להתראות מראות: הטלסקופ הזה יכול לאסוף פי 100 יותר אור מהג'יימס ווב

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

אסטרונומים גילו יותר מ 5,000 כוכבי לכת מחוץ למערכת השמש עד היום. השאלה הגדולה היא האם כל אחד מכוכבי הלכת האלה הוא בית לחיים. כדי למצוא את התשובה, סביר להניח שאסטרונומים יצטרכו טלסקופים חזקים יותר ממה שקיים היום.

אני אסטרונום שלומד אסטרוביולוגיה וכוכבי לכת מסביב לכוכבים רחוקים. בשבע השנים האחרונות, הייתי שותף להובלת צוות שמפתח סוג חדש של טלסקופ חלל שיכול לאסוף פי מאה יותר אור מאשר ג 'יימס ווב טלסקופ החלל, טלסקופ החלל הגדול ביותר שנבנה אי פעם.

כמעט כל טלסקופי החלל, כולל האבל ו-ווב, אוספים אור באמצעות מראות. הטלסקופ המוצע שלנו, ה מצפה החלל נאוטילוס, יחליף מראות גדולות וכבדות בעדשה חדשה ודקה שהיא הרבה יותר קלה, זולה וקלה יותר לייצור מאשר טלסקופים מראות. בגלל ההבדלים הללו, ניתן יהיה לשגר יחידות בודדות רבות למסלול וליצור רשת חזקה של טלסקופים.

הצורך בטלסקופים גדולים יותר

כוכבי לכת אקסו - כוכבי לכת המקיפים כוכבים שאינם השמש - הם מטרות עיקריות בחיפוש אחר חיים. אסטרונומים צריכים להשתמש בטלסקופי חלל ענקיים שאוספים כמויות עצומות של אור ללמוד את החפצים הקלושים והרחוקים האלה.

טלסקופים קיימים יכולים לזהות כוכבי לכת אקסו-כוכבים קטנים כמו כדור הארץ. עם זאת, נדרשת הרבה יותר רגישות כדי להתחיל ללמוד על ההרכב הכימי של כוכבי הלכת הללו. אפילו טלסקופ החלל ג'יימס ווב בקושי חזק מספיק כדי לחפש כוכבי לכת מסוימים עבור רמזים לחיים-כלומר גזים באטמוספירה.

Webb עלה יותר מ 8 מיליארד דולר ובנייתו ארכה יותר מ-20 שנה. טלסקופ הדגל הבא לא צפוי לטוס לפני 2045 ועל פי ההערכות עלה 11 מיליארד דולר. פרויקטי הטלסקופ השאפתניים האלה הם תמיד יקרים, מייגעים ומייצרים מצפה תצפית עוצמתי אחד - אך מאוד מיוחד.

סוג חדש של טלסקופ

בשנת 2016, ענקית התעופה והחלל נורתרופ גרומן הזמינו אותי ועוד 14 פרופסורים ומדעני נאס"א - כולם מומחים לכוכבי לכת חיצוניים ולחיפוש אחר חיים מחוץ לכדור הארץ - ללוס אנג'לס כדי לענות על שאלה אחת: איך ייראו טלסקופי חלל אקסופלנטים בעוד 50 שנה?

בדיונים שלנו, הבנו שצוואר בקבוק גדול המונע בניית טלסקופים חזקים יותר הוא האתגר של יצירת מראות גדולות יותר והכנסתם למסלול. כדי לעקוף את צוואר הבקבוק הזה, כמה מאיתנו העלו את הרעיון לבחון מחדש טכנולוגיה ישנה שנקראת עדשות עקיפות.

עדשות קונבנציונליות משתמשות בשבירה כדי למקד את האור. שבירה היא כאשר האור משנה כיוון כשהוא עובר ממדיום אחד למשנהו - זו הסיבה שהאור מתכופף כשהוא נכנס למים. לעומת זאת, עקיפה היא כאשר האור מתכופף סביב פינות ומכשולים. תבנית מסודרת בחוכמה של צעדים וזוויות על משטח זכוכית יכולה ליצור עדשה עקיפה.

העדשות הראשונות מסוג זה הומצאו על ידי המדען הצרפתי אוגוסטין-ז'אן פרנל בשנת 1819 כדי לספק עדשות קלות משקל עבור מגדלורים. כיום ניתן למצוא עדשות עקיפות דומות באופטיקה צרכנית בגדלים קטנים רבים, מ עדשות מצלמה ל אוזניות מציאות מדומה.

עדשות דיפרקטיביות דקות ופשוטות הן ידוע לשמצה בתמונות המטושטשות שלהם, כך שמעולם לא נעשה בהם שימוש במצפה כוכבים אסטרונומי. אבל אם תוכל לשפר את הבהירות שלהם, שימוש בעדשות עקיפות במקום מראות או עדשות שבירה יאפשר לטלסקופ חלל להיות הרבה יותר זול, קל וגדול יותר.

עדשה דקה ברזולוציה גבוהה

לאחר הפגישה, חזרתי לאוניברסיטת אריזונה והחלטתי לבדוק האם טכנולוגיה מודרנית יכולה לייצר עדשות עקיפות עם איכות תמונה טובה יותר. למזלי, תומס מילסטר-אחד המומחים המובילים בעולם לעיצוב עדשות עקיפות - עובד בבניין שליד שלי. הקמנו צוות והתחלנו לעבוד.

