Goodbye Mirrors: Αυτό το τηλεσκόπιο θα μπορούσε να συλλέξει 100 φορές περισσότερο φως από το James Webb

Οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει περισσότερα από 5,000 πλανήτες έξω από το ηλιακό σύστημα μέχρι σήμερα. Το μεγάλο ερώτημα είναι αν οποιοσδήποτε από αυτούς τους πλανήτες φιλοξενεί ζωή. Για να βρουν την απάντηση, οι αστρονόμοι πιθανότατα θα χρειαστούν ισχυρότερα τηλεσκόπια από ό,τι υπάρχουν σήμερα.

είμαι ένας αστρονόμος που σπουδάζει αστροβιολογία και πλανήτες γύρω από μακρινά αστέρια. Τα τελευταία επτά χρόνια, είμαι από κοινού επικεφαλής μιας ομάδας που αναπτύσσει ένα νέο είδος διαστημικού τηλεσκοπίου που θα μπορούσε να συλλέξει εκατό φορές περισσότερο φως από το Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb, το μεγαλύτερο διαστημικό τηλεσκόπιο που κατασκευάστηκε ποτέ.

Σχεδόν όλα τα διαστημικά τηλεσκόπια, συμπεριλαμβανομένων των Hubble και Webb, συλλέγουν φως χρησιμοποιώντας καθρέφτες. Το προτεινόμενο τηλεσκόπιό μας, το Διαστημικό Παρατηρητήριο Ναυτίλος, θα αντικαταστήσει τους μεγάλους, βαρείς καθρέφτες με έναν νέο, λεπτό φακό που είναι πολύ ελαφρύτερος, φθηνότερος και πιο εύκολος στην παραγωγή από τα τηλεσκόπια με καθρέφτη. Λόγω αυτών των διαφορών, θα ήταν δυνατή η εκτόξευση πολλών μεμονωμένων μονάδων σε τροχιά και η δημιουργία ενός ισχυρού δικτύου τηλεσκοπίων.

Η ανάγκη για μεγαλύτερα τηλεσκόπια

Οι εξωπλανήτες—πλανήτες που περιφέρονται γύρω από άλλα αστέρια εκτός από τον ήλιο—είναι πρωταρχικοί στόχοι στην αναζήτηση ζωής. Οι αστρονόμοι πρέπει να χρησιμοποιούν γιγάντια διαστημικά τηλεσκόπια που συλλέγουν τεράστιες ποσότητες φωτός μελετήστε αυτά τα αμυδρά και μακρινά αντικείμενα.

Τα υπάρχοντα τηλεσκόπια μπορούν να ανιχνεύσουν εξωπλανήτες τόσο μικρούς όσο η Γη. Ωστόσο, χρειάζεται πολύ περισσότερη ευαισθησία για να αρχίσουμε να μαθαίνουμε για τη χημική σύνθεση αυτών των πλανητών. Ακόμη και το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb είναι μόλις και μετά βίας αρκετά ισχυρό για αναζήτηση ορισμένους εξωπλανήτες για ενδείξεις ζωής-και συγκεκριμένα αέρια στην ατμόσφαιρα.

Το Webb κοστίζει περισσότερο από 8 δισεκατομμύρια δολάρια και χρειάστηκαν πάνω από 20 χρόνια για να κατασκευαστεί. Το επόμενο ναυαρχίδα τηλεσκόπιο δεν αναμένεται να πετάξει πριν από το 2045 και εκτιμάται ότι θα πετάξει κόστισε 11 δισεκατομμύρια δολάρια. Αυτά τα φιλόδοξα έργα τηλεσκοπίων είναι πάντα ακριβά, επίπονα και παράγουν ένα μόνο ισχυρό —αλλά πολύ εξειδικευμένο— παρατηρητήριο.

Ένα νέο είδος τηλεσκοπίου

Το 2016, γίγαντας της αεροδιαστημικής Northrop Grumman Με προσκάλεσε εμένα και άλλους 14 καθηγητές και επιστήμονες της NASA -όλοι ειδικοί σε εξωπλανήτες και αναζήτηση εξωγήινης ζωής- στο Λος Άντζελες για να απαντήσουμε σε μια ερώτηση: Πώς θα είναι τα διαστημικά τηλεσκόπια εξωπλανητών σε 50 χρόνια;

Στις συζητήσεις μας, συνειδητοποιήσαμε ότι ένα σημαντικό εμπόδιο που εμποδίζει την κατασκευή ισχυρότερων τηλεσκοπίων είναι η πρόκληση της κατασκευής μεγαλύτερων κατόπτρων και της μεταφοράς τους σε τροχιά. Για να παρακάμψουμε αυτό το σημείο συμφόρησης, μερικοί από εμάς σκέφτηκαν την ιδέα να επανεξετάσουμε μια παλιά τεχνολογία που ονομάζεται διαθλαστικός φακός.

