home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Time - Man of the Year / Time_Man_of_the_Year_Compact_Publishing_3YX-Disc-1_Compact_Publishing_1993.iso / moy / 042792 / 0427300.000 < prev    next >
Text File  |  1992-09-10  |  9KB  |  183 lines

  1.                                                                                 SCIENCE, Page 56Shoot for the Stars
  2.  
  3.  
  4. A fresh generation of telescopes will open a new era of
  5. astronomical discovery
  6.  
  7. By J. MADELEINE NASH/TUCSON
  8.  
  9.  
  10.     Twleve summers ago, University of Arizona astronomer
  11. Roger Angel swung by a Tucson pottery shop to pick up some
  12. firebricks for a backyard kiln. Then he purchased some glass
  13. ovenware at a nearby hardware store. A few days later, he
  14. materialized in a graduate student's doorway, brandishing a
  15. couple of Pyrex custard dishes melted to a misshapen blob. "We
  16. can make telescope mirrors out of this!" Angel exclaimed. Thus
  17. began a monumental and quixotic effort to reinvent the central
  18. light-gathering surface of the telescope, from its initial
  19. design to its final polishing.
  20.  
  21.     This month, many years and millions of dollars later, that
  22. effort culminated in a spectacular success: the casting of one
  23. of the world's largest telescope mirrors, a single 6.5-m
  24. (21-ft.) circle of glass that sometime in 1994 will be hauled
  25. by flatbed truck to the top of Arizona's Mount Hopkins, where
  26. it will tilt skyward like a giant Cyclopean eye.
  27.  
  28.     These are heady days in the rarefied world of telescope
  29. making. Not since the 1934 casting of Mount Palomar's 5-m mirror
  30. -- a record size at the time -- has there been more innovation
  31. or competition to push the edge of possibility. In the clear air
  32. above Hawaii's Mauna Kea, the Keck I Telescope's mammoth 10-m
  33. mirror, built of 36 separate segments, is nearing final assembly
  34. -- a 10-month process was completed last week. Four years from
  35. now it will be joined by the Keck II, an equally monstrous twin.
  36. By then, the European Southern Observatory hopes to have
  37. positioned the first of four 8.2-m telescopes atop a high peak
  38. in the Chilean Andes. Japanese astronomers and other groups
  39. around the world will be constructing telescopes of similar size
  40. and daring before the end of the century.
  41.  
  42.     Collectively, this new generation of ground-based
  43. instruments will open an extraordinary new window on the cosmos.
  44. "What we can look forward to," says Caltech astronomer Maarten
  45. Schmidt, "is the biggest gain in telescope power in the past 50,
  46. maybe even 100 years." It should bring into focus the most
  47. distant quasars yet and even planets orbiting other stars.
  48.  
  49.     The intellectual seeds for this technological renaissance
  50. were sown more than a decade ago, when Angel and a handful of
  51. other pioneers began contemplating the challenge of building
  52. more powerful telescopes. Very quickly, they were forced to
  53. consider radical new approaches to mirror design. Simply scaling
  54. up old models would have been hopelessly expensive and unwieldy.
  55. "A large mirror can't look like a small mirror," explains
  56. Angel, "for pretty much the same reason that an elephant can't
  57. look like a fly. If it did, its legs would collapse under its
  58. own weight."
  59.  
  60.     The central conundrum confronting designers was this: how
  61. to make a telescope mirror that could hold its shape against
  62. gravitational sag and gusting winds yet retain the capacity to
  63. make rapid adjustments to fluctuating temperatures. As mirror
  64. size increases, these two requirements begin to dictate
  65. different, and quickly contradictory, solutions. Very thick
  66. mirrors resist physical deformation extremely well, but because
  67. they retain so much heat, they tend to generate shimmering
  68. currents in the cold night air that play havoc with astronomers'
  69. observations. Very thin mirrors, on the other hand, have ideal
  70. thermal properties but a daunting physical handicap: as the
  71. telescope pans across the sky, a thin mirror will bend and
  72. wobble as if made of rubber.
  73.  
  74.     Between this Scylla and Charybdis, mirror designers are
  75. charting a variety of bold, new courses. By designing the Keck
  76. Telescope mirror as a mosaic of small segments, each the size
  77. of a dining-room table, astronomer Jerry Nelson of the
  78. University of California, Berkeley was able to make his mirrors
  79. both rigid and thin. But to provide images of pinprick
  80. sharpness, each segment must be kept perfectly aligned with its
  81. neighbors, a task handled by an elaborate electronic network.
  82.  
  83.     By contrast, the mirrors designed for the European
  84. Southern Observatory consist of a single, vast expanse of glass,
  85. thin (17.7 cm) and very flexible. To control wobbling and
  86. stabilize the orientation, these mirrors, like giant catcher's
  87. mitts, will be constantly readjusted by 180 computer-activated
  88. steel "fingers." A prototype mirror has already proved its
  89. worth. A flaw identical to the one that crippled the Hubble
  90. Space Telescope was easily corrected by adjusting the mirror's
  91. shape.