במהלך השנתיים הבאות, הצוות שלנו המציא סוג חדש של עדשות עקיפות שדרשו טכנולוגיות ייצור חדשות כדי לחרוט תבנית מורכבת של חריצים זעירים על פיסת זכוכית שקופה או פלסטיק. הדפוס והצורה הספציפיים של החיתוכים ממקדים את האור הנכנס לנקודה אחת מאחורי העדשה. העיצוב החדש מייצר א תמונה באיכות כמעט מושלמת, הרבה יותר טוב מעדשות עקיפות קודמות.

מכיוון שמרקם הפנים של העדשה הוא שעושה את המיקוד, לא העובי, אתה יכול בקלות להגדיל את העדשה תוך כדי שמירה על זה מאוד דק וקל משקל. עדשות גדולות יותר אוספות יותר אור, ומשקל נמוך אומר שיגורים זולים יותר למסלול-שתיהן תכונות נהדרות עבור טלסקופ חלל.

באוגוסט 2018, הצוות שלנו ייצר את אב הטיפוס הראשון, עדשה בקוטר שני אינץ' (חמישה סנטימטר). במהלך חמש השנים הבאות, שיפרנו עוד יותר את איכות התמונה והגדלנו את הגודל. כעת אנו משלימים עדשה בקוטר 10 אינץ' (24 ס"מ) שתהיה קלה יותר מפי 10 מאשר עדשה שבירה קונבנציונלית.

כוחו של טלסקופ חלל עקיפה

עיצוב העדשה החדש הזה מאפשר לחשוב מחדש כיצד עשוי להיבנות טלסקופ חלל. בשנת 2019, הצוות שלנו פרסם קונספט בשם מצפה החלל נאוטילוס.

באמצעות הטכנולוגיה החדשה, הצוות שלנו חושב שאפשר לבנות עדשה בקוטר 29.5 רגל (8.5 מטר) שעוביה תהיה רק כ-0.2 אינץ' (0.5 ס"מ). העדשה ומבנה התמיכה של הטלסקופ החדש שלנו יכולים לשקול בסביבות 1,100 פאונד (500 קילוגרם). זו קלה יותר מפי שלושה ממראה בסגנון Webb בגודל דומה והיא תהיה גדולה יותר מהמראה בקוטר 21 רגל (6.5 מטר) של ווב.

עצם כדורי בחלל עם עדשה בצד אחד. — העדשה הדקה אפשרה לצוות לתכנן טלסקופ קל יותר וזול יותר, אשר קראו לו מצפה החלל נאוטילוס. דניאל אפאי/אוניברסיטת אריזונה, CC BY-ND

לעדשות יש גם יתרונות נוספים. ראשית, הם כן הרבה יותר קל ומהיר לפברק מאשר מראות וניתן לעשות בהמוניהם. שנית, טלסקופים מבוססי עדשות עובדים היטב גם כשהם לא מיושרים בצורה מושלמת, מה שהופך את הטלסקופים הללו לקלים יותר להרכיב ולעוף בחלל מאשר טלסקופים מבוססי מראה, הדורשים יישור מדויק ביותר.

לבסוף, מכיוון שיחידת נאוטילוס אחת תהיה קלה וזולה יחסית לייצור, ניתן יהיה להכניס עשרות מהן למסלול. התכנון הנוכחי שלנו הוא למעשה לא טלסקופ בודד, אלא קבוצת כוכבים של 35 יחידות טלסקופ בודדות.

כל טלסקופ אינדיבידואלי יהיה מצפה כוכבים עצמאי, רגיש במיוחד, המסוגל לאסוף יותר אור מאשר ווב. אבל הכוח האמיתי של נאוטילוס יגיע מהפניית כל הטלסקופים הבודדים לעבר מטרה אחת.

על ידי שילוב נתונים מכל היחידות, כוח איסוף האור של נאוטילוס ישתווה לטלסקופ גדול כמעט פי 10 מ-Webb. עם הטלסקופ החזק הזה, אסטרונומים יכלו לחפש במאות כוכבי לכת אקסו-פלנטים אחר גזים אטמוספריים שעלולים מעידים על חיים מחוץ לכדור הארץ.

למרות שמצפה החלל נאוטילוס עדיין רחוק מהשיגור, הצוות שלנו עשה התקדמות רבה. הראינו שכל ההיבטים של הטכנולוגיה עובדים באבות טיפוס בקנה מידה קטן וכעת אנו מתמקדים בבניית עדשה בקוטר 3.3 רגל (מטר). הצעדים הבאים שלנו הם לשלוח גרסה קטנה של הטלסקופ לקצה החלל על גבי בלון בגובה רב.

עם זה, נהיה מוכנים להציע טלסקופ חלל חדש ומהפכני לנאס"א, ובתקווה, נהיה בדרך לחקור מאות עולמות אחר חתימות חיים.

מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.

תמונת אשראי: קייטי יונג, דניאל אפאי/אוניברסיטת אריזונה ו-AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. עיצוב טלסקופ חלל קל וזול יאפשר להכניס יחידות בודדות רבות לחלל בבת אחת.