Οι συμβατικοί φακοί χρησιμοποιούν διάθλαση για να εστιάσουν το φως. Διάθλαση είναι όταν το φως αλλάζει κατεύθυνση καθώς περνά από το ένα μέσο στο άλλο — είναι ο λόγος που το φως λυγίζει όταν μπαίνει στο νερό. Αντίθετα, η περίθλαση είναι όταν το φως κάμπτεται γύρω από τις γωνίες και τα εμπόδια. Ένα έξυπνα διατεταγμένο σχέδιο βημάτων και γωνιών σε μια γυάλινη επιφάνεια μπορεί να σχηματίσει έναν περιθλατικό φακό.

Οι πρώτοι τέτοιοι φακοί εφευρέθηκαν από τον Γάλλο επιστήμονα Augustin-Jean Fresnel το 1819 για να παρέχουν ελαφρούς φακούς για φάρους. Σήμερα, παρόμοιοι περιθλαστικοί φακοί μπορούν να βρεθούν σε πολλά μικρού μεγέθους οπτικά καταναλωτικά, από φακούς φωτογραφικών μηχανών προς την ακουστικά εικονικής πραγματικότητας.

Λεπτοί, απλοί περιθλαστικοί φακοί είναι διαβόητοι για τις θολές εικόνες τους, επομένως δεν έχουν χρησιμοποιηθεί ποτέ σε αστρονομικά παρατηρητήρια. Αλλά αν μπορούσατε να βελτιώσετε τη διαύγειά τους, η χρήση διαθλαστικών φακών αντί για καθρέφτες ή διαθλαστικούς φακούς θα επέτρεπε σε ένα διαστημικό τηλεσκόπιο να είναι πολύ φθηνότερο, ελαφρύτερο και μεγαλύτερο.

Ένας λεπτός φακός υψηλής ανάλυσης

Μετά τη συνάντηση, επέστρεψα στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και αποφάσισα να διερευνήσω εάν η σύγχρονη τεχνολογία θα μπορούσε να παράγει περιθλαστικούς φακούς με καλύτερη ποιότητα εικόνας. Ευτυχώς για μένα, Τόμας Μίλστερ—ένας από τους κορυφαίους εμπειρογνώμονες στον κόσμο στον σχεδιασμό περιθλατικών φακών—εργάζεται στο κτίριο δίπλα στο δικό μου. Φτιάξαμε μια ομάδα και πιάσαμε δουλειά.

Τα επόμενα δύο χρόνια, η ομάδα μας επινόησε έναν νέο τύπο περιθλατικού φακού που απαιτούσε νέες τεχνολογίες κατασκευής για να χαράξει ένα περίπλοκο σχέδιο μικροσκοπικών αυλακώσεων σε ένα κομμάτι από διαφανές γυαλί ή πλαστικό. Το συγκεκριμένο μοτίβο και το σχήμα των περικοπών εστιάζει το εισερχόμενο φως σε ένα μόνο σημείο πίσω από τον φακό. Ο νέος σχεδιασμός παράγει α εικόνα σχεδόν τέλειας ποιότητας, πολύ καλύτερος από τους προηγούμενους διαθλητικούς φακούς.

Επειδή είναι η υφή της επιφάνειας του φακού που κάνει την εστίαση, όχι το πάχος, μπορείτε εύκολα να κάνετε τον φακό μεγαλύτερο ενώ διατηρώντας το πολύ λεπτό και ελαφρύ. Οι μεγαλύτεροι φακοί συγκεντρώνουν περισσότερο φως και το χαμηλό βάρος σημαίνει φθηνότερες εκτοξεύσεις σε τροχιά— Και τα δύο σπουδαία χαρακτηριστικά για ένα διαστημικό τηλεσκόπιο.

Τον Αύγουστο του 2018, η ομάδα μας παρήγαγε το πρώτο πρωτότυπο, έναν φακό διαμέτρου δύο ιντσών (πέντε εκατοστών). Τα επόμενα πέντε χρόνια, βελτιώσαμε περαιτέρω την ποιότητα της εικόνας και αυξήσαμε το μέγεθος. Τώρα ολοκληρώνουμε έναν φακό διαμέτρου 10 ιντσών (24 cm) που θα είναι περισσότερο από 10 φορές ελαφρύτερος από έναν συμβατικό διαθλαστικό φακό.

