وداعًا للمرايا: هذا التلسكوب يمكنه جمع ضوء أكثر بـ 100 مرة من تلسكوب جيمس ويب

أعاد نشره أفلاطون

المتابعون: 0

اكتشف علماء الفلك أكثر من 5,000 كوكب خارج المجموعة الشمسية ان يذهب في موعد. السؤال الكبير هو ما إذا كان أي من هذه الكواكب هي موطن للحياة. للعثور على الإجابة ، سيحتاج علماء الفلك على الأرجح تلسكوبات أكثر قوة مما هو موجود اليوم.

أنا عالم الفلك الذي يدرس علم الأحياء الفلكي والكواكب حول النجوم البعيدة. على مدار السنوات السبع الماضية ، كنت أشارك في قيادة فريق يعمل على تطوير نوع جديد من تلسكوب فضائي يمكنه جمع ضوء أكثر بمئة مرة من جيمس ويب تليسكوب الفضاء، أكبر تلسكوب فضائي تم بناؤه على الإطلاق.

تجمع جميع التلسكوبات الفضائية تقريبًا ، بما في ذلك هابل وويب ، الضوء باستخدام المرايا. تلسكوبنا المقترح ، مرصد نوتيلوس الفضائي، ستحل محل المرايا الكبيرة والثقيلة بعدسة رفيعة جديدة أخف وزنا وأرخص وأسهل في الإنتاج من التلسكوبات العاكسة. بسبب هذه الاختلافات ، سيكون من الممكن إطلاق العديد من الوحدات الفردية في المدار وإنشاء شبكة قوية من التلسكوبات.

الحاجة إلى تلسكوبات أكبر

الكواكب الخارجية - الكواكب التي تدور حول نجوم غير الشمس - هي أهداف رئيسية في البحث عن الحياة. يحتاج علماء الفلك إلى استخدام التلسكوبات الفضائية العملاقة التي تجمع كميات هائلة من الضوء دراسة هذه الأشياء الخافتة والبعيدة.

يمكن للتلسكوبات الحالية اكتشاف الكواكب الخارجية الصغيرة مثل الأرض. ومع ذلك ، فإن الأمر يتطلب الكثير من الحساسية للبدء في التعرف على التركيب الكيميائي لهذه الكواكب. حتى تلسكوب جيمس ويب الفضائي بالكاد قوي بما يكفي للبحث بعض الكواكب الخارجية لقرائن الحياة-يسمى الغازات في الغلاف الجوي.

تكلفة Webb أكثر من 8 مليارات دولار واستغرق بناؤها أكثر من 20 عامًا. من غير المتوقع أن يطير التلسكوب الرائد التالي قبل عام 2045 ويقدر أنه تكلف $ 11 مليار دولار. إن مشاريع التلسكوب الطموحة هذه دائمًا ما تكون باهظة الثمن وشاقة وتنتج مرصدًا واحدًا قويًا - ولكنه متخصص جدًا -.

نوع جديد من التلسكوب

في عام 2016 ، عملاق الفضاء شركة نورثروب غرومان دعاني و 14 أستاذًا آخر وعلماء ناسا - جميعهم خبراء في الكواكب الخارجية والبحث عن حياة خارج كوكب الأرض - إلى لوس أنجلوس للإجابة على سؤال واحد: كيف ستبدو التلسكوبات الفضائية للكواكب الخارجية في غضون 50 عامًا؟

في مناقشاتنا ، أدركنا أن عنق الزجاجة الرئيسي الذي يمنع بناء تلسكوبات أكثر قوة هو التحدي المتمثل في صنع مرايا أكبر وإدخالها في المدار. لتجاوز هذا الاختناق ، ابتكر القليل منا فكرة إعادة النظر في تقنية قديمة تسمى العدسات الانكسارية.

تستخدم العدسات التقليدية الانكسار لتركيز الضوء. الانكسار هو عندما يغير الضوء اتجاهه لأنه يمر من وسط إلى آخر - وهذا هو سبب انحناء الضوء عند دخوله الماء. في المقابل ، يحدث الانعراج عندما ينحني الضوء حول الزوايا والعوائق. يمكن أن يشكل نمط الخطوات والزوايا المرتبة بذكاء على سطح زجاجي عدسة انكسارية.

اخترع العالم الفرنسي أوغستين جان فرينل أول عدسات من هذا النوع في عام 1819 لتوفير عدسات خفيفة الوزن المنارات. اليوم ، يمكن العثور على عدسات الانكسار المماثلة في العديد من البصريات الاستهلاكية صغيرة الحجم ، من عدسات الكاميرا إلى سماعات الواقع الافتراضي.

العدسات الانكسارية رقيقة وبسيطة تشتهر بصورها الباهتة، لذلك لم يتم استخدامها مطلقًا في المراصد الفلكية. ولكن إذا كان بإمكانك تحسين وضوحها ، فإن استخدام العدسات الانكسارية بدلاً من المرايا أو العدسات الانكسارية سيسمح لتلسكوب فضائي بأن يكون أرخص بكثير وأخف وزناً وأكبر.

عدسة رفيعة وعالية الدقة

بعد الاجتماع ، عدت إلى جامعة أريزونا وقررت استكشاف ما إذا كانت التكنولوجيا الحديثة يمكنها إنتاج عدسات انكسارية ذات جودة صورة أفضل. من حسن حظي، توماس ميلستر- أحد الخبراء الرائدين في العالم في تصميم العدسات الانكسارية - يعمل في المبنى المجاور لي. شكلنا فريقًا وبدأنا العمل.

