Addio specchi: questo telescopio potrebbe raccogliere 100 volte più luce del James Webb

Gli astronomi hanno scoperto più di 5,000 pianeti al di fuori del sistema solare ad oggi. La grande domanda è se tutti questi pianeti ospitano la vita. Per trovare la risposta, gli astronomi probabilmente avranno bisogno telescopi più potenti di quanto esista oggi.

Sono un astronomo che studia astrobiologia e pianeti attorno a stelle lontane. Negli ultimi sette anni ho co-diretto un team che sta sviluppando un nuovo tipo di telescopio spaziale in grado di raccogliere cento volte più luce del James Webb Space Telescope, il più grande telescopio spaziale mai costruito.

Quasi tutti i telescopi spaziali, inclusi Hubble e Webb, raccolgono la luce utilizzando specchi. Il nostro telescopio proposto, il Osservatorio spaziale Nautilus, sostituirebbe i grandi e pesanti specchi con una nuova lente sottile che è molto più leggera, più economica e più facile da produrre rispetto ai telescopi a specchio. A causa di queste differenze, sarebbe possibile lanciare in orbita molte singole unità e creare una potente rete di telescopi.

La necessità di telescopi più grandi

Gli esopianeti, ovvero i pianeti che orbitano attorno a stelle diverse dal sole, sono gli obiettivi principali nella ricerca della vita. Gli astronomi devono utilizzare giganteschi telescopi spaziali che raccolgono enormi quantità di luce studia questi oggetti deboli e lontani.

I telescopi esistenti possono rilevare esopianeti piccoli come la Terra. Tuttavia, ci vuole molta più sensibilità per iniziare a conoscere la composizione chimica di questi pianeti. Anche il James Webb Space Telescope è appena abbastanza potente per la ricerca alcuni esopianeti per indizi di vita-cioè gas nell'atmosfera.

Webb costa più di $ 8 miliardi e ci sono voluti più di 20 anni per costruire. Il prossimo telescopio di punta non dovrebbe volare prima del 2045 e si stima che lo farà costano $ 11 miliardi. Questi ambiziosi progetti di telescopi sono sempre costosi, laboriosi e producono un unico osservatorio potente, ma molto specializzato.

Un nuovo tipo di telescopio

Nel 2016, colosso aerospaziale Northrop Grumman ha invitato me e altri 14 professori e scienziati della NASA, tutti esperti di esopianeti e ricerca di vita extraterrestre, a Los Angeles per rispondere a una domanda: come saranno i telescopi spaziali degli esopianeti tra 50 anni?

Nelle nostre discussioni, ci siamo resi conto che un grosso collo di bottiglia che impedisce la costruzione di telescopi più potenti è la sfida di realizzare specchi più grandi e portarli in orbita. Per aggirare questo collo di bottiglia, alcuni di noi hanno avuto l'idea di rivisitare una vecchia tecnologia chiamata lenti diffrattive.

Le lenti convenzionali usano la rifrazione per mettere a fuoco la luce. La rifrazione è quando la luce cambia direzione mentre passa da un mezzo all'altro, è la ragione per cui la luce si piega quando entra nell'acqua. Al contrario, la diffrazione è quando la luce si piega intorno agli angoli e agli ostacoli. Un modello sapientemente disposto di gradini e angoli su una superficie di vetro può formare una lente diffrattiva.

Le prime lenti di questo tipo furono inventate dallo scienziato francese Augustin-Jean Fresnel nel 1819 per fornire lenti leggere per fari. Oggi, lenti diffrattive simili possono essere trovate in molte ottiche di consumo di piccole dimensioni, da lenti della fotocamera a cuffie per realtà virtuale.

Lo sono le lenti diffrattive sottili e semplici noto per le loro immagini sfocate, quindi non sono mai stati usati negli osservatori astronomici. Ma se potessi migliorare la loro chiarezza, l'uso di lenti diffrattive invece di specchi o lenti rifrattive consentirebbe a un telescopio spaziale di essere molto più economico, leggero e più grande.

Un obiettivo sottile e ad alta risoluzione

Dopo l'incontro, sono tornato all'Università dell'Arizona e ho deciso di esplorare se la tecnologia moderna potesse produrre lenti diffrattive con una migliore qualità dell'immagine. Fortuna a me, Thomas Millster—uno dei maggiori esperti mondiali di progettazione di lenti diffrattive—lavora nell'edificio accanto al mio. Abbiamo formato una squadra e ci siamo messi al lavoro.

