さよなら鏡: この望遠鏡はジェームズ・ウェッブよりも 100 倍多くの光を集めることができる

天文学者は以上のものを発見しました 太陽系外にある5,000の惑星 現在まで。 大きな問題は、 これらの惑星のどれも生命の故郷です。 その答えを見つけるために、天文学者はおそらく次のことを必要とするでしょう。 より強力な望遠鏡 今日存在するよりも。

私は 宇宙生物学を研究する天文学者 そして遠くの星の周りの惑星。 過去 XNUMX 年間、私は宇宙望遠鏡の XNUMX 倍の光を集めることができる新しい種類の宇宙望遠鏡を開発しているチームを共同主導してきました。 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、史上最大の宇宙望遠鏡。

ハッブル望遠鏡やウェッブ望遠鏡を含むほとんどすべての宇宙望遠鏡は、鏡を使用して光を集めます。 私たちが提案する望遠鏡は、 ノーチラス宇宙天文台、大きくて重い鏡を、鏡付き望遠鏡よりもはるかに軽く、安価で、製造が容易な斬新で薄いレンズに置き換えることになります。 これらの違いにより、多くの個々のユニットを軌道上に打ち上げて、強力な望遠鏡ネットワークを構築することが可能になります。

より大型の望遠鏡の必要性

系外惑星（太陽以外の星を周回する惑星）は、生命探査の主要なターゲットです。 天文学者は、膨大な量の光を集める巨大な宇宙望遠鏡を使用する必要があります。 これらのかすかな遠くの天体を研究してください.

既存の望遠鏡は、地球と同じくらい小さな系外惑星を検出できます。 ただし、これらの惑星の化学組成について学び始めるには、さらに多くの感受性が必要です。 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡でさえ、探索するにはかろうじて十分な能力しかありません。 生命の手がかりとなる特定の系外惑星-つまり 大気中のガス.

ウェッブの費用は以上です 8億ドルをかけて建設に20年以上かかった。 次の主力望遠鏡は 2045 年までには飛行しないと予想されており、 コスト$ 11億。 これらの野心的な望遠鏡プロジェクトは常に費用と労力がかかり、強力だが非常に専門的な単一の天文台を生み出します。

新しい種類の望遠鏡

2016 年、航空宇宙大手 ノースロップ·グラマン 私と他の 14 人の教授と NASA の科学者 (全員が系外惑星と地球外生命体の探索の専門家) をロサンゼルスに招待し、50 つの質問に答えてもらいました。それは、系外惑星の宇宙望遠鏡は XNUMX 年後にどうなっているでしょうか?

私たちの議論の中で、より強力な望遠鏡の建設を妨げる大きなボトルネックは、より大きな鏡を作り、それを軌道に乗せるという課題であることに気づきました。 このボトルネックを回避するために、私たちの何人かは、回折レンズと呼ばれる古いテクノロジーを再検討するというアイデアを思いつきました。

従来のレンズは屈折を利用して光を集束させます。 屈折とは光の方向が変わることです ある媒質から別の媒質に伝わるとき、これが光が水に入るときに曲がる理由です。 対照的に、回折は光が角や障害物の周りで曲がることです。 ガラス表面上に巧妙に配置されたステップと角度のパターンにより、回折レンズを形成できます。

最初のこのようなレンズは、軽量レンズを提供するために 1819 年にフランスの科学者オーギュスタン ジャン フレネルによって発明されました。 灯台。 現在、同様の回折レンズが多くの小型の民生用光学機器で見られます。 カメラレンズ 〜へ バーチャルリアリティヘッドセット.

