Goodbye Mirrors: Dette teleskopet kunne samle 100x mer lys enn James Webb

Astronomer har oppdaget mer enn 5,000 planeter utenfor solsystemet til dags dato. Det store spørsmålet er om noen av disse planetene er hjem til liv. For å finne svaret, vil astronomer sannsynligvis trenge kraftigere teleskoper enn det som finnes i dag.

jeg er en astronom som studerer astrobiologi og planeter rundt fjerne stjerner. I de siste syv årene har jeg vært medleder for et team som utvikler en ny type romteleskop som kan samle hundre ganger mer lys enn James Webb Space Telescope, det største romteleskopet som noen gang er bygget.

Nesten alle romteleskoper, inkludert Hubble og Webb, samler lys ved hjelp av speil. Vårt foreslåtte teleskop, den Nautilus romobservatorium, ville erstatte store, tunge speil med en ny, tynn linse som er mye lettere, billigere og lettere å produsere enn speilteleskoper. På grunn av disse forskjellene ville det være mulig å sende mange individuelle enheter i bane og lage et kraftig nettverk av teleskoper.

Behovet for større teleskoper

Eksoplaneter – planeter som går i bane rundt andre stjerner enn solen – er hovedmål i jakten på liv. Astronomer må bruke gigantiske romteleskoper som samler enorme mengder lys til studere disse svake og fjerne gjenstandene.

Eksisterende teleskoper kan oppdage eksoplaneter så små som jorden. Det krever imidlertid mye mer følsomhet for å begynne å lære om den kjemiske sammensetningen til disse planetene. Selv romteleskopet James Webb er så vidt kraftig nok til å søke visse eksoplaneter for spor av liv-namely gasser i atmosfæren.

Webb kostet mer enn 8 milliarder dollar og tok over 20 år å bygge. Det neste flaggskipteleskopet forventes ikke å fly før 2045 og anslås til koster $ 11 milliarder. Disse ambisiøse teleskopprosjektene er alltid dyre, arbeidskrevende og produserer et enkelt kraftig – men veldig spesialisert – observatorium.

En ny type teleskop

I 2016, romfartsgigant Northrop Grumman inviterte meg og 14 andre professorer og NASA-forskere – alle eksperter på eksoplaneter og søken etter utenomjordisk liv – til Los Angeles for å svare på ett spørsmål: Hvordan vil eksoplanet-romteleskoper se ut om 50 år?

I diskusjonene våre innså vi at en stor flaskehals som hindrer konstruksjonen av kraftigere teleskoper er utfordringen med å lage større speil og få dem i bane. For å omgå denne flaskehalsen kom noen av oss på ideen om å se tilbake på en gammel teknologi kalt diffraktive linser.

Konvensjonelle linser bruker refraksjon for å fokusere lys. Refraksjon er når lys endrer retning når det går fra et medium til et annet - det er grunnen til at lyset bøyer seg når det kommer inn i vann. I kontrast er diffraksjon når lys bøyer seg rundt hjørner og hindringer. Et smart arrangert mønster av trinn og vinkler på en glassoverflate kan danne en diffraktiv linse.

De første slike linser ble oppfunnet av den franske forskeren Augustin-Jean Fresnel i 1819 for å gi lette linser for fyrtårn. I dag kan lignende diffraktive linser finnes i mange små forbrukeroptikk, fra kameralinser til virtual reality-headset.

Tynne, enkle diffraktive linser er beryktet for sine uskarpe bilder, så de har aldri blitt brukt i astronomiske observatorier. Men hvis du kunne forbedre klarheten deres, ville bruk av diffraktive linser i stedet for speil eller refraktive linser tillate et romteleskop å være mye billigere, lettere og større.

Et tynt objektiv med høy oppløsning

Etter møtet kom jeg tilbake til University of Arizona og bestemte meg for å utforske om moderne teknologi kunne produsere diffraktive linser med bedre bildekvalitet. Heldig for meg, Thomas Milster—en av verdens ledende eksperter på diffraktiv linsedesign — jobber i bygningen ved siden av min. Vi dannet et team og satte i gang.

