Farvel Mirrors: Dette teleskop kunne indsamle 100x mere lys end James Webb

Farvel Mirrors: Dette teleskop kunne indsamle 100x mere lys end James Webb

Tidsstempel: 12. juli 2023 kl. 10

Astronomer har opdaget mere end 5,000 planeter uden for solsystemet til dato. Det store spørgsmål er, om enhver af disse planeter er hjemsted for liv. For at finde svaret, vil astronomer sandsynligvis have brug for kraftigere teleskoper end der findes i dag.

Jeg er en astronom, der studerer astrobiologi og planeter omkring fjerne stjerner. I de sidste syv år har jeg været med til at lede et team, der er ved at udvikle en ny slags rumteleskop, der kunne opsamle hundrede gange mere lys end James Webb Space Telescope, det største rumteleskop nogensinde bygget.

Næsten alle rumteleskoper, inklusive Hubble og Webb, samler lys ved hjælp af spejle. Vores foreslåede teleskop, den Nautilus Rumobservatorium, ville erstatte store, tunge spejle med en ny, tynd linse, der er meget lettere, billigere og nemmere at producere end spejlteleskoper. På grund af disse forskelle ville det være muligt at sende mange individuelle enheder i kredsløb og skabe et kraftfuldt netværk af teleskoper.

Behovet for større teleskoper

Exoplaneter - planeter, der kredser om andre stjerner end solen - er primære mål i søgen efter liv. Astronomer skal bruge gigantiske rumteleskoper, der samler enorme mængder lys til studere disse svage og fjerne objekter.

Eksisterende teleskoper kan opdage exoplaneter så små som Jorden. Det kræver dog meget mere følsomhed at begynde at lære om den kemiske sammensætning af disse planeter. Selv James Webb-rumteleskopet er knap nok kraftigt nok til at søge visse exoplaneter for spor af liv– nemlig gasser i atmosfæren.

Webb kostede mere end $8 milliarder og tog over 20 år at bygge. Det næste flagskibsteleskop forventes ikke at flyve før 2045 og anslås til kostede $ 11 mia. Disse ambitiøse teleskopprojekter er altid dyre, besværlige og producerer et enkelt kraftfuldt – men meget specialiseret – observatorium.

En ny slags teleskop

I 2016, rumfartsgigant Northrop Grumman inviterede mig og 14 andre professorer og NASA-forskere – alle eksperter i exoplaneter og søgen efter udenjordisk liv – til Los Angeles for at besvare et spørgsmål: Hvordan vil exoplanet-rumteleskoper se ud om 50 år?

I vores diskussioner indså vi, at en stor flaskehals, der forhindrer konstruktionen af ​​mere kraftfulde teleskoper, er udfordringen med at lave større spejle og få dem i kredsløb. For at omgå denne flaskehals kom nogle få af os på ideen om at gense en gammel teknologi kaldet diffraktive linser.

Konventionelle linser bruger refraktion til at fokusere lys. Brydning er, når lyset ændrer retning når det går fra et medium til et andet - det er grunden til, at lyset bøjes, når det kommer i vand. I modsætning hertil er diffraktion, når lyset bøjer rundt om hjørner og forhindringer. Et smart arrangeret mønster af trin og vinkler på en glasoverflade kan danne en diffraktiv linse.

De første sådanne linser blev opfundet af den franske videnskabsmand Augustin-Jean Fresnel i 1819 for at give lette linser til fyrtårne. I dag kan lignende diffraktive linser findes i mange små forbrugeroptikker, fra kameralinser til virtual reality-headset.

Tynde, simple diffraktive linser er berygtet for deres slørede billeder, så de er aldrig blevet brugt i astronomiske observatorier. Men hvis du kunne forbedre deres klarhed, ville brug af diffraktive linser i stedet for spejle eller refraktive linser gøre det muligt for et rumteleskop at være meget billigere, lettere og større.

Et tyndt objektiv med høj opløsning

Efter mødet vendte jeg tilbage til University of Arizona og besluttede at undersøge, om moderne teknologi kunne producere diffraktive linser med bedre billedkvalitet. Heldigt for mig, Thomas Milster—en af ​​verdens førende eksperter inden for diffraktiv linsedesign — arbejder i bygningen ved siden af ​​min. Vi dannede et team og gik i gang.

