio cielo en cualquier momento, la emisión térmica del suelo, los cambios de temperatura con el ciclo día-noche, el polvo ...

El lado más alejado de la luna sería el mejor lugar para hacer observaciones de radio de baja frecuencia. La luna bloquea todas las emisiones de la tierra.