خداحافظ آینه ها: این تلسکوپ می تواند 100 برابر بیشتر از جیمز وب نور جمع آوری کند

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

ستاره شناسان بیش از 5,000 سیاره خارج از منظومه شمسی به روز. سوال بزرگ این است که آیا هر یک از این سیارات خانه حیات هستند. برای یافتن پاسخ، اخترشناسان احتمالاً نیاز دارند تلسکوپ های قوی تر از امروز وجود دارد.

من هستم یک منجمی که اختر زیست شناسی مطالعه می کند و سیارات اطراف ستاره های دور. در هفت سال گذشته، من با همکاری تیمی در حال توسعه نوع جدیدی از تلسکوپ فضایی بوده‌ام که می‌تواند صد برابر بیشتر از نور جمع‌آوری کند. تلسکوپ فضایی جیمز وب، بزرگترین تلسکوپ فضایی ساخته شده تا کنون.

تقریباً تمام تلسکوپ‌های فضایی، از جمله هابل و وب، نور را با استفاده از آینه جمع‌آوری می‌کنند. تلسکوپ پیشنهادی ما، رصدخانه فضایی ناتیلوس، آینه های بزرگ و سنگین را با یک عدسی جدید و نازک جایگزین می کند که بسیار سبک تر، ارزان تر و آسان تر از تلسکوپ های آینه ای تولید می شود. به دلیل این تفاوت ها، پرتاب بسیاری از واحدهای منفرد به مدار و ایجاد شبکه قدرتمندی از تلسکوپ ها امکان پذیر است.

نیاز به تلسکوپ های بزرگتر

سیارات فراخورشیدی - سیاراتی که به دور ستارگانی غیر از خورشید می چرخند - اهداف اصلی در جستجوی حیات هستند. ستاره شناسان باید از تلسکوپ های فضایی غول پیکری استفاده کنند که مقادیر زیادی نور را جمع آوری می کند این اجسام کم نور و دور را مطالعه کنید.

تلسکوپ های موجود می توانند سیارات فراخورشیدی به کوچکی زمین را شناسایی کنند. با این حال، برای شروع یادگیری در مورد ترکیب شیمیایی این سیارات، حساسیت بسیار بیشتری لازم است. حتی تلسکوپ فضایی جیمز وب به سختی به اندازه کافی قدرتمند است که بتواند جستجو کند سیارات فراخورشیدی خاص برای سرنخ هایی از حیات-برای مثال گازهای موجود در جو.

هزینه وب بیش از 8 میلیارد دلار و ساخت آن بیش از 20 سال طول کشید. انتظار نمی رود تلسکوپ پرچمدار بعدی قبل از سال 2045 پرواز کند و تخمین زده می شود هزینه $ 11 میلیارد. این پروژه‌های تلسکوپ بلندپروازانه همیشه پرهزینه، پرزحمت هستند و یک رصدخانه قدرتمند – اما بسیار تخصصی – را تولید می‌کنند.

نوع جدیدی از تلسکوپ

در سال 2016، غول هوافضا نورث روپ گرومن من و 14 استاد دیگر و دانشمند ناسا - همه متخصصان سیارات فراخورشیدی و جستجوی حیات فرازمینی - را به لس آنجلس دعوت کرد تا به یک سوال پاسخ دهیم: تلسکوپ های فضایی سیارات فراخورشیدی 50 سال دیگر چگونه خواهند بود؟

در بحث‌هایمان، متوجه شدیم که یک گلوگاه بزرگ که مانع از ساخت تلسکوپ‌های قدرتمندتر می‌شود، چالش ساخت آینه‌های بزرگ‌تر و قرار دادن آنها در مدار است. برای دور زدن این تنگنا، چند نفر از ما به این فکر افتادیم که یک فناوری قدیمی به نام لنزهای پراش را بازبینی کنیم.

لنزهای معمولی از انکسار برای تمرکز نور استفاده می کنند. شکست زمانی است که نور جهت را تغییر می دهد هنگامی که از یک محیط به محیط دیگر می‌گذرد، این دلیلی است که نور هنگام ورود به آب خم می‌شود. در مقابل، پراش زمانی است که نور در اطراف گوشه ها و موانع خم می شود. یک الگوی هوشمندانه از مراحل و زوایا روی سطح شیشه ای می تواند یک عدسی پراش را تشکیل دهد.

اولین چنین لنزهایی توسط دانشمند فرانسوی آگوستین ژان فرنل در سال 1819 اختراع شد تا لنزهای سبک وزن را برای فانوس های دریایی. امروزه، لنزهای پراش مشابهی را می توان در بسیاری از اپتیک های مصرفی با اندازه کوچک یافت لنز دوربین به هدست واقعیت مجازی.

عدسی های نازک و ساده پراش هستند به خاطر تصاویر تار خود بدنام هستند، بنابراین هرگز در رصدخانه های نجومی مورد استفاده قرار نگرفته اند. اما اگر می‌توانید وضوح آنها را بهبود ببخشید، استفاده از عدسی‌های انکسار به جای آینه یا عدسی‌های انکساری باعث می‌شود تلسکوپ فضایی بسیار ارزان‌تر، سبک‌تر و بزرگ‌تر باشد.

یک لنز نازک و با وضوح بالا

پس از جلسه، به دانشگاه آریزونا بازگشتم و تصمیم گرفتم که بررسی کنم که آیا فناوری مدرن می تواند لنزهای پراش با کیفیت تصویر بهتر تولید کند یا خیر. برای من خوش شانس، توماس میلستر- یکی از متخصصان برجسته جهان در طراحی لنزهای پراش - در ساختمان مجاور من کار می کند. یک تیم تشکیل دادیم و دست به کار شدیم.

