Hyvästi peilit: Tämä teleskooppi voisi kerätä 100x enemmän valoa kuin James Webb

Tähtitieteilijät ovat löytäneet enemmän kuin 5,000 planeettaa aurinkokunnan ulkopuolella tähän mennessä. Suuri kysymys on, onko mikä tahansa näistä planeetoista on elämän koti. Vastauksen löytämiseksi tähtitieteilijät todennäköisesti tarvitsevat tehokkaampia teleskooppeja kuin nykyään.

Olen tähtitieteilijä, joka opiskelee astrobiologiaa ja planeetat kaukaisten tähtien ympärillä. Olen viimeiset seitsemän vuotta johtanut tiimiä, joka kehittää uudenlaista avaruusteleskooppia, joka voisi kerätä sata kertaa enemmän valoa kuin James Webb avaruusteleskooppi, suurin koskaan rakennettu avaruusteleskooppi.

Lähes kaikki avaruusteleskoopit, mukaan lukien Hubble ja Webb, keräävät valoa peilien avulla. Ehdottamamme teleskooppi, Nautilus-avaruusobservatorio, korvaisi suuret, raskaat peilit uudella, ohuella linssillä, joka on paljon kevyempi, halvempi ja helpompi valmistaa kuin peilatut kaukoputket. Näiden erojen vuoksi olisi mahdollista laukaista useita yksittäisiä yksiköitä kiertoradalle ja luoda tehokas teleskooppiverkko.

Suurempien teleskooppien tarve

Eksoplaneetat – planeetat, jotka kiertävät muita tähtiä kuin aurinkoa – ovat ensisijaisia ​​kohteita etsittäessä elämää. Tähtitieteilijöiden on käytettävä jättimäisiä avaruusteleskooppeja, jotka keräävät valtavia määriä valoa tutkia näitä himmeitä ja kaukana olevia esineitä.

Nykyiset teleskoopit voivat havaita niinkin pieniä eksoplaneettoja kuin Maa. Vaatii kuitenkin paljon enemmän herkkyyttä oppiaksesi näiden planeettojen kemiallisesta koostumuksesta. Jopa James Webbin avaruusteleskooppi on tuskin tarpeeksi tehokas etsimään tietyt eksoplaneetat elämän vihjeitä varten-nimittäin kaasuja ilmakehässä.

Webb maksoi enemmän kuin 8 miljardia dollaria, ja rakentaminen kesti yli 20 vuotta. Seuraavan lippulaivateleskoopin ei odoteta lentävän ennen vuotta 2045, ja sen arvioidaan lentävän maksaa $ 11 miljardia. Nämä kunnianhimoiset teleskooppiprojektit ovat aina kalliita, työläitä ja tuottavat yhden tehokkaan – mutta hyvin erikoistuneen – observatorion.

Uudenlainen teleskooppi

Vuonna 2016 ilmailualan jättiläinen Northrop Grumman kutsui minut ja 14 muuta professoria ja NASA:n tutkijaa – kaikki eksoplaneettojen ja maan ulkopuolisen elämän asiantuntijoita – Los Angelesiin vastaamaan yhteen kysymykseen: Miltä eksoplaneetan avaruusteleskoopit näyttävät 50 vuoden kuluttua?

Keskusteluissamme ymmärsimme, että suuri pullonkaula tehokkaampien teleskooppien rakentamisen estämiseksi on suurempien peilien valmistaminen ja niiden saaminen kiertoradalle. Tämän pullonkaulan kiertämiseksi muutamat meistä keksivät ajatuksen palata vanhaan tekniikkaan, jota kutsutaan diffraktiivisiksi linsseiksi.

Perinteiset linssit käyttävät taittumista valon tarkentamiseen. Taittuminen on kun valo muuttaa suuntaa kun se siirtyy väliaineesta toiseen - se on syy, miksi valo taipuu, kun se tulee veteen. Diffraktio on sitä vastoin, kun valo taipuu kulmien ja esteiden ympäri. Taitavasti järjestetty askelmien ja kulmien kuvio lasipinnalla voi muodostaa diffraktiivisen linssin.

Ensimmäiset tällaiset linssit keksi ranskalainen tiedemies Augustin-Jean Fresnel vuonna 1819 tarjotakseen kevyitä linssejä majakat. Nykyään samanlaisia ​​diffraktiivisia linssejä löytyy monista pienikokoisista kuluttajaoptiioista, alkaen kameran linssi että virtuaalitodellisuuskuulokkeet.

Ohuet, yksinkertaiset diffraktiiviset linssit ovat kuuluisa epäselvistä kuvistaan, joten niitä ei ole koskaan käytetty tähtitieteellisissä observatorioissa. Mutta jos voisit parantaa niiden selkeyttä, diffraktiivisten linssien käyttäminen peilien tai taittolinssien sijasta mahdollistaisi avaruusteleskoopin olevan paljon halvempi, kevyempi ja suurempi.

