Goodbye Mirrors: กล้องโทรทรรศน์นี้สามารถเก็บแสงได้มากกว่า James Webb ถึง 100 เท่า

Goodbye Mirrors: กล้องโทรทรรศน์นี้สามารถเก็บแสงได้มากกว่า James Webb ถึง 100 เท่า

ประทับเวลา: 12 กรกฎาคม 2023 10:49 น

นักดาราศาสตร์ได้ค้นพบมากกว่า ดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ 5,000 ดวง จนถึงปัจจุบัน คำถามที่ยิ่งใหญ่คือว่า ดาวเคราะห์เหล่านี้เป็นที่อยู่อาศัยของสิ่งมีชีวิต. เพื่อหาคำตอบ นักดาราศาสตร์น่าจะต้องการ กล้องโทรทรรศน์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น กว่าจะเป็นอยู่ทุกวันนี้

ฉันเป็น นักดาราศาสตร์ที่ศึกษาโหราศาสตร์ และดาวเคราะห์รอบดาวฤกษ์อันไกลโพ้น ในช่วงเจ็ดปีที่ผ่านมา ฉันได้ร่วมเป็นผู้นำทีมที่กำลังพัฒนากล้องโทรทรรศน์อวกาศชนิดใหม่ที่สามารถรวบรวมแสงได้มากกว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศถึงร้อยเท่า กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์กล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ใหญ่ที่สุดเท่าที่เคยสร้างมา

กล้องโทรทรรศน์อวกาศเกือบทั้งหมด รวมทั้งฮับเบิลและเวบบ์ รวบรวมแสงโดยใช้กระจก กล้องโทรทรรศน์ที่เราเสนอคือ หอสังเกตการณ์อวกาศนอติลุสจะแทนที่กระจกขนาดใหญ่และหนักด้วยเลนส์แบบใหม่ที่บางซึ่งเบากว่ามาก ถูกกว่า และผลิตได้ง่ายกว่ากล้องโทรทรรศน์แบบมิเรอร์ เนื่องจากความแตกต่างเหล่านี้ จึงมีความเป็นไปได้ที่จะส่งหน่วยต่างๆ จำนวนมากขึ้นสู่วงโคจรและสร้างเครือข่ายกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลัง

ความต้องการกล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่ขึ้น

ดาวเคราะห์นอกระบบ—ดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์อื่นที่ไม่ใช่ดวงอาทิตย์—เป็นเป้าหมายหลักในการค้นหาชีวิต นักดาราศาสตร์จำเป็นต้องใช้กล้องโทรทรรศน์อวกาศขนาดยักษ์ที่รวบรวมแสงจำนวนมหาศาลไว้ ศึกษาวัตถุที่เลือนลางและห่างไกลเหล่านี้.

กล้องโทรทรรศน์ที่มีอยู่สามารถตรวจจับดาวเคราะห์นอกระบบที่มีขนาดเล็กเท่าโลกได้ อย่างไรก็ตาม การเรียนรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของดาวเคราะห์เหล่านี้ต้องใช้ความไวมากขึ้น แม้แต่กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ก็ยังมีประสิทธิภาพเพียงพอในการค้นหา ดาวเคราะห์นอกระบบบางดวงเพื่อเป็นเบาะแสของชีวิต—คือ ก๊าซในชั้นบรรยากาศ.

เว็บบ์มีค่าใช้จ่ายมากกว่า 8 พันล้านดอลลาร์และใช้เวลาสร้างมากกว่า 20 ปี. กล้องโทรทรรศน์เรือธงลำต่อไปไม่คาดว่าจะบินได้ก่อนปี 2045 และคาดว่าจะ มูลค่า 11 พันล้านดอลลาร์. โครงการกล้องโทรทรรศน์ที่ทะเยอทะยานเหล่านี้มักมีราคาแพง ลำบาก และผลิตหอดูดาวที่ทรงพลังเพียงแห่งเดียวแต่เชี่ยวชาญเป็นพิเศษ

กล้องโทรทรรศน์ชนิดใหม่

ในปี 2016 ยักษ์ใหญ่ด้านการบินและอวกาศ กรัมแมน Northrop เชิญฉันและศาสตราจารย์อีก 14 คนและนักวิทยาศาสตร์ของ NASA ซึ่งเป็นผู้เชี่ยวชาญเกี่ยวกับดาวเคราะห์นอกระบบและการค้นหาชีวิตนอกโลกมาที่ลอสแองเจลิสเพื่อตอบคำถามหนึ่งข้อ: กล้องโทรทรรศน์อวกาศของดาวเคราะห์นอกระบบจะมีลักษณะอย่างไรในอีก 50 ปีข้างหน้า

ในการสนทนาของเรา เราตระหนักว่าคอขวดสำคัญที่ขัดขวางการสร้างกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังกว่าคือความท้าทายในการสร้างกระจกที่ใหญ่ขึ้นและนำพวกมันขึ้นสู่วงโคจร เพื่อหลีกเลี่ยงคอขวดนี้ พวกเราบางคนเกิดความคิดที่จะทบทวนเทคโนโลยีเก่าที่เรียกว่าเลนส์กระจายแสง