Ισχύς ενός διαστημικού τηλεσκοπίου περίθλασης

Αυτός ο νέος σχεδιασμός φακού καθιστά δυνατή την επανεξέταση του τρόπου κατασκευής ενός διαστημικού τηλεσκοπίου. Το 2019, η ομάδα μας δημοσίευσε μια ιδέα που ονομάζεται το Διαστημικό Παρατηρητήριο Ναυτίλος.

Χρησιμοποιώντας τη νέα τεχνολογία, η ομάδα μας πιστεύει ότι είναι δυνατή η κατασκευή ενός φακού διαμέτρου 29.5 ποδιών (8.5 μέτρων) που θα έχει πάχος μόνο περίπου 0.2 ίντσες (0.5 cm). Ο φακός και η δομή στήριξης του νέου μας τηλεσκοπίου θα μπορούσαν να ζυγίζουν περίπου 1,100 λίβρες (500 κιλά). Αυτός είναι περισσότερο από τρεις φορές ελαφρύτερος από έναν καθρέφτη τύπου Webb παρόμοιου μεγέθους και θα ήταν μεγαλύτερος από τον καθρέφτη διαμέτρου 21 ποδιών (6.5 μέτρων) του Webb.

Οι φακοί έχουν και άλλα πλεονεκτήματα. Πρώτον, είναι πολύ πιο εύκολο και γρήγορο να κατασκευάζει από καθρέφτες και μπορεί να γίνει μαζικά. Δεύτερον, τα τηλεσκόπια που βασίζονται σε φακούς λειτουργούν καλά ακόμα και όταν δεν είναι τέλεια ευθυγραμμισμένα, καθιστώντας αυτά τα τηλεσκόπια ευκολότερα συναρμολόγηση και πετούν στο διάστημα από τα τηλεσκόπια που βασίζονται σε καθρέφτες, τα οποία απαιτούν εξαιρετικά ακριβή ευθυγράμμιση.

Τέλος, δεδομένου ότι μια μονάδα Nautilus θα ήταν ελαφριά και σχετικά φθηνή στην παραγωγή, θα ήταν δυνατό να τεθούν σε τροχιά δεκάδες από αυτές. Το σημερινό μας σχέδιο δεν είναι στην πραγματικότητα ένα μόνο τηλεσκόπιο, αλλά ένας αστερισμός 35 μεμονωμένων τηλεσκοπικών μονάδων.

Κάθε μεμονωμένο τηλεσκόπιο θα ήταν ένα ανεξάρτητο, εξαιρετικά ευαίσθητο παρατηρητήριο ικανό να συλλέγει περισσότερο φως από τον Webb. Αλλά η πραγματική δύναμη του Ναυτίλου θα προερχόταν από τη στροφή όλων των μεμονωμένων τηλεσκοπίων προς έναν μόνο στόχο.

Συνδυάζοντας δεδομένα από όλες τις μονάδες, η ισχύς συλλογής φωτός του Ναυτίλου θα ισοδυναμούσε με ένα τηλεσκόπιο σχεδόν 10 φορές μεγαλύτερο από το Webb. Με αυτό το ισχυρό τηλεσκόπιο, οι αστρονόμοι θα μπορούσαν να αναζητήσουν εκατοντάδες εξωπλανήτες για ατμοσφαιρικά αέρια που μπορεί να δείχνουν εξωγήινη ζωή.

Αν και το Διαστημικό Παρατηρητήριο Ναυτίλος απέχει ακόμη πολύ από την εκτόξευση, η ομάδα μας έχει σημειώσει μεγάλη πρόοδο. Δείξαμε ότι όλες οι πτυχές της τεχνολογίας λειτουργούν σε πρωτότυπα μικρής κλίμακας και τώρα εστιάζουμε στην κατασκευή ενός φακού διαμέτρου 3.3 ποδιών (1 μέτρου). Τα επόμενα βήματά μας είναι να στείλουμε μια μικρή έκδοση του τηλεσκοπίου στην άκρη του διαστήματος σε ένα μπαλόνι μεγάλου υψόμετρου.

Με αυτό, θα είμαστε έτοιμοι να προτείνουμε ένα επαναστατικό νέο διαστημικό τηλεσκόπιο στη NASA και, ελπίζουμε, να είμαστε στο δρόμο για να εξερευνήσουμε εκατοντάδες κόσμους για υπογραφές ζωής.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Image Credit: Katie Yung, Daniel Apai/Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και AllThingsSpace /SketchFab, CC BY-ND. Ένας ελαφρύς, φθηνός σχεδιασμός διαστημικού τηλεσκοπίου θα επέτρεπε να τοποθετηθούν πολλές μεμονωμένες μονάδες στο διάστημα ταυτόχρονα.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Αυτοκίνητο / EVs, Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• BlockOffsets. Εκσυγχρονισμός της περιβαλλοντικής αντιστάθμισης ιδιοκτησίας. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/