Goodbye Mirrors: Detta teleskop kunde samla in 100x mer ljus än James Webb

Astronomer har upptäckt mer än 5,000 XNUMX planeter utanför solsystemet hittills. Den stora frågan är om någon av dessa planeter är hem för liv. För att hitta svaret kommer astronomer sannolikt att behöva kraftfullare teleskop än som finns idag.

jag är en astronom som studerar astrobiologi och planeter runt avlägsna stjärnor. Under de senaste sju åren har jag lett ett team som håller på att utveckla en ny typ av rymdteleskop som kan samla in hundra gånger mer ljus än James Webb rymdteleskop, det största rymdteleskopet som någonsin byggts.

Nästan alla rymdteleskop, inklusive Hubble och Webb, samlar ljus med hjälp av speglar. Vårt föreslagna teleskop, den Nautilus rymdobservatorium, skulle ersätta stora, tunga speglar med en ny, tunn lins som är mycket lättare, billigare och lättare att tillverka än spegelteleskop. På grund av dessa skillnader skulle det vara möjligt att skjuta upp många enskilda enheter i omloppsbana och skapa ett kraftfullt nätverk av teleskop.

Behovet av större teleskop

Exoplaneter - planeter som kretsar runt andra stjärnor än solen - är främsta mål i sökandet efter liv. Astronomer behöver använda gigantiska rymdteleskop som samlar in enorma mängder ljus för att studera dessa svaga och avlägsna föremål.

Befintliga teleskop kan upptäcka exoplaneter så små som jorden. Det krävs dock mycket mer känslighet för att börja lära sig om den kemiska sammansättningen av dessa planeter. Till och med rymdteleskopet James Webb är knappt tillräckligt kraftfullt för att söka vissa exoplaneter för ledtrådar om liv-nämligen gaser i atmosfären.

Webb kostade mer än 8 miljarder dollar och det tog över 20 år att bygga. Nästa flaggskeppsteleskop förväntas inte flyga före 2045 och beräknas göra det kosta $ 11 miljarder. Dessa ambitiösa teleskopprojekt är alltid dyra, mödosamma och producerar ett enda kraftfullt – men mycket specialiserat – observatorium.

En ny typ av teleskop

2016, rymdgiganten Northrop Grumman bjöd in mig och 14 andra professorer och NASA-forskare – alla experter på exoplaneter och sökandet efter utomjordiskt liv – till Los Angeles för att svara på en fråga: Hur kommer exoplanet-rymdteleskop att se ut om 50 år?

I våra diskussioner insåg vi att en stor flaskhals som förhindrar konstruktionen av kraftfullare teleskop är utmaningen att göra större speglar och få dem i omloppsbana. För att kringgå denna flaskhals kom några av oss på idén att återvända till en gammal teknik som kallas diffraktiva linser.

Konventionella linser använder refraktion för att fokusera ljus. Refraktion är när ljuset ändrar riktning när det går från ett medium till ett annat - det är anledningen till att ljuset böjs när det kommer in i vatten. Däremot är diffraktion när ljus böjer sig runt hörn och hinder. Ett smart arrangerat mönster av steg och vinklar på en glasyta kan bilda en diffraktiv lins.

De första sådana linserna uppfanns av den franske forskaren Augustin-Jean Fresnel 1819 för att ge lätta linser för fyrar. Idag kan liknande diffraktiva linser hittas i många små konsumentoptik, från kameralinser till virtuella verkligheten headset.

Tunna, enkla diffraktiva linser är ökända för sina suddiga bilder, så de har aldrig använts i astronomiska observatorier. Men om du kunde förbättra deras klarhet, skulle användning av diffraktiva linser istället för speglar eller refraktiva linser göra att ett rymdteleskop blir mycket billigare, lättare och större.

En tunn, högupplöst lins

Efter mötet återvände jag till University of Arizona och bestämde mig för att undersöka om modern teknik kunde producera diffraktiva linser med bättre bildkvalitet. Tur för mig, Thomas Milster—en av världens ledande experter på diffraktiv linsdesign — arbetar i byggnaden bredvid min. Vi bildade ett team och började jobba.