I løbet af de følgende to år opfandt vores team en ny type diffraktiv linse, der krævede nye produktionsteknologier for at ætse et komplekst mønster af små riller på et stykke klart glas eller plastik. Det specifikke mønster og form af snittene fokuserer indkommende lys til et enkelt punkt bag linsen. Det nye design producerer en næsten perfekt billedkvalitet, langt bedre end tidligere diffraktive linser.

Fordi det er linsens overfladestruktur, der gør fokuseringen, ikke tykkelsen, kan du nemt gøre objektivet større, mens holder den meget tynd og let. Større linser samler mere lys, og lav vægt betyder billigere opsendelser i kredsløb-begge gode egenskaber for et rumteleskop.

I august 2018 producerede vores team den første prototype, en to-tommers (fem centimeter) diameter linse. I løbet af de næste fem år forbedrede vi billedkvaliteten yderligere og øgede størrelsen. Vi er nu ved at færdiggøre en linse med en diameter på 10 tommer (24 cm), der vil være mere end 10 gange lettere, end en konventionel brydningslinse ville være.

Kraften i et diffraktionsrumteleskop

Dette nye linsedesign gør det muligt at genoverveje, hvordan et rumteleskop kan bygges. I 2019 udgav vores team et koncept kaldet Nautilus Rumobservatorium.

Ved at bruge den nye teknologi mener vores team, at det er muligt at bygge en linse med en diameter på 29.5 fod (8.5 meter), der kun ville være omkring 0.2 tommer (0.5 cm) tyk. Linsen og støttestrukturen på vores nye teleskop kan veje omkring 1,100 pund (500 kg). Dette er mere end tre gange lettere end et Webb-stil spejl af en lignende størrelse og ville være større end Webbs 21 fod (6.5 meter) spejl i diameter.

Et sfærisk objekt i rummet med en linse på den ene side.
Den tynde linse gjorde det muligt for holdet at designe et lettere, billigere teleskop, som de kaldte Nautilus Space Observatory. Daniel Apai/University of Arizona, CC BY-ND

Linserne har også andre fordele. For det første er de meget nemmere og hurtigere at fremstille end spejle og kan laves i massevis. For det andet fungerer linsebaserede teleskoper godt, selv når de ikke er justeret perfekt, hvilket gør disse teleskoper nemmere at bruge samle og flyver i rummet end spejlbaserede teleskoper, som kræver ekstremt præcis justering.

Endelig, da en enkelt Nautilus-enhed ville være let og relativt billig at producere, ville det være muligt at sætte snesevis af dem i kredsløb. Vores nuværende design er faktisk ikke et enkelt teleskop, men en konstellation af 35 individuelle teleskopenheder.

Hvert individuelt teleskop ville være et uafhængigt, meget følsomt observatorium i stand til at opsamle mere lys end Webb. Men den virkelige kraft af Nautilus ville komme fra at dreje alle de individuelle teleskoper mod et enkelt mål.

Ved at kombinere data fra alle enhederne ville Nautilus' lysopsamlende kraft svare til et teleskop, der er næsten 10 gange større end Webb. Med dette kraftfulde teleskop kunne astronomer søge hundredvis af exoplaneter efter atmosfæriske gasser, der evt. indikerer udenjordisk liv.

Selvom Nautilus Space Observatory stadig er langt fra lanceringen, har vores team gjort store fremskridt. Vi har vist, at alle aspekter af teknologien fungerer i småskala prototyper og fokuserer nu på at bygge en 3.3 fod (1 meter) diameter linse. Vores næste skridt er at sende en lille version af teleskopet til kanten af ​​rummet på en højhøjdeballon.

Med det vil vi være klar til at foreslå et revolutionerende nyt rumteleskop til NASA og forhåbentlig være på vej til at udforske hundredvis af verdener efter livssignaturer.The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Billede Credit: Katie Yung, Daniel Apai/University of Arizona og AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. Et let, billigt rumteleskopdesign ville gøre det muligt at placere mange individuelle enheder i rummet på én gang.

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub