Żegnajcie lustra: ten teleskop może zebrać 100 razy więcej światła niż James Webb

Astronomowie odkryli więcej niż 5,000 planet poza Układem Słonecznym spotykać się z kimś. Wielkie pytanie brzmi: czy każda z tych planet jest domem dla życia. Aby znaleźć odpowiedź, astronomowie prawdopodobnie będą potrzebować mocniejsze teleskopy niż istnieją dzisiaj.

jestem astronom zajmujący się astrobiologią i planety wokół odległych gwiazd. Przez ostatnie siedem lat współkierowałem zespołem opracowującym nowy rodzaj teleskopu kosmicznego, który mógłby zebrać sto razy więcej światła niż Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba, największy teleskop kosmiczny, jaki kiedykolwiek zbudowano.

Prawie wszystkie teleskopy kosmiczne, w tym Hubble i Webb, zbierają światło za pomocą luster. Nasz proponowany teleskop, tzw Obserwatorium Kosmiczne Nautilus, zastąpiłby duże, ciężkie lustra nowatorską, cienką soczewką, która jest znacznie lżejsza, tańsza i łatwiejsza w produkcji niż lustrzane teleskopy. Dzięki tym różnicom możliwe byłoby wystrzelenie na orbitę wielu pojedynczych jednostek i stworzenie potężnej sieci teleskopów.

Potrzeba większych teleskopów

Egzoplanety — planety krążące wokół gwiazd innych niż Słońce — są głównymi celami poszukiwań życia. Astronomowie muszą używać gigantycznych teleskopów kosmicznych, które zbierają ogromne ilości światła badać te słabe i odległe obiekty.

Istniejące teleskopy mogą wykrywać egzoplanety tak małe jak Ziemia. Jednak potrzeba dużo większej wrażliwości, aby zacząć poznawać skład chemiczny tych planet. Nawet Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest ledwie wystarczająco silny, aby szukać niektóre egzoplanety w poszukiwaniu śladów życia-mianowicie gazy w atmosferze.

Webb kosztował więcej niż 8 miliardów dolarów, a budowa trwała ponad 20 lat. Oczekuje się, że następny flagowy teleskop nie będzie latał przed 2045 rokiem i szacuje się, że tak kosztować 11 miliardów dolarów. Te ambitne projekty teleskopów są zawsze drogie, pracochłonne i tworzą jedno potężne - ale bardzo wyspecjalizowane - obserwatorium.

Nowy rodzaj teleskopu

W 2016 roku gigant lotniczy Northrop Grumman zaprosił mnie i 14 innych profesorów i naukowców NASA – wszystkich ekspertów w dziedzinie egzoplanet i poszukiwań życia pozaziemskiego – do Los Angeles, aby odpowiedzieć na jedno pytanie: jak będą wyglądać kosmiczne teleskopy egzoplanet za 50 lat?

W naszych dyskusjach zdaliśmy sobie sprawę, że głównym wąskim gardłem uniemożliwiającym budowę potężniejszych teleskopów jest wyzwanie polegające na wykonaniu większych luster i umieszczeniu ich na orbicie. Aby ominąć to wąskie gardło, kilku z nas wpadło na pomysł ponownego przyjrzenia się starej technologii zwanej soczewkami dyfrakcyjnymi.

Konwencjonalne soczewki wykorzystują refrakcję do skupiania światła. Załamanie występuje, gdy światło zmienia kierunek gdy przechodzi z jednego ośrodka do drugiego - to jest powód, dla którego światło załamuje się, gdy wchodzi do wody. Natomiast dyfrakcja występuje, gdy światło załamuje się wokół narożników i przeszkód. Sprytnie ułożony wzór stopni i kątów na szklanej powierzchni może utworzyć soczewkę dyfrakcyjną.

Pierwsze takie soczewki zostały wynalezione przez francuskiego naukowca Augustina-Jeana Fresnela w 1819 roku w celu zapewnienia lekkich soczewek dla latarnie morskie. Obecnie podobne soczewki dyfrakcyjne można znaleźć w wielu małych optykach konsumenckich, od obiektywy do zestawy słuchawkowe do rzeczywistości wirtualnej.

Cienkie, proste soczewki dyfrakcyjne są słyną z niewyraźnych zdjęć, więc nigdy nie były używane w obserwatoriach astronomicznych. Ale gdybyś mógł poprawić ich przejrzystość, użycie soczewek dyfrakcyjnych zamiast luster lub soczewek refrakcyjnych pozwoliłoby, aby teleskop kosmiczny był znacznie tańszy, lżejszy i większy.

Cienki obiektyw o wysokiej rozdzielczości

Po spotkaniu wróciłem na Uniwersytet Arizony i postanowiłem zbadać, czy nowoczesna technologia może wyprodukować soczewki dyfrakcyjne o lepszej jakości obrazu. Szczęśliwie dla mnie, Tomasza Milstera— jeden z czołowych światowych ekspertów w dziedzinie projektowania soczewek dyfrakcyjnych — pracuje w budynku obok mojego. Stworzyliśmy drużynę i zabraliśmy się do pracy.

