Adeus espelhos: este telescópio pode coletar 100 vezes mais luz do que o James Webb

Adeus espelhos: este telescópio pode coletar 100 vezes mais luz do que o James Webb

Carimbo de data / hora: 12 de julho de 2023, 10h

Os astrônomos descobriram mais de 5,000 planetas fora do sistema solar a data. A grande questão é se qualquer um desses planetas é o lar da vida. Para encontrar a resposta, os astrônomos provavelmente precisarão telescópios mais poderosos do que existem hoje.

eu sou um astrônomo que estuda astrobiologia e planetas em torno de estrelas distantes. Nos últimos sete anos, coliderei uma equipe que está desenvolvendo um novo tipo de telescópio espacial que pode coletar cem vezes mais luz do que o Telescópio espacial James Webb, o maior telescópio espacial já construído.

Quase todos os telescópios espaciais, incluindo Hubble e Webb, coletam luz usando espelhos. Nosso telescópio proposto, o Observatório Espacial Nautilus, substituiria os espelhos grandes e pesados ​​por uma nova lente fina que é muito mais leve, mais barata e mais fácil de produzir do que os telescópios espelhados. Devido a essas diferenças, seria possível lançar muitas unidades individuais em órbita e criar uma poderosa rede de telescópios.

A necessidade de telescópios maiores

Os exoplanetas – planetas que orbitam outras estrelas além do sol – são os principais alvos na busca pela vida. Os astrônomos precisam usar telescópios espaciais gigantes que coletam grandes quantidades de luz para estude esses objetos fracos e distantes.

Os telescópios existentes podem detectar exoplanetas tão pequenos quanto a Terra. No entanto, é preciso muito mais sensibilidade para começar a aprender sobre a composição química desses planetas. Mesmo o Telescópio Espacial James Webb é apenas poderoso o suficiente para pesquisar certos exoplanetas para pistas de vida-nomeadamente gases na atmosfera.

Webb custou mais de $ 8 bilhões e levou mais de 20 anos para construir. O próximo telescópio principal não deve voar antes de 2045 e estima-se que custo de US $ 11 bilhões. Esses ambiciosos projetos de telescópios são sempre caros, trabalhosos e produzem um único observatório poderoso, mas muito especializado.

Um novo tipo de telescópio

Em 2016, a gigante aeroespacial Northrop Grumman convidou a mim e a outros 14 professores e cientistas da NASA – todos especialistas em exoplanetas e na busca por vida extraterrestre – a Los Angeles para responder a uma pergunta: como serão os telescópios espaciais de exoplanetas daqui a 50 anos?

Em nossas discussões, percebemos que um grande gargalo que impede a construção de telescópios mais potentes é o desafio de fazer espelhos maiores e colocá-los em órbita. Para contornar esse gargalo, alguns de nós tiveram a ideia de revisitar uma tecnologia antiga chamada lentes difrativas.

As lentes convencionais usam a refração para focalizar a luz. Refração é quando a luz muda de direção à medida que passa de um meio para outro - é a razão pela qual a luz se curva quando entra na água. Em contraste, a difração é quando a luz se curva em torno de cantos e obstáculos. Um padrão inteligentemente organizado de passos e ângulos em uma superfície de vidro pode formar uma lente difrativa.

As primeiras lentes desse tipo foram inventadas pelo cientista francês Augustin-Jean Fresnel em 1819 para fornecer lentes leves para faróis. Hoje, lentes difrativas semelhantes podem ser encontradas em muitas óticas de pequeno porte, desde lentes de câmera para headsets de realidade virtual.

Lentes difrativas finas e simples são notório por suas imagens borradas, então eles nunca foram usados ​​em observatórios astronômicos. Mas se você pudesse melhorar sua clareza, usar lentes difrativas em vez de espelhos ou lentes refrativas permitiria que um telescópio espacial fosse muito mais barato, mais leve e maior.

Uma lente fina e de alta resolução

Após a reunião, voltei para a Universidade do Arizona e decidi explorar se a tecnologia moderna poderia produzir lentes difrativas com melhor qualidade de imagem. Sorte a minha, Thomas Milster— um dos maiores especialistas do mundo em design de lentes difrativas — trabalha no prédio ao lado do meu. Formamos uma equipe e começamos a trabalhar.