Under de följande två åren uppfann vårt team en ny typ av diffraktiv lins som krävde ny tillverkningsteknik för att etsa ett komplext mönster av små spår på en bit av klart glas eller plast. Det specifika mönstret och formen på skärningarna fokuserar inkommande ljus till en enda punkt bakom linsen. Den nya designen ger en nästan perfekt bildkvalitet, mycket bättre än tidigare diffraktiva linser.

Eftersom det är linsens ytstruktur som gör fokuseringen, inte tjockleken, kan du enkelt göra linsen större medan håller den väldigt tunn och lätt. Större linser samlar in mer ljus och låg vikt betyder billigare uppskjutningar i omloppsbana– båda fantastiska egenskaper för ett rymdteleskop.

I augusti 2018 producerade vårt team den första prototypen, en lins med två tum (fem centimeter) i diameter. Under de kommande fem åren förbättrade vi bildkvaliteten ytterligare och ökade storleken. Vi färdigställer nu en lins med en diameter på 10 tum (24 cm) som kommer att vara mer än 10 gånger lättare än en konventionell brytningslins skulle vara.

Kraften hos ett diffraktionsrymdteleskop

Denna nya linsdesign gör det möjligt att ompröva hur ett rymdteleskop kan byggas. Under 2019 publicerade vårt team ett koncept som heter Nautilus rymdobservatorium.

Med den nya tekniken tror vårt team att det är möjligt att bygga en lins med en diameter på 29.5 fot (8.5 meter) som bara skulle vara cirka 0.2 tum (0.5 cm) tjock. Linsen och stödstrukturen på vårt nya teleskop kan väga cirka 1,100 500 pund (21 kg). Detta är mer än tre gånger lättare än en Webb-stilsspegel av liknande storlek och skulle vara större än Webbs spegel med 6.5 fot (XNUMX meter) diameter.

Linserna har också andra fördelar. För det första är de det mycket lättare och snabbare att tillverka än speglar och kan göras en masse. För det andra fungerar linsbaserade teleskop bra även när de inte är perfekt justerade, vilket gör dessa teleskop lättare att använda montera och flyger i rymden än spegelbaserade teleskop, som kräver extremt exakt inriktning.

Slutligen, eftersom en enda Nautilus-enhet skulle vara lätt och relativt billig att tillverka, skulle det vara möjligt att sätta dussintals av dem i omloppsbana. Vår nuvarande design är faktiskt inte ett enda teleskop, utan en konstellation av 35 individuella teleskopenheter.

Varje enskilt teleskop skulle vara ett oberoende, mycket känsligt observatorium som kan samla in mer ljus än Webb. Men den verkliga kraften hos Nautilus skulle komma från att vrida alla individuella teleskop mot ett enda mål.

Genom att kombinera data från alla enheterna skulle Nautilus ljusuppsamlingskraft vara lika med ett teleskop som är nästan 10 gånger större än Webb. Med detta kraftfulla teleskop kunde astronomer söka hundratals exoplaneter efter atmosfäriska gaser som kan indikerar utomjordiskt liv.

Även om Nautilus rymdobservatorium fortfarande är långt från lanseringen, har vårt team gjort stora framsteg. Vi har visat att alla aspekter av tekniken fungerar i småskaliga prototyper och fokuserar nu på att bygga en lins med 3.3 fot (1 meter) diameter. Våra nästa steg är att skicka en liten version av teleskopet till kanten av rymden på en höghöjdsballong.

Med det kommer vi att vara redo att föreslå ett revolutionerande nytt rymdteleskop till NASA och förhoppningsvis vara på väg att utforska hundratals världar efter livets signaturer.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

Image Credit: Katie Yung, Daniel Apai/University of Arizona och AllThingsSpace /SketchFab, CC BY-ND. En lätt, billig rymdteleskopdesign skulle göra det möjligt att placera många enskilda enheter i rymden samtidigt.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Fordon / elbilar, Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• BlockOffsets. Modernisera miljökompensation ägande. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/