W ciągu następnych dwóch lat nasz zespół wynalazł nowy typ soczewki dyfrakcyjnej, który wymagał nowych technologii produkcji, aby wytrawić złożony wzór maleńkich rowków na kawałku przezroczystego szkła lub plastiku. Specyficzny wzór i kształt nacięć skupia wpadające światło w jednym punkcie za soczewką. Nowy projekt produkuje obraz o niemal idealnej jakości, znacznie lepsze niż poprzednie soczewki dyfrakcyjne.

Ponieważ to tekstura powierzchni soczewki wpływa na ostrość, a nie grubość, możesz łatwo powiększyć soczewkę dzięki czemu jest bardzo cienki i lekki. Większe soczewki zbierają więcej światła, a niska waga oznacza tańsze loty na orbitę— obie świetne cechy dla teleskopu kosmicznego.

W sierpniu 2018 r. nasz zespół wyprodukował pierwszy prototyp, obiektyw o średnicy dwóch cali (pięć centymetrów). W ciągu następnych pięciu lat jeszcze bardziej poprawiliśmy jakość obrazu i zwiększyliśmy rozmiar. Kończymy obecnie prace nad soczewką o średnicy 10 cali (24 cm), która będzie ponad 10 razy lżejsza niż konwencjonalna soczewka refrakcyjna.

Potęga Kosmicznego Teleskopu Dyfrakcyjnego

Ta nowa konstrukcja obiektywu umożliwia ponowne przemyślenie sposobu budowy teleskopu kosmicznego. W 2019 roku nasz zespół opublikował koncept pt Obserwatorium Kosmiczne Nautilus.

Korzystając z nowej technologii, nasz zespół uważa, że ​​możliwe jest zbudowanie obiektywu o średnicy 29.5 stopy (8.5 metra), który miałby tylko około 0.2 cala (0.5 cm) grubości. Soczewka i konstrukcja nośna naszego nowego teleskopu mogą ważyć około 1,100 funtów (500 kilogramów). Jest to ponad trzy razy lżejsze niż lustro w stylu Webba o podobnej wielkości i byłoby większe niż lustro Webba o średnicy 21 stóp (6.5 metra).

Soczewki mają też inne zalety. Po pierwsze, są znacznie łatwiejsze i szybsze sfabrykować niż lustra i można je robić masowo. Po drugie, teleskopy oparte na soczewkach działają dobrze, nawet jeśli nie są idealnie ustawione, co ułatwia korzystanie z tych teleskopów montować i latać w kosmosie niż teleskopy zwierciadlane, które wymagają niezwykle precyzyjnego ustawienia.

Wreszcie, ponieważ pojedynczy Nautilus byłby lekki i relatywnie tani w produkcji, można by umieścić na orbicie dziesiątki takich jednostek. Nasz obecny projekt to tak naprawdę nie pojedynczy teleskop, ale konstelacja 35 pojedynczych teleskopów.

Każdy pojedynczy teleskop byłby niezależnym, bardzo czułym obserwatorium, zdolnym do zebrania większej ilości światła niż Webb. Jednak prawdziwa moc Nautilusa polegałaby na zwróceniu wszystkich pojedynczych teleskopów w stronę jednego celu.

Łącząc dane ze wszystkich jednostek, zdolność Nautilusa do zbierania światła byłaby równa teleskopowi prawie 10 razy większemu niż Webb. Za pomocą tego potężnego teleskopu astronomowie mogą przeszukiwać setki egzoplanet w poszukiwaniu gazów atmosferycznych, które mogą wskazują na życie pozaziemskie.

Chociaż do startu Obserwatorium Kosmicznego Nautilus jest jeszcze daleko, nasz zespół poczynił duże postępy. Pokazaliśmy, że wszystkie aspekty tej technologii sprawdzają się w prototypach na małą skalę, a teraz koncentrujemy się na zbudowaniu obiektywu o średnicy 3.3 stopy (1 metra). Naszym kolejnym krokiem jest wysłanie małej wersji teleskopu na skraj kosmosu balonem na dużej wysokości.

Dzięki temu będziemy gotowi zaproponować NASA rewolucyjny nowy teleskop kosmiczny i, miejmy nadzieję, być na dobrej drodze do zbadania setek światów w poszukiwaniu sygnatur życia.

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Kredytowych Image: Katie Yung, Daniel Apai/Uniwersytet Arizony i AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. Lekka, tania konstrukcja teleskopu kosmicznego umożliwiłaby jednoczesne umieszczenie wielu pojedynczych jednostek w kosmosie.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Motoryzacja / pojazdy elektryczne, Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Przesunięcia bloków. Modernizacja własności offsetu środowiskowego. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/