طی دو سال بعد، تیم ما نوع جدیدی از لنزهای انکساری را اختراع کرد که به فناوری‌های جدید تولیدی نیاز داشت تا الگوی پیچیده‌ای از شیارهای ریز را روی یک تکه شیشه یا پلاستیک شفاف حک کند. الگوی خاص و شکل برش ها نور ورودی را به یک نقطه پشت لنز متمرکز می کند. طراحی جدید تولید یک تصویر با کیفیت تقریباً عالی، به مراتب بهتر از لنزهای پراش قبلی است.

از آنجایی که این بافت سطح لنز است که فوکوس را انجام می دهد، نه ضخامت، شما به راحتی می توانید لنز را بزرگتر کنید. بسیار نازک و سبک نگه داشتن آن. لنزهای بزرگ‌تر نور بیشتری را جمع‌آوری می‌کنند و وزن کم به معنی است پرتاب های ارزان تر به مدار- هر دو ویژگی عالی برای یک تلسکوپ فضایی.

در آگوست 2018، تیم ما اولین نمونه اولیه، یک لنز با قطر دو اینچ (پنج سانتی متر) را تولید کرد. در طول پنج سال آینده، کیفیت تصویر را بیشتر بهبود بخشیم و اندازه را افزایش دادیم. اکنون در حال تکمیل یک عدسی با قطر 10 اینچ (24 سانتی متر) هستیم که بیش از 10 برابر سبک تر از یک عدسی انکساری معمولی است.

قدرت تلسکوپ فضایی پراش

این طراحی جدید عدسی امکان بازاندیشی در مورد چگونگی ساخت یک تلسکوپ فضایی را فراهم می کند. در سال 2019، تیم ما مفهومی به نام the را منتشر کرد رصدخانه فضایی ناتیلوس.

با استفاده از فناوری جدید، تیم ما فکر می‌کند که می‌توان عدسی با قطر 29.5 فوت (8.5 متر) ساخت که تنها 0.2 اینچ (0.5 سانتی‌متر) ضخامت دارد. عدسی و ساختار تکیه گاه تلسکوپ جدید ما می تواند حدود 1,100 پوند (500 کیلوگرم) وزن داشته باشد. این آینه بیش از سه برابر سبک تر از یک آینه به سبک وب با اندازه مشابه است و از آینه با قطر 21 فوت (6.5 متر) وب بزرگتر است.

یک جسم کروی در فضا با یک عدسی در یک طرف. — عدسی نازک به تیم اجازه داد تلسکوپ سبکتر و ارزانتری طراحی کنند که آن را رصدخانه فضایی ناتیلوس نامیدند. دانیل آپای / دانشگاه آریزونا، CC BY-ND

لنزها مزایای دیگری نیز دارند. اول، آنها هستند خیلی راحت تر و سریع تر ساختن از آینه و می توان به صورت انبوه درست کرد. دوم، تلسکوپ‌های مبتنی بر عدسی حتی زمانی که کاملاً در یک راستا قرار نگیرند، به خوبی کار می‌کنند، و این تلسکوپ‌ها را آسان‌تر می‌کند. مونتاژ و پرواز در فضا نسبت به تلسکوپ های آینه ای، که نیاز به تراز بسیار دقیق دارند.

در نهایت، از آنجایی که تولید یک واحد ناتیلوس سبک و نسبتاً ارزان است، می‌توان ده‌ها عدد از آن‌ها را در مدار قرار داد. طراحی فعلی ما در واقع یک تلسکوپ نیست، بلکه یک صورت فلکی از 35 واحد تلسکوپ جداگانه است.

هر تلسکوپ منفرد یک رصدخانه مستقل و بسیار حساس خواهد بود که قادر به جمع آوری نور بیشتر از وب خواهد بود. اما قدرت واقعی ناتیلوس از چرخاندن همه تلسکوپ‌های منفرد به سمت یک هدف به دست می‌آید.

با ترکیب داده‌های همه واحدها، قدرت جمع‌آوری نور ناتیلوس با تلسکوپی تقریباً 10 برابر بزرگتر از وب برابری می‌کند. با این تلسکوپ قدرتمند، ستاره شناسان می توانند صدها سیاره فراخورشیدی را برای یافتن گازهای جوی که ممکن است زندگی فرازمینی را نشان می دهد.

اگرچه رصدخانه فضایی ناتیلوس هنوز تا پرتاب فاصله زیادی دارد، تیم ما پیشرفت زیادی داشته است. ما نشان داده‌ایم که تمام جنبه‌های این فناوری در نمونه‌های اولیه در مقیاس کوچک کار می‌کنند و اکنون روی ساخت یک لنز با قطر 3.3 فوت (1 متر) تمرکز کرده‌ایم. گام بعدی ما ارسال یک نسخه کوچک از تلسکوپ به لبه فضا بر روی یک بالون در ارتفاع بالا است.

با آن، ما آماده خواهیم بود که یک تلسکوپ فضایی جدید انقلابی را به ناسا پیشنهاد کنیم و امیدواریم در مسیر کاوش صدها جهان برای یافتن امضای حیات باشیم.

این مقاله از مجله منتشر شده است گفتگو تحت مجوز Creative Commons دفعات بازدید: مقاله.

تصویر های اعتباری: کیتی یونگ، دانیل آپای/دانشگاه آریزونا و AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. طراحی تلسکوپ فضایی سبک و ارزان امکان قرار دادن بسیاری از واحدهای مجزا را به طور همزمان در فضا فراهم می کند.