على مدار العامين التاليين ، اخترع فريقنا نوعًا جديدًا من العدسات الانكسارية التي تتطلب تقنيات تصنيع جديدة لحفر نمط معقد من الأخاديد الصغيرة على قطعة من الزجاج أو البلاستيك الشفاف. يركز النمط والشكل المحدد للتخفيضات الضوء الوارد على نقطة واحدة خلف العدسة. ينتج التصميم الجديد ملف صورة بجودة شبه مثالية، أفضل بكثير من العدسات الانكسارية السابقة.

نظرًا لأن نسيج سطح العدسة هو الذي يقوم بالتركيز وليس السُمك ، يمكنك بسهولة تكبير العدسة أثناء ذلك إبقائها رفيعة وخفيفة الوزن. العدسات الأكبر تجمع المزيد من الضوء ، وتعني انخفاض الوزن عمليات إطلاق أرخص إلى المدار- كلتا الصفات العظيمة لمقراب فضائي.

في أغسطس 2018 ، أنتج فريقنا أول نموذج أولي ، عدسة قطرها بوصتان (خمسة سنتيمترات). على مدى السنوات الخمس التالية ، قمنا بتحسين جودة الصورة وزيادة الحجم. نحن الآن بصدد استكمال عدسة قطرها 10 بوصات (24 سم) ستكون أخف بعشر مرات من العدسة الانكسارية التقليدية.

قوة تلسكوب حيود الفضاء

يتيح تصميم العدسة الجديد هذا إعادة التفكير في كيفية بناء تلسكوب فضائي. في عام 2019 ، نشر فريقنا مفهومًا يسمى مرصد نوتيلوس الفضائي.

باستخدام التكنولوجيا الجديدة ، يعتقد فريقنا أنه من الممكن بناء عدسة يبلغ قطرها 29.5 قدمًا (8.5 مترًا) يبلغ سمكها حوالي 0.2 بوصة (0.5 سم) فقط. يمكن أن تزن العدسة وهيكل الدعم لتلسكوبنا الجديد حوالي 1,100 رطل (500 كيلوغرام). هذه هي أخف بثلاث مرات من مرآة من طراز Webb بحجم مماثل وستكون أكبر من مرآة Webb التي يبلغ قطرها 21 قدمًا (6.5 متر).

جسم كروي في الفضاء مع عدسة على جانب واحد. — سمحت العدسة الرقيقة للفريق بتصميم تلسكوب أخف وزنا وأرخص ثمنا ، أطلقوا عليه اسم مرصد نوتيلوس الفضائي. دانيال أباي / جامعة أريزونا ، CC BY-ND

للعدسات فوائد أخرى أيضًا. أولاً ، هم أسهل بكثير وأسرع لتصنع من المرايا ويمكن صنعه بشكل جماعي. ثانيًا ، تعمل التلسكوبات القائمة على العدسة بشكل جيد حتى عندما لا تكون محاذية بشكل مثالي ، مما يجعل هذه التلسكوبات أسهل تجمع وتطير في الفضاء بدلاً من التلسكوبات التي تعتمد على المرآة ، والتي تتطلب محاذاة دقيقة للغاية.

أخيرًا ، نظرًا لأن وحدة Nautilus واحدة ستكون خفيفة ورخيصة نسبيًا لإنتاجها ، فسيكون من الممكن وضع العشرات منها في المدار. تصميمنا الحالي ليس في الواقع تلسكوبًا واحدًا ، ولكنه كوكبة مكونة من 35 وحدة تلسكوب فردية.

سيكون كل تلسكوب فرديًا مرصدًا مستقلاً وحساسًا للغاية قادرًا على جمع ضوء أكثر من Webb. لكن القوة الحقيقية لـ Nautilus ستأتي من تحويل جميع التلسكوبات الفردية نحو هدف واحد.

من خلال دمج البيانات من جميع الوحدات ، فإن قوة جمع الضوء لـ Nautilus ستعادل تلسكوبًا أكبر بعشر مرات تقريبًا من Webb. باستخدام هذا التلسكوب القوي ، يمكن لعلماء الفلك البحث في مئات الكواكب الخارجية عن الغازات الموجودة في الغلاف الجوي تشير إلى حياة خارج كوكب الأرض.

على الرغم من أن مرصد نوتيلوس الفضائي لا يزال بعيدًا عن الإطلاق ، فقد حقق فريقنا الكثير من التقدم. لقد أظهرنا أن جميع جوانب التكنولوجيا تعمل في نماذج أولية صغيرة الحجم ونركز الآن على بناء عدسة بقطر 3.3 قدم (1 متر). تتمثل خطواتنا التالية في إرسال نسخة صغيرة من التلسكوب إلى حافة الفضاء على منطاد مرتفع.

مع ذلك ، سنكون مستعدين لاقتراح تلسكوب فضائي ثوري جديد لوكالة ناسا ، ونأمل أن نكون في طريقنا لاستكشاف مئات العوالم بحثًا عن توقيعات الحياة.

يتم إعادة نشر هذه المقالة من المحادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. إقرأ ال المقال الأصلي.

الصورة الائتمان: كاتي يونج ودانييل أباي / جامعة أريزونا و AllThingsSpace / SketchFab, CC BY-ND. إن تصميم تلسكوب فضائي خفيف ورخيص سيجعل من الممكن وضع العديد من الوحدات الفردية في الفضاء مرة واحدة.