Nos dois anos seguintes, nossa equipe inventou um novo tipo de lente difrativa que exigia novas tecnologias de fabricação para gravar um padrão complexo de pequenas ranhuras em um pedaço de vidro transparente ou plástico. O padrão específico e a forma dos cortes concentram a luz recebida em um único ponto atrás da lente. O novo design produz um imagem de qualidade quase perfeita, muito melhor do que as lentes difrativas anteriores.

Como é a textura da superfície da lente que faz o foco, não a espessura, você pode facilmente aumentar a lente enquanto mantendo-o muito fino e leve. Lentes maiores coletam mais luz e baixo peso significa lançamentos mais baratos para orbitar- ambas grandes características para um telescópio espacial.

Em agosto de 2018, nossa equipe produziu o primeiro protótipo, uma lente de duas polegadas (cinco centímetros) de diâmetro. Nos cinco anos seguintes, melhoramos ainda mais a qualidade da imagem e aumentamos o tamanho. Agora estamos concluindo uma lente de 10 polegadas (24 cm) de diâmetro que será mais de 10 vezes mais leve do que seria uma lente refrativa convencional.

Poder de um telescópio espacial de difração

Este novo design de lente permite repensar como um telescópio espacial pode ser construído. Em 2019, nossa equipe publicou um conceito chamado Observatório Espacial Nautilus.

Usando a nova tecnologia, nossa equipe acredita que é possível construir uma lente de 29.5 pés (8.5 metros) de diâmetro com apenas cerca de 0.2 polegadas (0.5 cm) de espessura. A lente e a estrutura de suporte do nosso novo telescópio podem pesar cerca de 1,100 libras (500 quilos). Isso é mais de três vezes mais leve que um espelho estilo Webb de tamanho semelhante e seria maior que o espelho Webb de 21 metros de diâmetro.

Um objeto esférico no espaço com uma lente de um lado.
A lente fina permitiu que a equipe projetasse um telescópio mais leve e barato, que eles batizaram de Observatório Espacial Nautilus. Daniel Apai/Universidade do Arizona, CC BY-ND

As lentes também têm outros benefícios. Primeiro, eles são muito mais fácil e rápido fabricar do que espelhos e pode ser feito em massa. Em segundo lugar, os telescópios baseados em lentes funcionam bem mesmo quando não estão perfeitamente alinhados, tornando esses telescópios mais fáceis de montar e voar no espaço do que os telescópios baseados em espelho, que requerem um alinhamento extremamente preciso.

Finalmente, como uma única unidade Nautilus seria leve e relativamente barata de produzir, seria possível colocar dezenas delas em órbita. Nosso projeto atual não é de fato um único telescópio, mas uma constelação de 35 unidades de telescópio individuais.

Cada telescópio individual seria um observatório independente e altamente sensível, capaz de coletar mais luz do que o Webb. Mas o verdadeiro poder do Nautilus viria de direcionar todos os telescópios individuais para um único alvo.

Ao combinar os dados de todas as unidades, o poder de coleta de luz do Nautilus seria igual a um telescópio quase 10 vezes maior que o Webb. Com este poderoso telescópio, os astrônomos podem pesquisar centenas de exoplanetas em busca de gases atmosféricos que possam indica vida extraterrestre.

Embora o Nautilus Space Observatory ainda esteja longe do lançamento, nossa equipe fez muitos progressos. Mostramos que todos os aspectos da tecnologia funcionam em protótipos de pequena escala e agora estamos focados na construção de uma lente de 3.3 pés (1 metro) de diâmetro. Nossos próximos passos são enviar uma versão pequena do telescópio para a borda do espaço em um balão de alta altitude.

Com isso, estaremos prontos para propor um novo telescópio espacial revolucionário para a NASA e, esperamos, explorar centenas de mundos em busca de sinais de vida.A Conversação

Este artigo foi republicado a partir de A Conversação sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

Crédito de imagem: Katie Yung, Daniel Apai/Universidade do Arizona e AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. Um projeto de telescópio espacial leve e barato tornaria possível colocar muitas unidades individuais no espaço ao mesmo tempo.

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