Adiós espejos: este telescopio podría recolectar 100 veces más luz que el James Webb

Adiós espejos: este telescopio podría recolectar 100 veces más luz que el James Webb

Marca de tiempo: 12 de julio de 2023 10:49 a. M.

Los astrónomos han descubierto más de 5,000 planetas fuera del sistema solar hasta la fecha. La gran pregunta es si cualquiera de estos planetas alberga vida. Para encontrar la respuesta, los astrónomos probablemente necesitarán telescopios mas potentes que existen hoy.

Soy astrónomo que estudia astrobiología y planetas alrededor de estrellas distantes. Durante los últimos siete años, he estado codirigiendo un equipo que está desarrollando un nuevo tipo de telescopio espacial que podría captar cien veces más luz que el Telescopio espacial James Webb, el telescopio espacial más grande jamás construido.

Casi todos los telescopios espaciales, incluidos el Hubble y el Webb, recogen la luz mediante espejos. Nuestro telescopio propuesto, el Observatorio espacial Nautilus, reemplazaría los espejos grandes y pesados ​​con una lente nueva y delgada que es mucho más liviana, económica y fácil de producir que los telescopios con espejos. Debido a estas diferencias, sería posible poner en órbita muchas unidades individuales y crear una poderosa red de telescopios.

La necesidad de telescopios más grandes

Los exoplanetas, planetas que orbitan estrellas distintas del sol, son objetivos principales en la búsqueda de vida. Los astrónomos necesitan usar telescopios espaciales gigantes que recolectan grandes cantidades de luz para estudia estos objetos débiles y lejanos.

Los telescopios existentes pueden detectar exoplanetas tan pequeños como la Tierra. Sin embargo, se necesita mucha más sensibilidad para comenzar a aprender sobre la composición química de estos planetas. Incluso el Telescopio Espacial James Webb es apenas lo suficientemente poderoso para buscar ciertos exoplanetas en busca de pistas de vida-a saber gases en la atmosfera.

Webb costó más que $ 8 mil millones y tomó más de 20 años para construir. No se espera que el próximo telescopio insignia vuele antes de 2045 y se estima que cuesta $ 11 mil millones. Estos ambiciosos proyectos de telescopios son siempre costosos, laboriosos y producen un solo observatorio poderoso, pero muy especializado.

Un nuevo tipo de telescopio

En 2016, el gigante aeroespacial Northrop Grumman me invitó a mí y a otros 14 profesores y científicos de la NASA, todos expertos en exoplanetas y la búsqueda de vida extraterrestre, a Los Ángeles para responder una pregunta: ¿Cómo serán los telescopios espaciales de exoplanetas en 50 años?

En nuestras discusiones, nos dimos cuenta de que un obstáculo importante que impide la construcción de telescopios más potentes es el desafío de fabricar espejos más grandes y ponerlos en órbita. Para sortear este cuello de botella, a algunos de nosotros se nos ocurrió la idea de revisar una tecnología antigua llamada lentes difractivos.

Las lentes convencionales usan la refracción para enfocar la luz. La refracción es cuando la luz cambia de dirección. a medida que pasa de un medio a otro, es la razón por la que la luz se dobla cuando entra en el agua. Por el contrario, la difracción es cuando la luz se dobla alrededor de las esquinas y los obstáculos. Un patrón hábilmente dispuesto de escalones y ángulos sobre una superficie de vidrio puede formar una lente difractiva.

Los primeros lentes de este tipo fueron inventados por el científico francés Augustin-Jean Fresnel en 1819 para proporcionar lentes livianos para faros. Hoy en día, se pueden encontrar lentes de difracción similares en muchas ópticas de consumo de tamaño pequeño, desde lentes de las cámaras a auriculares de realidad virtual.

Las lentes difractivas simples y delgadas son conocido por sus imágenes borrosas, por lo que nunca se han utilizado en observatorios astronómicos. Pero si pudiera mejorar su claridad, el uso de lentes de difracción en lugar de espejos o lentes de refracción permitiría que un telescopio espacial fuera mucho más barato, más liviano y más grande.

Una lente delgada de alta resolución

Después de la reunión, regresé a la Universidad de Arizona y decidí explorar si la tecnología moderna podría producir lentes difractivos con mejor calidad de imagen. Por suerte para mi, Tomas Milster—uno de los principales expertos mundiales en diseño de lentes de difracción— trabaja en el edificio contiguo al mío. Formamos un equipo y nos pusimos manos a la obra.

