До побачення, дзеркала: цей телескоп може зібрати в 100 разів більше світла, ніж Джеймс Вебб

Астрономи виявили більше ніж 5,000 планет за межами Сонячної системи на сьогоднішній день. Велике питання полягає в тому, чи будь-яка з цих планет є домом для життя. Щоб знайти відповідь, швидше за все, знадобиться астрономам більш потужні телескопи ніж існують сьогодні.

Я є астроном, який вивчає астробіологію і планети навколо далеких зірок. Протягом останніх семи років я був одним із керівників команди, яка розробляє новий вид космічного телескопа, який міг би зібрати у сто разів більше світла, ніж Джеймс Вебб космічний телескоп, найбільший космічний телескоп, коли-небудь побудований.

Майже всі космічні телескопи, включаючи Hubble і Webb, збирають світло за допомогою дзеркал. Запропонований нами телескоп Космічна обсерваторія Наутілус, замінить великі важкі дзеркала новими тонкими лінзами, які набагато легші, дешевші та простіші у виробництві, ніж дзеркальні телескопи. Через ці відмінності можна було б запустити на орбіту багато окремих одиниць і створити потужну мережу телескопів.

Потреба в більших телескопах

Екзопланети — планети, які обертаються навколо інших зірок, крім Сонця — є головними цілями для пошуку життя. Астрономам потрібно використовувати гігантські космічні телескопи, які збирають величезну кількість світла вивчайте ці слабкі та далекі об’єкти.

Існуючі телескопи можуть виявляти екзопланети розміром із Землю. Однак для того, щоб дізнатися про хімічний склад цих планет, потрібна набагато більша чутливість. Навіть космічний телескоп Джеймса Вебба ледь вистачає для пошуку певні екзопланети для підказок життя— а саме газів в атмосфері.

Webb коштував дорожче 8 мільярдів доларів, будівництво тривало понад 20 років. Очікується, що наступний флагманський телескоп полетить не раніше 2045 року коштував 11 мільярдів доларів. Ці амбітні проекти телескопів завжди дорогі, трудомісткі та створюють єдину потужну — але дуже спеціалізовану — обсерваторію.

Новий вид телескопа

У 2016 році аерокосмічний гігант Northrop Grumman запросив мене та інших 14 професорів і вчених NASA — усіх експертів з екзопланет і пошуку позаземного життя — до Лос-Анджелеса, щоб відповісти на одне запитання: як виглядатимуть космічні телескопи на екзопланетах через 50 років?

Під час наших дискусій ми зрозуміли, що головним вузьким місцем, яке перешкоджає створенню більш потужних телескопів, є проблема створення більших дзеркал і виведення їх на орбіту. Щоб обійти це вузьке місце, деякі з нас придумали переглянути стару технологію, яка називається дифракційними лінзами.

Звичайні лінзи використовують заломлення для фокусування світла. Заломлення - це коли світло змінює напрямок коли він переходить з одного середовища в інше, це є причиною того, що світло згинається, коли потрапляє у воду. Навпаки, дифракція - це коли світло огинається навколо кутів і перешкод. Розумно скомпонований візерунок зі сходинок і кутів на скляній поверхні може сформувати дифракційну лінзу.

Перші такі лінзи винайшов французький вчений Огюстен-Жан Френель у 1819 році, щоб створити легкі лінзи для маяки. Сьогодні подібні дифракційні лінзи можна знайти в багатьох малогабаритних споживчих оптиках, від лінзи камери до гарнітури віртуальної реальності.

Тонкі прості дифракційні лінзи відомі своїми розмитими зображеннями, тому їх ніколи не використовували в астрономічних обсерваторіях. Але якби ви могли покращити їх чіткість, використання дифракційних лінз замість дзеркал або заломлюючих лінз дозволило б зробити космічний телескоп набагато дешевшим, легшим і більшим.

Тонкий об’єктив із високою роздільною здатністю

Після зустрічі я повернувся до Університету Арізони та вирішив дослідити, чи можуть сучасні технології створювати дифракційні лінзи з кращою якістю зображення. На щастя для мене, Томас Мілстер—один із провідних світових експертів з дизайну дифракційних лінз — працює в будівлі поруч із мною. Ми зібрали команду і взялися до роботи.

Протягом наступних двох років наша команда винайшла новий тип дифракційної лінзи, яка вимагала нових технологій виробництва, щоб викарбувати складний малюнок крихітних канавок на шматку прозорого скла чи пластику. Особливий візерунок і форма вирізів фокусує вхідне світло в одну точку за лінзою. Новий дизайн створює a зображення майже ідеальної якості, набагато краще, ніж попередні дифракційні лінзи.

Оскільки фокусування виконує текстура поверхні лінзи, а не товщина, ви можете легко збільшити лінзу, зберігаючи його дуже тонким і легким. Більші лінзи збирають більше світла, а менша вага означає дешевші запуски на орбіту— обидві відмінні риси для космічного телескопа.

У серпні 2018 року наша команда виготовила перший прототип об’єктива діаметром два дюйми (п’ять сантиметрів). Протягом наступних п’яти років ми покращили якість зображення та збільшили розмір. Зараз ми завершуємо створення лінзи діаметром 10 дюймів (24 см), яка буде більш ніж у 10 разів легша за звичайну заломлюючу лінзу.

Потужність дифракційного космічного телескопа

Цей новий дизайн об’єктива дає змогу переглянути спосіб створення космічного телескопа. У 2019 році наша команда опублікувала концепцію під назвою Космічна обсерваторія Наутілус.

Використовуючи нову технологію, наша команда вважає можливим побудувати лінзу діаметром 29.5 футів (8.5 метрів), товщина якої буде лише 0.2 дюйма (0.5 см). Об’єктив і опорна конструкція нашого нового телескопа можуть важити близько 1,100 фунтів (500 кілограмів). Це більш ніж у три рази легше, ніж дзеркало Вебба такого ж розміру, і було б більше, ніж дзеркало Вебба діаметром 21 фут (6.5 метра).

Лінзи також мають інші переваги. По-перше, вони є набагато простіше і швидше виготовити, ніж дзеркала і можна робити масово. По-друге, телескопи на основі лінз працюють добре, навіть якщо вони не ідеально вирівняні, що полегшує використання цих телескопів. збиратися і літати в космосі, ніж дзеркальні телескопи, які вимагають надзвичайно точного вирівнювання.

Нарешті, оскільки один Nautilus був би легким і відносно дешевим у виробництві, можна було б вивести на орбіту десятки з них. Наша поточна конструкція – це фактично не один телескоп, а сузір’я з 35 окремих телескопів.

Кожен окремий телескоп був би незалежною високочутливою обсерваторією, здатною збирати більше світла, ніж Вебб. Але справжня потужність «Наутілуса» виникне, якщо навести всі окремі телескопи на одну ціль.

Якщо об’єднати дані з усіх пристроїв, потужність збору світла Nautilus дорівнює телескопу, майже в 10 разів більшому, ніж Webb. За допомогою цього потужного телескопа астрономи могли шукати на сотнях екзопланет атмосферні гази, які можуть вказують на позаземне життя.

Хоча до запуску космічної обсерваторії «Наутілус» ще далеко, наша команда досягла значного прогресу. Ми показали, що всі аспекти технології працюють на невеликих прототипах, і зараз зосереджуємося на створенні об’єктива діаметром 3.3 фута (1 метр). Наші наступні кроки — відправити маленьку версію телескопа на межу космосу на висотній кулі.

З цим ми будемо готові запропонувати НАСА новий революційний космічний телескоп і, сподіваємося, будемо на шляху дослідження сотень світів у пошуках ознак життя.

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

Зображення Фото: Кеті Юнг, Деніел Апай/Університет Аризони та AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-ND. Легка, дешева конструкція космічного телескопа дала б змогу розмістити багато окремих одиниць у космосі одночасно.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/