Adijo zrcala: Ta teleskop bi lahko zbral 100x več svetlobe kot James Webb

Astronomi so odkrili več kot 5,000 planetov zunaj sončnega sistema do danes. Veliko vprašanje je, ali kateri koli od teh planetov je dom življenja. Da bi našli odgovor, bodo astronomi verjetno potrebovali močnejši teleskopi kot obstajajo danes.

Sem an astronom, ki študira astrobiologijo in planeti okoli oddaljenih zvezd. Zadnjih sedem let sem sovodil ekipo, ki razvija novo vrsto vesoljskega teleskopa, ki bi lahko zbral stokrat več svetlobe kot Vesoljski teleskop James Webb, največji vesoljski teleskop, ki je bil kdajkoli zgrajen.

Skoraj vsi vesoljski teleskopi, vključno s Hubblom in Webbom, zbirajo svetlobo s pomočjo ogledal. Naš predlagani teleskop, Vesoljski observatorij Nautilus, bi nadomestil velika, težka zrcala z novo, tanko lečo, ki je veliko lažja, cenejša in enostavnejša za izdelavo kot zrcalni teleskopi. Zaradi teh razlik bi bilo mogoče v orbito izstreliti številne posamezne enote in ustvariti močno mrežo teleskopov.

Potreba po večjih teleskopih

Eksoplanete – planeti, ki krožijo okoli zvezd, ki niso sonce – so glavne tarče pri iskanju življenja. Astronomi morajo uporabljati ogromne vesoljske teleskope, ki zbirajo ogromne količine svetlobe preučite te šibke in oddaljene predmete.

Obstoječi teleskopi lahko zaznajo tako majhne eksoplanete kot Zemlja. Vendar je potrebno veliko več občutljivosti, da začnemo spoznavati kemično sestavo teh planetov. Celo vesoljski teleskop James Webb je komaj dovolj zmogljiv za iskanje nekateri eksoplanete za namige o življenju— namreč plinov v ozračju.

Webb stane več kot 8 milijard dolarjev, gradnja pa je trajala več kot 20 let. Naslednji vodilni teleskop naj ne bi poletel pred letom 2045 in po ocenah bo stane 11 milijard dolarjev. Ti ambiciozni projekti teleskopov so vedno dragi, naporni in ustvarijo en sam zmogljiv, a zelo specializiran observatorij.

Nova vrsta teleskopa

Leta 2016 vesoljski velikan Northrop Grumman povabil mene in 14 drugih profesorjev in NASA-inih znanstvenikov – vse strokovnjake za eksoplanete in iskanje nezemeljskega življenja – v Los Angeles, da odgovorimo na eno vprašanje: Kako bodo videti vesoljski teleskopi na eksoplanetih čez 50 let?

V naših razpravah smo ugotovili, da je glavno ozko grlo, ki preprečuje gradnjo močnejših teleskopov, izziv izdelave večjih zrcal in njihovega spravljanja v orbito. Da bi zaobšli to ozko grlo, je nekaj izmed nas prišlo na idejo, da bi ponovno uporabili staro tehnologijo, imenovano uklonske leče.

Običajne leče uporabljajo lom za fokusiranje svetlobe. Refrakcija je, ko svetloba spremeni smer ko prehaja iz enega medija v drugega - to je razlog, da se svetloba upogne, ko vstopi v vodo. Nasprotno pa je uklon, ko se svetloba ukrivi okoli vogalov in ovir. Pametno razporejen vzorec stopnic in kotov na stekleni površini lahko tvori uklonsko lečo.

Prve takšne leče je izumil francoski znanstvenik Augustin-Jean Fresnel leta 1819, da bi zagotovil lahke leče za svetilniki. Danes lahko podobne difrakcijske leče najdemo v številnih majhnih potrošniških optikah, od objektivi kamer do virtualne slušalke.

Tanke, preproste uklonske leče so razvpiti po svojih zamegljenih slikah, zato jih nikoli niso uporabljali v astronomskih observatorijih. Toda če bi lahko izboljšali njihovo jasnost, bi uporaba uklonskih leč namesto ogledal ali lomnih leč omogočila, da bi bil vesoljski teleskop veliko cenejši, lažji in večji.

Tanek objektiv z visoko ločljivostjo

Po srečanju sem se vrnil na Univerzo v Arizoni in se odločil raziskati, ali bi sodobna tehnologija lahko izdelala uklonske leče z boljšo kakovostjo slike. Na srečo zame, Thomas Milster— eden vodilnih svetovnih strokovnjakov za oblikovanje uklonskih leč — dela v stavbi poleg moje. Sestavili smo ekipo in se lotili dela.