薄くてシンプルな回折レンズは、 ぼやけた画像で有名, したがって、天文台で使用されたことはありません。 しかし、その透明度を向上させることができれば、ミラーや屈折レンズの代わりに回折レンズを使用することで、宇宙望遠鏡をより安価で、より軽く、より大きくすることができるでしょう。

薄型、高解像度レンズ

会議の後、私はアリゾナ大学に戻り、現代の技術でより良い画質の回折レンズを製造できるかどうかを調査することにしました。 幸運なことに、 トーマス・ミルスター—回折レンズ設計の世界有数の専門家の一人—は、私の隣の建物で働いています。 私たちはチームを結成して仕事に取り組みました。

その後 XNUMX 年間にわたり、私たちのチームは、透明なガラスまたはプラスチックに小さな溝の複雑なパターンをエッチングする新しい製造技術を必要とする新しいタイプの回折レンズを発明しました。 カットの特定のパターンと形状により、入ってくる光がレンズの後ろの一点に焦点を合わせます。 新しいデザインが生み出すのは、 ほぼ完璧な品質の画像、以前の回折レンズよりもはるかに優れています。

焦点を決めるのはレンズの厚さではなく表面の質感であるため、レンズを簡単に大きくしながらも大きくすることができます。 非常に薄くて軽量を維持します。 大きなレンズはより多くの光を集め、軽量化を意味します より安価に軌道に打ち上げられる—どちらも宇宙望遠鏡にとって素晴らしい特性です。

2018 年 10 月、私たちのチームは最初のプロトタイプである直径 24 インチ (10 センチメートル) のレンズを製造しました。 その後XNUMX年間でさらなる画質向上と大型化を実現しました。 現在、従来の屈折レンズよりもXNUMX倍以上軽い直径XNUMXインチ（XNUMXcm）のレンズが完成中です。

回折宇宙望遠鏡の威力

この新しいレンズ設計により、宇宙望遠鏡の構築方法を再考することが可能になります。 2019 年に私たちのチームは、 ノーチラス宇宙天文台.

私たちのチームは、新しい技術を使用すれば、厚さわずか約 29.5 インチ (8.5 cm) で直径 0.2 メートル (0.5 フィート) のレンズを構築できると考えています。 私たちの新しい望遠鏡のレンズと支持構造の重量は約 1,100 ポンド (500 キログラム) になる可能性があります。 これは、同様のサイズのウェッブ型鏡よりも 21 倍以上軽く、直径 6.5 フィート (XNUMX メートル) のウェッブ型鏡よりも大きくなります。

レンズには他にも利点があります。 まず、彼らは、 はるかに簡単かつ迅速に 鏡よりも捏造する そして大量に作ることも可能です。 第二に、レンズベースの望遠鏡は、完全に調整されていない場合でも適切に機能するため、これらの望遠鏡を簡単に調整できます。 組み立てる 非常に正確な位置合わせが必要なミラーベースの望遠鏡よりも宇宙を飛行できます。

最後に、単一のノーチラス号ユニットは軽量で比較的安価に製造できるため、数十機を軌道に投入することが可能です。 私たちの現在の設計は、実際には単一の望遠鏡ではなく、35 個の個別の望遠鏡ユニットの集合体です。

それぞれの望遠鏡は独立した高感度の天文台となり、ウェッブよりも多くの光を集めることができます。 しかし、ノーチラス号の真の力は、すべての個々の望遠鏡を単一の目標に向けることによって得られます。

すべてのユニットからのデータを組み合わせると、ノーチラスの集光力はウェッブのほぼ 10 倍大きい望遠鏡に匹敵します。 この強力な望遠鏡を使用すると、天文学者は数百の系外惑星で大気ガスを探すことができます。 地球外生命体を示唆する.

ノーチラス宇宙天文台の打ち上げまではまだ遠いですが、私たちのチームは多くの進歩を遂げてきました。 私たちは、テクノロジーのすべての側面が小規模のプロトタイプで機能することを示し、現在は直径 3.3 フィート (1 メートル) のレンズの構築に焦点を当てています。 私たちの次のステップは、望遠鏡の小型版を高高度気球で宇宙の果てに送ることです。

これにより、私たちは NASA に革新的な新しい宇宙望遠鏡を提案する準備が整い、できれば、生命の痕跡を求めて何百もの世界を探索する途中に入ることができます。

この記事はから再公開されます 会話 クリエイティブコモンズライセンスの下で 読む 原著.

画像のクレジット： ケイティ・ヨン、ダニエル・アパイ/アリゾナ大学、AllThingsSpace/SketchFab, BY-ND CC. 軽量で安価な宇宙望遠鏡の設計により、多数の個別ユニットを一度に宇宙に設置することが可能になります。

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