I løpet av de følgende to årene oppfant teamet vårt en ny type diffraktiv linse som krevde nye produksjonsteknologier for å etse et komplekst mønster av bittesmå riller på et stykke klart glass eller plast. Det spesifikke mønsteret og formen på kuttene fokuserer innkommende lys til et enkelt punkt bak linsen. Det nye designet produserer en nesten perfekt bildekvalitet, langt bedre enn tidligere diffraktive linser.

Fordi det er overflateteksturen til objektivet som gjør fokuseringen, ikke tykkelsen, kan du enkelt gjøre objektivet større mens holder den veldig tynn og lett. Større linser samler mer lys, og lav vekt betyr billigere oppskytinger i bane-begge gode egenskaper for et romteleskop.

I august 2018 produserte teamet vårt den første prototypen, en to-tommers (fem centimeter) diameter linse. I løpet av de neste fem årene forbedret vi bildekvaliteten ytterligere og økte størrelsen. Vi fullfører nå en 10-tommers (24-cm) diameter linse som vil være mer enn 10 ganger lettere enn en konvensjonell refraktiv linse ville vært.

Kraften til et diffraksjonsromteleskop

Denne nye linsedesignen gjør det mulig å revurdere hvordan et romteleskop kan bygges. I 2019 publiserte teamet vårt et konsept kalt Nautilus romobservatorium.

Ved å bruke den nye teknologien tror teamet vårt at det er mulig å bygge en 29.5 fot (8.5 meter) diameter linse som bare vil være omtrent 0.2 tommer (0.5 cm) tykk. Linsen og støttestrukturen til vårt nye teleskop kan veie rundt 1,100 pund (500 kilo). Dette er mer enn tre ganger lettere enn et Webb-stilspeil av tilsvarende størrelse og ville være større enn Webbs speil på 21 meter i diameter.

Linsene har også andre fordeler. For det første er de det mye enklere og raskere å lage enn speil og kan lages massevis. For det andre fungerer linsebaserte teleskoper godt selv når de ikke er perfekt justert, noe som gjør disse teleskopene enklere å bruke montere og flyr i verdensrommet enn speilbaserte teleskoper, som krever ekstremt presis justering.

Til slutt, siden en enkelt Nautilus-enhet ville være lett og relativt billig å produsere, ville det være mulig å sette dusinvis av dem i bane. Vår nåværende design er faktisk ikke et enkelt teleskop, men en konstellasjon av 35 individuelle teleskopenheter.

Hvert enkelt teleskop ville være et uavhengig, svært følsomt observatorium i stand til å samle mer lys enn Webb. Men den virkelige kraften til Nautilus ville komme fra å snu alle de individuelle teleskopene mot et enkelt mål.

Ved å kombinere data fra alle enhetene, ville Nautilus' lyssamlende kraft tilsvare et teleskop som er nesten 10 ganger større enn Webb. Med dette kraftige teleskopet kunne astronomer søke hundrevis av eksoplaneter etter atmosfæriske gasser som kan indikerer utenomjordisk liv.

Selv om Nautilus Space Observatory fortsatt er et stykke unna oppskytingen, har teamet vårt gjort store fremskritt. Vi har vist at alle aspekter av teknologien fungerer i småskala prototyper og fokuserer nå på å bygge en 3.3 fot (1 meter) diameter linse. Våre neste skritt er å sende en liten versjon av teleskopet til kanten av verdensrommet på en høyhøydeballong.

Med det vil vi være klare til å foreslå et revolusjonerende nytt romteleskop til NASA, og forhåpentligvis være på vei til å utforske hundrevis av verdener etter livssignaturer.

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

Bilde Credit: Katie Yung, Daniel Apai/University of Arizona og AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. Et lett, billig romteleskopdesign ville gjøre det mulig å sette mange individuelle enheter i rommet samtidig.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Bil / elbiler, Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• BlockOffsets. Modernisering av eierskap for miljøkompensasjon. Tilgang her.
• kilde: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/