  92.  
  93.     Angel's approach relies less on intricate control systems
  94. and more on vitreous wizardry. The 10-ton mirror he and his
  95. colleagues plan to install in Arizona -- merely a warm-up for
  96. some 8-m versions -- boasts a light-collecting surface that is
  97. nearly as wide as a house is tall, yet it averages only 2.8 cm
  98. thick. What prevents this marvel from fracturing under its own
  99. weight is a supporting truss composed of thousands of glass ribs
  100. that are cast as part of the mirror's underlying structure.
  101. Arrayed in a striking hexagonal pattern, the ribs form an airy
  102. honeycomb that confers on the mirror the structural strength of
  103. solid glass at one-fifth the weight. Because the hexagonal cells
  104. are hollow, air can be circulated through them to keep the
  105. mirror in constant thermal balance.
  106.  
  107.     Although the conceptual design appears straightforward,
  108. the casting of a honeycomb mirror requires considerable
  109. technical know-how -- and time. Angel's team tackles the job in
  110. their hangar-like mirror lab located, improbably enough, under
  111. the stands of the University of Arizona football stadium. In
  112. the center of the lab is a huge round furnace. To make a
  113. mirror, a complex ceramic mold is assembled inside the furnace
  114. and filled with glittering chunks of Pyrex-type glass. Once the
  115. furnace lid is sealed, the temperature will slowly ratchet up
  116. over a period of several days, at times rising no more than 2
  117. degrees C in an hour. At 750 degrees C (1382 degrees F), when
  118. the glass is a smooth, shiny lake, the furnace starts to whirl
  119. like a merry-go-round -- an innovation that automatically spins
  120. the glass into the parabolic shape traditionally achieved by
  121. grinding. At about 1150 degrees C, the liquid glass oozes into
  122. the mold, filling the cells of the honeycomb.
  123.  
  124.     Cooling the mirror is an equally painstaking process that
  125. takes many weeks. Reason: if one section of the glass cools
  126. faster than another, it will contract more quickly, creating
  127. stresses that lead to cracking. When finally unmolded, the
  128. mirror will still require months of tedious polishing to remove
  129. any imperfections.
  130.  
  131.     Why devote so much time and energy to increasing the size
  132. of telescope mirrors? The quest is driven by science. To
  133. understand how the universe evolved from the Big Bang to its
  134. present form, astronomers strive to capture ever more fleeting
  135. flecks of light that emanated from ancient galaxies billions of
  136. years ago. A 10-m mirror increases their chances by providing
  137. a light-gathering surface that is four times the area of a 5-m
  138. mirror. Even bigger gains will be possible if astronomers
  139. proceed with plans to link huge telescopes like the Keck I and
  140. Keck II together, combining their light-catching power. The laws
  141. of physics serendipitously ensure that such telescopic arrays
  142. will also provide sharper images -- if spatial distortions in
  143. the new thinner mirrors can only be held to a minimum.
  144.  
  145.     Of course, that is a big if. All the new mirror designs
  146. are pushing the technological frontier, and already some
  147. surprisingly nettlesome problems have arisen. "Naturally, the
  148. challenges have come in places we least expected them," says
  149. physicist Terry Mast, one of the scientists who is helping build
  150. the Keck Telescope. For instance, the laborious procedure
  151. developed for polishing the Keck's 36 mirror segments turned out
  152. to warp them. A system of special harnesses has now been
  153. developed to bend the segments to the correct curvature. So far,
  154. Angel's mirrors appear to be free of serious problems, though
  155. concerns persist that the honeycomb structure could interfere
  156. with "seeing" by leaving a subtle quilted pattern on the
  157. surface. Far outweighing any potential negatives, Angel
  158. believes, is the fact that his mirrors, unlike the Keck and
  159. European mirrors, do not require fancy computerized controls to
  160. keep them optimally configured. "When we succeed in casting a
  161. mirror," says Angel, "we've produced a piece of glass that makes
  162. everything else easy."
  163.  
  164.     Right now, which design will prove best is anyone's guess.
  165. "We'll know in 50 years," says Mast. But whatever the ultimate
  166. outcome of this ethereal competition, it is clear that Angel's
  167. creative hand will shape telescopes built for many years to
  168. come. He and a team of graduate students are among many
  169. astronomers racing to devise an "adaptive optics" system that
  170. corrects for the turbulence of the earth's atmosphere. The
  171. system affords ground-based instruments the heady illusion of
  172. operating in the clairvoyant emptiness of space. Angel, in other
  173. words, is on the verge of endowing his telescope mirrors with
  174. wings.
  175.  
  176.  
  177.  
  178.  
  179.  
  180.  
  181.  
  182.  
  183.