V naslednjih dveh letih je naša ekipa izumila novo vrsto uklonske leče, ki je zahtevala nove proizvodne tehnologije za vrezovanje zapletenega vzorca drobnih utorov na kos prozornega stekla ali plastike. Poseben vzorec in oblika izrezov osredotoča vhodno svetlobo na eno samo točko za lečo. Nova zasnova proizvaja a slika skoraj popolne kakovosti, veliko boljši od prejšnjih uklonskih leč.

Ker je tekstura površine leče tista, ki izostri, ne debelina, lahko lečo preprosto povečate, medtem ko ostane zelo tanek in lahek. Večje leče zberejo več svetlobe, manjša teža pa pomeni cenejše izstrelitve v orbito— obe odlični lastnosti za vesoljski teleskop.

Avgusta 2018 je naša ekipa izdelala prvi prototip, lečo s premerom dveh palcev (pet centimetrov). V naslednjih petih letih smo še izboljšali kakovost slike in povečali velikost. Zdaj zaključujemo lečo s premerom 10 palcev (24 cm), ki bo več kot 10-krat lažja od običajne lomne leče.

Moč difrakcijskega vesoljskega teleskopa

Ta nova zasnova leč omogoča ponoven razmislek o tem, kako bi lahko zgradili vesoljski teleskop. Leta 2019 je naša ekipa objavila koncept, imenovan Vesoljski observatorij Nautilus.

Naša ekipa meni, da je z uporabo nove tehnologije mogoče izdelati lečo s premerom 29.5 čevljev (8.5 metra), ki bi bila debela le približno 0.2 palca (0.5 cm). Leča in nosilna struktura našega novega teleskopa bi lahko tehtala približno 1,100 kilogramov. To je več kot trikrat lažje od Webbovega ogledala podobne velikosti in bi bilo večje od Webbovega ogledala s premerom 500 čevljev (21 metra).

Leče imajo tudi druge prednosti. Prvič, so veliko lažje in hitreje izdelati kot ogledala in se lahko izdeluje množično. Drugič, teleskopi na podlagi leč delujejo dobro, tudi če niso popolnoma poravnani, zaradi česar je te teleskope lažje sestavljanje in letijo v vesolju kot zrcalni teleskopi, ki zahtevajo izjemno natančno naravnavo.

Nazadnje, ker bi bila ena enota Nautilus lahka in razmeroma poceni za izdelavo, bi jih bilo mogoče v orbito poslati na desetine. Naša trenutna zasnova pravzaprav ni en sam teleskop, temveč konstelacija 35 posameznih teleskopskih enot.

Vsak posamezen teleskop bi bil neodvisen, zelo občutljiv observatorij, ki bi lahko zbral več svetlobe kot Webb. Toda prava moč Nautilusa bi izhajala iz obračanja vseh posameznih teleskopov proti enemu cilju.

Z združevanjem podatkov iz vseh enot bi bila Nautilusova moč zbiranja svetlobe enaka teleskopu, ki bi bil skoraj 10-krat večji od Webba. S tem močnim teleskopom bi lahko astronomi na stotinah eksoplanetov iskali atmosferske pline, ki bi lahko kažejo na zunajzemeljsko življenje.

Čeprav je vesoljski observatorij Nautilus še daleč od izstrelitve, je naša ekipa naredila velik napredek. Pokazali smo, da vsi vidiki tehnologije delujejo v majhnih prototipih in se zdaj osredotočamo na izdelavo leče s premerom 3.3 čevlja (1 meter). Naši naslednji koraki so, da pošljemo majhno različico teleskopa na rob vesolja na visokogorskem balonu.

S tem bomo pripravljeni Nasi predlagati revolucionaren nov vesoljski teleskop in upajmo, da bomo na poti raziskovanja na stotine svetov za znake življenja.

Ta članek je ponovno objavljen Pogovor pod licenco Creative Commons. Preberi Originalni članek.

Kreditno slike: Katie Yung, Daniel Apai/Univerza v Arizoni in AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. Lahka, poceni zasnova vesoljskega teleskopa bi omogočila, da bi v vesolje postavili več posameznih enot hkrati.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Avtomobili/EV, Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• BlockOffsets. Posodobitev okoljskega offset lastništva. Dostopite tukaj.
• vir: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/