เลนส์ทั่วไปใช้การหักเหของแสงเพื่อโฟกัสแสง การหักเหคือการที่แสงเปลี่ยนทิศทาง เมื่อผ่านจากตัวกลางหนึ่งไปยังอีกตัวกลาง—นี่เป็นสาเหตุที่ทำให้แสงโค้งงอเมื่อตกลงไปในน้ำ ในทางตรงกันข้าม การเลี้ยวเบนคือเมื่อแสงโค้งไปตามมุมและสิ่งกีดขวาง รูปแบบขั้นบันไดและมุมที่จัดวางอย่างชาญฉลาดบนพื้นผิวกระจกสามารถสร้างเลนส์ที่เลี้ยวเบนได้

เลนส์ดังกล่าวตัวแรกคิดค้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Augustin-Jean Fresnel ในปี 1819 เพื่อให้เลนส์น้ำหนักเบาสำหรับ กระโจมไฟ. ทุกวันนี้ เลนส์กระจายแสงที่คล้ายกันนี้สามารถพบได้ในเลนส์สำหรับผู้บริโภคขนาดเล็กจำนวนมาก ตั้งแต่ เลนส์กล้องถ่ายรูป ไปยัง ชุดหูฟังเสมือนจริง.

เลนส์เลี้ยวเบนแบบบางและเรียบง่ายคือ มีชื่อเสียงในด้านภาพที่พร่ามัวดังนั้นจึงไม่เคยถูกนำมาใช้ในหอสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ แต่ถ้าคุณปรับปรุงความคมชัดได้ การใช้เลนส์เลี้ยวเบนแทนกระจกหรือเลนส์หักเหแสงจะทำให้กล้องโทรทรรศน์อวกาศมีราคาถูกลง เบาขึ้น และใหญ่ขึ้นมาก

เลนส์บาง ความละเอียดสูง

หลังจากการประชุม ฉันกลับไปที่มหาวิทยาลัยแอริโซนาและตัดสินใจสำรวจว่าเทคโนโลยีสมัยใหม่จะสามารถผลิตเลนส์แบบเลี้ยวเบนที่ให้คุณภาพของภาพดีขึ้นได้หรือไม่ โชคดีสำหรับฉัน โธมัส มิลสเตอร์—หนึ่งในผู้เชี่ยวชาญชั้นนำของโลกด้านการออกแบบเลนส์กระจายแสง—ทำงานในอาคารถัดจากฉัน เราตั้งทีมและเริ่มทำงาน

ในช่วง XNUMX ปีต่อมา ทีมงานของเราได้คิดค้นเลนส์กระจายแสงชนิดใหม่ที่ต้องใช้เทคโนโลยีการผลิตแบบใหม่เพื่อแกะสลักรูปแบบที่ซับซ้อนของร่องเล็กๆ ลงบนแผ่นกระจกใสหรือพลาสติก รูปแบบและรูปร่างเฉพาะของการเจียระไนจะโฟกัสแสงที่ส่องเข้ามาที่จุดเดียวด้านหลังเลนส์ การออกแบบใหม่ทำให้เกิด ภาพคุณภาพเกือบสมบูรณ์แบบดีกว่าเลนส์กระจายแสงรุ่นก่อนๆ มาก

เนื่องจากเป็นพื้นผิวของเลนส์ที่ทำหน้าที่โฟกัส ไม่ใช่ความหนา คุณจึงสามารถทำให้เลนส์ใหญ่ขึ้นได้อย่างง่ายดาย ทำให้มันบางและเบามาก. เลนส์ที่ใหญ่กว่าจะเก็บแสงได้มากกว่า และน้ำหนักที่น้อยหมายถึง การเปิดตัวสู่วงโคจรที่ถูกกว่า- ทั้งสองคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมสำหรับกล้องโทรทรรศน์อวกาศ

ในเดือนสิงหาคม 2018 ทีมงานของเราได้ผลิตเลนส์ต้นแบบชิ้นแรกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 นิ้ว (24 เซนติเมตร) ในอีกห้าปีข้างหน้า เราได้ปรับปรุงคุณภาพของภาพเพิ่มเติมและเพิ่มขนาด ขณะนี้เรากำลังสร้างเลนส์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 นิ้ว (XNUMX ซม.) ซึ่งจะมีน้ำหนักเบากว่าเลนส์หักเหแบบทั่วไปถึง XNUMX เท่า

พลังของกล้องโทรทรรศน์อวกาศการเลี้ยวเบน

การออกแบบเลนส์ใหม่นี้ทำให้คิดใหม่ได้ว่าจะสร้างกล้องโทรทรรศน์อวกาศได้อย่างไร ในปี 2019 ทีมงานของเราได้เผยแพร่แนวคิดที่เรียกว่า หอสังเกตการณ์อวกาศนอติลุส.