Nei due anni successivi, il nostro team ha inventato un nuovo tipo di lente diffrattiva che richiedeva nuove tecnologie di produzione per incidere un modello complesso di minuscole scanalature su un pezzo di vetro trasparente o plastica. Il modello specifico e la forma dei tagli concentrano la luce in arrivo su un singolo punto dietro l'obiettivo. Il nuovo design produce a immagine di qualità quasi perfetta, molto meglio delle precedenti lenti diffrattive.

Poiché è la trama superficiale dell'obiettivo che esegue la messa a fuoco, non lo spessore, puoi facilmente ingrandire l'obiettivo mentre mantenendolo molto sottile e leggero. Le lenti più grandi raccolgono più luce e mezzi di peso ridotto lanci più economici in orbita- entrambi grandi tratti per un telescopio spaziale.

Nell'agosto 2018, il nostro team ha prodotto il primo prototipo, una lente del diametro di due pollici (cinque centimetri). Nei successivi cinque anni, abbiamo ulteriormente migliorato la qualità dell'immagine e aumentato le dimensioni. Stiamo ora completando una lente di 10 pollici (24 cm) di diametro che sarà più di 10 volte più leggera di una lente rifrattiva convenzionale.

Potenza di un telescopio spaziale a diffrazione

Questo nuovo design dell'obiettivo consente di ripensare a come potrebbe essere costruito un telescopio spaziale. Nel 2019, il nostro team ha pubblicato un concept chiamato the Osservatorio spaziale Nautilus.

Usando la nuova tecnologia, il nostro team pensa che sia possibile costruire una lente del diametro di 29.5 piedi (8.5 metri) con uno spessore di soli 0.2 pollici (0.5 cm). La lente e la struttura di supporto del nostro nuovo telescopio potrebbero pesare circa 1,100 chilogrammi. Questo è più di tre volte più leggero di uno specchio in stile Webb di dimensioni simili e sarebbe più grande dello specchio di 500 piedi (21 metri) di diametro di Webb.

Le lenti hanno anche altri vantaggi. In primo luogo, lo sono molto più facile e veloce fabbricare che specchi e può essere realizzato in massa. In secondo luogo, i telescopi basati su lenti funzionano bene anche quando non sono perfettamente allineati, rendendo questi telescopi più facili da usare assemblare e volare nello spazio rispetto ai telescopi a specchio, che richiedono un allineamento estremamente preciso.

Infine, poiché una singola unità Nautilus sarebbe leggera e relativamente economica da produrre, sarebbe possibile metterne in orbita dozzine. Il nostro progetto attuale non è infatti un singolo telescopio, ma una costellazione di 35 singole unità telescopiche.

Ogni singolo telescopio sarebbe un osservatorio indipendente e altamente sensibile in grado di raccogliere più luce di Webb. Ma il vero potere del Nautilus verrebbe dal puntare tutti i singoli telescopi verso un singolo obiettivo.

Combinando i dati di tutte le unità, il potere di raccolta della luce di Nautilus equivarrebbe a un telescopio quasi 10 volte più grande di Webb. Con questo potente telescopio, gli astronomi potrebbero cercare centinaia di esopianeti alla ricerca di gas atmosferici che potrebbero indicare la vita extraterrestre.

Sebbene il Nautilus Space Observatory sia ancora molto lontano dal lancio, il nostro team ha fatto molti progressi. Abbiamo dimostrato che tutti gli aspetti della tecnologia funzionano in prototipi su piccola scala e ora ci stiamo concentrando sulla costruzione di una lente di 3.3 metro di diametro. I nostri prossimi passi sono inviare una versione ridotta del telescopio ai margini dello spazio su un pallone ad alta quota.

Con ciò, saremo pronti a proporre alla NASA un nuovo rivoluzionario telescopio spaziale e, si spera, saremo sulla buona strada per esplorare centinaia di mondi alla ricerca di segni di vita.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

Immagine di credito: Katie Yung, Daniel Apai/Università dell'Arizona e AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. Un design di telescopio spaziale leggero ed economico renderebbe possibile mettere nello spazio molte singole unità contemporaneamente.

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• Fonte: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/