Durante los dos años siguientes, nuestro equipo inventó un nuevo tipo de lente difractiva que requería nuevas tecnologías de fabricación para grabar un patrón complejo de pequeñas ranuras en una pieza de vidrio o plástico transparente. El patrón y la forma específicos de los cortes enfocan la luz entrante en un solo punto detrás de la lente. El nuevo diseño produce un imagen de calidad casi perfecta, mucho mejor que las lentes difractivas anteriores.

Debido a que es la textura de la superficie de la lente la que enfoca, no el grosor, puede agrandar fácilmente la lente mientras manteniéndolo muy delgado y liviano. Las lentes más grandes recogen más luz y el bajo peso significa lanzamientos más baratos a la órbita—ambos grandes rasgos para un telescopio espacial.

En agosto de 2018, nuestro equipo produjo el primer prototipo, una lente de dos pulgadas (cinco centímetros) de diámetro. Durante los siguientes cinco años, mejoramos aún más la calidad de la imagen y aumentamos el tamaño. Ahora estamos completando una lente de 10 pulgadas (24 cm) de diámetro que será más de 10 veces más liviana que una lente refractiva convencional.

Potencia de un telescopio espacial de difracción

Este nuevo diseño de lente permite repensar cómo se podría construir un telescopio espacial. En 2019, nuestro equipo publicó un concepto llamado Observatorio espacial Nautilus.

Usando la nueva tecnología, nuestro equipo cree que es posible construir una lente de 29.5 pies (8.5 metros) de diámetro que tendría solo 0.2 pulgadas (0.5 cm) de grosor. La lente y la estructura de soporte de nuestro nuevo telescopio podrían pesar alrededor de 1,100 libras (500 kilogramos). Esto es más de tres veces más liviano que un espejo estilo Webb de un tamaño similar y sería más grande que el espejo de 21 pies (6.5 metros) de diámetro de Webb.

Un objeto esférico en el espacio con una lente en un lado.
La lente delgada permitió al equipo diseñar un telescopio más liviano y económico, al que llamaron Observatorio Espacial Nautilus. Daniel Apai/Universidad de Arizona, CC BY-ND

Los lentes también tienen otros beneficios. Primero, son mucho más fácil y más rápido fabricar que espejos y se puede hacer en masa. En segundo lugar, los telescopios basados ​​en lentes funcionan bien incluso cuando no están perfectamente alineados, lo que hace que estos telescopios sean más fáciles de usar. montar y volar en el espacio que los telescopios basados ​​en espejos, que requieren una alineación extremadamente precisa.

Finalmente, dado que una sola unidad Nautilus sería liviana y relativamente barata de producir, sería posible poner en órbita docenas de ellas. De hecho, nuestro diseño actual no es un solo telescopio, sino una constelación de 35 unidades de telescopios individuales.

Cada telescopio individual sería un observatorio independiente y altamente sensible capaz de recolectar más luz que Webb. Pero el poder real de Nautilus provendría de orientar todos los telescopios individuales hacia un solo objetivo.

Al combinar los datos de todas las unidades, el poder de recolección de luz de Nautilus equivaldría a un telescopio casi 10 veces más grande que Webb. Con este poderoso telescopio, los astrónomos podrían buscar en cientos de exoplanetas gases atmosféricos que puedan indicar vida extraterrestre.

Aunque el Observatorio Espacial Nautilus todavía está muy lejos del lanzamiento, nuestro equipo ha progresado mucho. Hemos demostrado que todos los aspectos de la tecnología funcionan en prototipos a pequeña escala y ahora nos estamos enfocando en construir una lente de 3.3 pies (1 metro) de diámetro. Nuestros próximos pasos son enviar una versión pequeña del telescopio al borde del espacio en un globo de gran altitud.

Con eso, estaremos listos para proponer un nuevo telescopio espacial revolucionario a la NASA y, con suerte, estar en camino de explorar cientos de mundos en busca de firmas de vida.La conversación

Este artículo se republica de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el articulo original.

Crédito de la imagen: Katie Yung, Daniel Apai/Universidad de Arizona y AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. Un diseño de telescopio espacial ligero y económico permitiría poner muchas unidades individuales en el espacio a la vez.

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