Прощайте, зеркала: этот телескоп может собирать в 100 раз больше света, чем Джеймс Уэбб

Астрономы открыли более 5,000 планет за пределами Солнечной системы на сегодняшний день. Главный вопрос заключается в том, любая из этих планет является домом для жизни. Чтобы найти ответ, астрономам, вероятно, понадобится более мощные телескопы чем существуют сегодня.

Я астроном, изучающий астробиологию и планеты вокруг далеких звезд. Последние семь лет я руководил командой, разрабатывающей космический телескоп нового типа, способный собирать в сто раз больше света, чем космического телескопа Джеймса Вебба, самый большой из когда-либо построенных космических телескопов.

Почти все космические телескопы, включая «Хаббл» и «Уэбб», собирают свет с помощью зеркал. Предлагаемый нами телескоп, Космическая обсерватория Наутилус, заменит большие тяжелые зеркала новой тонкой линзой, которая намного легче, дешевле и проще в производстве, чем зеркальные телескопы. Из-за этих различий можно было бы запустить на орбиту множество отдельных блоков и создать мощную сеть телескопов.

Потребность в больших телескопах

Экзопланеты — планеты, которые вращаются вокруг звезд, отличных от Солнца, — являются главными целями в поисках жизни. Астрономам нужно использовать гигантские космические телескопы, которые собирают огромное количество света, чтобы изучить эти слабые и далекие объекты.

Существующие телескопы могут обнаруживать экзопланеты размером с Землю. Однако требуется гораздо больше чувствительности, чтобы начать узнавать о химическом составе этих планет. Даже космический телескоп Джеймса Уэбба едва ли достаточно мощен, чтобы искать некоторые экзопланеты для подсказок жизни-namely газы в атмосфере.

Webb стоит больше, чем 8 миллиардов долларов, на строительство ушло более 20 лет.. Ожидается, что следующий флагманский телескоп не будет запущен до 2045 года. стоимость $ 11 млрд.. Эти амбициозные проекты телескопов всегда дороги, трудоемки и создают единую мощную, но очень специализированную обсерваторию.

Новый вид телескопа

В 2016 году аэрокосмический гигант Нортроп Грумман пригласил меня и еще 14 профессоров и ученых НАСА — специалистов по экзопланетам и поиску внеземной жизни — в Лос-Анджелес, чтобы ответить на один вопрос: как будут выглядеть экзопланетные космические телескопы через 50 лет?

В ходе наших дискуссий мы поняли, что основным узким местом, препятствующим строительству более мощных телескопов, является проблема изготовления зеркал большего размера и вывода их на орбиту. Чтобы обойти это узкое место, некоторым из нас пришла в голову идея пересмотреть старую технологию, называемую дифракционными линзами.

Обычные линзы используют преломление для фокусировки света. Преломление - это когда свет меняет направление когда он переходит из одной среды в другую — это причина, по которой свет изгибается, когда входит в воду. Напротив, дифракция — это когда свет огибает углы и препятствия. Умело организованный рисунок ступеней и углов на поверхности стекла может образовывать дифракционную линзу.

Первые такие линзы были изобретены французским ученым Огюстеном-Жаном Френелем в 1819 г. маяки. Сегодня подобные дифракционные линзы можно найти во многих малогабаритных потребительских оптиках, от линзы камеры в гарнитуры виртуальной реальности.

Тонкие простые дифракционные линзы печально известны своими размытыми изображениями, поэтому они никогда не использовались в астрономических обсерваториях. Но если бы вы могли улучшить их четкость, использование дифракционных линз вместо зеркал или рефракционных линз позволило бы космическому телескопу быть намного дешевле, легче и больше.

Тонкий объектив с высоким разрешением

После встречи я вернулся в Аризонский университет и решил выяснить, могут ли современные технологии производить дифракционные линзы с лучшим качеством изображения. К счастью для меня, Томас Милстер— один из ведущих мировых специалистов по дизайну дифракционных линз — работает в соседнем здании. Мы сформировали команду и приступили к работе.

В течение следующих двух лет наша команда изобрела дифракционную линзу нового типа, для чего потребовались новые производственные технологии для вытравливания сложного узора из крошечных канавок на прозрачном стекле или пластике. Особый рисунок и форма разрезов фокусируют падающий свет в одну точку за линзой. Новый дизайн производит почти идеальное качество изображения, намного лучше, чем предыдущие дифракционные линзы.

Поскольку за фокусировку отвечает текстура поверхности линзы, а не ее толщина, вы можете легко увеличить линзу, в то время как сохраняя его очень тонким и легким. Линзы большего размера собирают больше света, а малый вес означает более дешевые запуски на орбиту— обе отличные черты для космического телескопа.

В августе 2018 года наша команда изготовила первый прототип объектива диаметром два дюйма (пять сантиметров). В течение следующих пяти лет мы еще больше улучшили качество изображения и увеличили его размер. Сейчас мы завершаем работу над линзой диаметром 10 дюймов (24 см), которая будет более чем в 10 раз легче, чем обычная рефракционная линза.

Мощность дифракционного космического телескопа

Этот новый дизайн линз позволяет переосмыслить то, как может быть построен космический телескоп. В 2019 году наша команда опубликовала концепт под названием Космическая обсерватория Наутилус.

Наша команда считает, что с помощью новой технологии можно создать линзу диаметром 29.5 метра и толщиной всего около 8.5 дюйма (0.2 см). Линза и опорная конструкция нашего нового телескопа могут весить около 0.5 фунтов (1,100 кг). Это более чем в три раза легче, чем зеркало Уэбба аналогичного размера, и будет больше, чем зеркало Уэбба диаметром 500 фут (21 метра).

У линз есть и другие преимущества. Во-первых, они гораздо проще и быстрее изготавливать, чем зеркала и может производиться массово. Во-вторых, телескопы на основе линз работают хорошо, даже если они не идеально выровнены, что упрощает работу с такими телескопами. собираться и летать в космосе, чем зеркальные телескопы, которые требуют чрезвычайно точной настройки.

Наконец, поскольку один «Наутилус» был бы легким и относительно дешевым в производстве, можно было бы вывести на орбиту десятки таких кораблей. Наша текущая конструкция на самом деле представляет собой не один телескоп, а группу из 35 отдельных телескопов.

Каждый отдельный телескоп будет независимой, высокочувствительной обсерваторией, способной собирать больше света, чем Уэбб. Но настоящая сила «Наутилуса» заключалась бы в том, чтобы направить все отдельные телескопы на одну цель.

Если объединить данные со всех устройств, то светособирающая способность Наутилуса будет равна телескопу почти в 10 раз больше, чем Уэбб. С помощью этого мощного телескопа астрономы смогут искать на сотнях экзопланет атмосферные газы, которые могут указать на внеземную жизнь.

Хотя до запуска космической обсерватории «Наутилус» еще далеко, наша команда добилась большого прогресса. Мы показали, что все аспекты технологии работают в небольших прототипах, и теперь сосредоточены на создании объектива диаметром 3.3 фута (1 метр). Наши следующие шаги — отправить уменьшенную версию телескопа на край космоса на высотном воздушном шаре.

После этого мы будем готовы предложить НАСА революционно новый космический телескоп и, надеюсь, будем на пути к исследованию сотен миров в поисках следов жизни.

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

Изображение Фото: Кэти Юнг, Дэниел Апаи/Университет Аризоны и AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. Легкая и дешевая конструкция космического телескопа позволила бы отправить в космос сразу много отдельных единиц.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Автомобили / электромобили, Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• Смещения блоков. Модернизация права собственности на экологические компенсации. Доступ здесь.
• Источник: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/