เมื่อใช้เทคโนโลยีใหม่ ทีมของเราคิดว่าสามารถสร้างเลนส์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 29.5 ฟุต (8.5 เมตร) ซึ่งมีความหนาเพียง 0.2 นิ้ว (0.5 ซม.) เท่านั้น เลนส์และโครงสร้างรองรับของกล้องโทรทรรศน์ใหม่ของเราอาจมีน้ำหนักประมาณ 1,100 ปอนด์ (500 กิโลกรัม) นี่เบากว่ากระจกสไตล์เว็บบ์ที่มีขนาดใกล้เคียงกันถึงสามเท่า และจะใหญ่กว่ากระจกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 21 เมตรของเว็บบ์

วัตถุทรงกลมในอวกาศที่มีเลนส์อยู่ด้านหนึ่ง
เลนส์ที่บางทำให้ทีมออกแบบกล้องโทรทรรศน์ที่เบาและราคาถูกลงได้ ซึ่งพวกเขาตั้งชื่อว่า Nautilus Space Observatory Daniel Apai / มหาวิทยาลัยแอริโซนา CC BY-ND

เลนส์ยังมีประโยชน์อื่นๆ อีกด้วย ประการแรกพวกเขาเป็น ง่ายและรวดเร็วยิ่งขึ้น ที่จะประดิษฐ์กว่ากระจก และสามารถทำเป็นหมู่คณะได้ ประการที่สอง กล้องโทรทรรศน์แบบใช้เลนส์ทำงานได้ดีแม้ว่าจะไม่ได้จัดแนวอย่างสมบูรณ์ ทำให้กล้องโทรทรรศน์เหล่านี้ทำงานได้ง่ายขึ้น รวบรวม และบินในอวกาศได้มากกว่ากล้องโทรทรรศน์แบบกระจก ซึ่งต้องการการจัดตำแหน่งที่แม่นยำมาก

ในที่สุด เนื่องจากหน่วย Nautilus หนึ่งหน่วยจะเบาและค่อนข้างถูกในการผลิต จึงเป็นไปได้ที่จะนำหน่วย Nautilus ขึ้นสู่วงโคจรได้หลายสิบหน่วย การออกแบบในปัจจุบันของเราไม่ใช่กล้องโทรทรรศน์เดียว แต่เป็นกลุ่มดาวที่มีกล้องโทรทรรศน์เดี่ยว 35 หน่วย

กล้องโทรทรรศน์แต่ละตัวจะเป็นหอดูดาวอิสระที่มีความไวสูงซึ่งสามารถรวบรวมแสงได้มากกว่าเว็บบ์ แต่พลังที่แท้จริงของ Nautilus จะมาจากการหันกล้องโทรทรรศน์แต่ละตัวไปยังเป้าหมายเดียว

เมื่อรวมข้อมูลจากทุกหน่วยเข้าด้วยกัน พลังในการเก็บรวบรวมแสงของ Nautilus จะเท่ากับกล้องโทรทรรศน์ที่มีขนาดใหญ่กว่ากล้องโทรทรรศน์ Webb เกือบ 10 เท่า ด้วยกล้องโทรทรรศน์ทรงพลังนี้ นักดาราศาสตร์สามารถค้นหาดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะหลายร้อยดวงเพื่อหาก๊าซในชั้นบรรยากาศที่อาจเป็นไปได้ บ่งบอกถึงสิ่งมีชีวิตนอกโลก.

แม้ว่า Nautilus Space Observatory จะยังห่างไกลจากการเปิดตัว แต่ทีมของเราก็มีความคืบหน้าไปมาก เราได้แสดงให้เห็นว่าทุกแง่มุมของเทคโนโลยีทำงานในต้นแบบขนาดเล็ก และตอนนี้กำลังมุ่งเน้นไปที่การสร้างเลนส์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 3.3 ฟุต (1 เมตร) ขั้นตอนต่อไปของเราคือการส่งกล้องโทรทรรศน์รุ่นเล็กไปยังขอบอวกาศบนบอลลูนสูง

ด้วยเหตุนี้ เราจึงพร้อมที่จะเสนอกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ปฏิวัติวงการใหม่แก่ NASA และหวังว่าจะได้เดินทางไปสำรวจโลกหลายร้อยแห่งเพื่อหาลายเซ็นของสิ่งมีชีวิตสนทนา

บทความนี้ตีพิมพ์ซ้ำจาก สนทนา ภายใต้ใบอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ อ่าน บทความต้นฉบับ.

เครดิตภาพ: Katie Yung, Daniel Apai/มหาวิทยาลัยแอริโซนา และ AllThingsSpace /SketchFab, CC BY-ND. การออกแบบกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่เบาและราคาถูกจะทำให้สามารถนำยูนิตหลาย ๆ ตัวขึ้นไปในอวกาศพร้อมกันได้

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก Hub เอกพจน์