Ohut, korkearesoluutioinen linssi

Kokouksen jälkeen palasin Arizonan yliopistoon ja päätin tutkia, voisiko nykytekniikka tuottaa diffraktiivisia linssejä paremmalla kuvanlaadulla. onneksi minulle, Thomas Milster— yksi maailman johtavista diffraktiivisten linssien suunnittelun asiantuntijoista — työskentelee vieressäni olevassa rakennuksessa. Perustimme joukkueen ja aloimme töihin.

Seuraavien kahden vuoden aikana tiimimme keksi uudentyyppisen diffraktiivisen linssin, joka vaati uusia valmistustekniikoita monimutkaisen pienten urien etsaamiseksi kirkkaaseen lasiin tai muoviin. Leikkausten erityinen kuvio ja muoto keskittää tulevan valon yhteen pisteeseen linssin takana. Uusi muotoilu tuottaa a lähes täydellinen kuvanlaatu, paljon parempi kuin aiemmat diffraktiiviset linssit.

Koska tarkennuksen tekee linssin pintarakenne, ei paksuus, voit helposti tehdä linssistä suuremman samalla pitää sen erittäin ohuena ja kevyenä. Suuremmat linssit keräävät enemmän valoa ja pieni paino tarkoittaa halvemmat laukaisut kiertoradalle-molemmat hienoja ominaisuuksia avaruusteleskoopille.

Elokuussa 2018 tiimimme valmisti ensimmäisen prototyypin, halkaisijaltaan kahden tuuman (viisi senttimetriä) objektiivin. Seuraavien viiden vuoden aikana paransimme edelleen kuvanlaatua ja suurensimme kokoa. Valmistelemme nyt halkaisijaltaan 10 tuuman (24 cm) linssiä, joka on yli 10 kertaa kevyempi kuin perinteinen taittolinssi.

Diffraktio-avaruusteleskoopin teho

Tämä uusi linssirakenne mahdollistaa avaruusteleskoopin rakentamisen uudelleenarvioinnin. Vuonna 2019 tiimimme julkaisi konseptin nimeltä Nautilus-avaruusobservatorio.

Uuden teknologian avulla tiimimme uskoo, että on mahdollista rakentaa halkaisijaltaan 29.5 jalkaa (8.5 metriä) linssi, joka olisi vain noin 0.2 tuumaa (0.5 cm). Uuden kaukoputkemme linssi ja tukirakenne voisi painaa noin 1,100 500 puntaa (21 kilogrammaa). Tämä on yli kolme kertaa kevyempi kuin samankokoinen Webb-tyylinen peili ja olisi suurempi kuin Webbin 6.5 jalan (XNUMX metrin) peili.

Linsseillä on myös muita etuja. Ensinnäkin ne ovat paljon helpompaa ja nopeampaa valmistaa kuin peilejä ja sitä voidaan tehdä massaksi. Toiseksi linssipohjaiset teleskoopit toimivat hyvin, vaikka niitä ei ole kohdistettu täydellisesti, mikä helpottaa näiden kaukoputkien käyttöä. koota ja lentää avaruudessa kuin peilipohjaiset teleskoopit, jotka vaativat erittäin tarkan kohdistuksen.

Lopuksi, koska yksi Nautilus-yksikkö olisi kevyt ja suhteellisen halpa valmistaa, niitä olisi mahdollista saattaa kiertoradalle kymmeniä. Nykyinen suunnittelumme ei itse asiassa ole yksittäinen teleskooppi, vaan 35 yksittäisen kaukoputken yhdistelmä.

Jokainen yksittäinen teleskooppi olisi itsenäinen, erittäin herkkä observatorio, joka pystyisi keräämään enemmän valoa kuin Webb. Mutta Nautiluksen todellinen voima tulisi kääntämällä kaikki yksittäiset teleskoopit kohti yhtä kohdetta.

Yhdistämällä kaikkien yksiköiden tiedot, Nautiluksen valonkeräysteho vastaisi lähes 10 kertaa Webbia suuremman teleskoopin tehoa. Tällä tehokkaalla kaukoputkella tähtitieteilijät voivat etsiä sadoilta eksoplaneetoilta ilmakehän kaasuja, jotka voivat osoittavat maan ulkopuolista elämää.

Vaikka Nautilus Space Observatory on vielä kaukana laukaisusta, tiimimme on edistynyt paljon. Olemme osoittaneet, että kaikki tekniikan osa-alueet toimivat pienimuotoisissa prototyypeissä, ja keskitymme nyt halkaisijaltaan 3.3 jalan (1 metrin) linssin rakentamiseen. Seuraavat askeleemme on lähettää pieni versio kaukoputkesta avaruuden reunaan korkealla ilmapallolla.

Sen avulla olemme valmiita ehdottamaan NASA:lle vallankumouksellista uutta avaruusteleskooppia ja toivottavasti olemme matkalla satojen maailmojen tutkimiseen elämän merkkejä.

Tämä artikkeli julkaistaan ​​uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Kuva pistetilanne: Katie Yung, Daniel Apai / Arizonan yliopisto ja AllThingsSpace / SketchFab, CC BY-ND. Kevyt ja halpa avaruusteleskooppirakenne mahdollistaisi useiden yksittäisten yksiköiden sijoittamisen avaruuteen kerralla.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/