Tạm biệt những chiếc gương: Kính viễn vọng này có thể thu được nhiều ánh sáng hơn 100 lần so với James Webb

Tạm biệt những chiếc gương: Kính viễn vọng này có thể thu được nhiều ánh sáng hơn 100 lần so với James Webb

Dấu thời gian: 12:2023 sáng ngày 10 tháng 49 năm XNUMX

Các nhà thiên văn học đã khám phá ra hơn 5,000 hành tinh ngoài hệ mặt trời cho đến nay. Câu hỏi lớn là liệu bất kỳ hành tinh nào trong số này là nhà của sự sống. Để tìm ra câu trả lời, các nhà thiên văn học có thể sẽ cần kính thiên văn mạnh hơn hơn tồn tại ngày nay.

tôi là nhà thiên văn học nghiên cứu sinh học vũ trụ và các hành tinh xung quanh các ngôi sao xa xôi. Trong bảy năm qua, tôi đã đồng lãnh đạo một nhóm đang phát triển một loại kính viễn vọng không gian mới có thể thu được lượng ánh sáng gấp hàng trăm lần so với Kính viễn vọng Không gian James Webb, kính viễn vọng không gian lớn nhất từng được chế tạo.

Hầu như tất cả các kính viễn vọng không gian, kể cả Hubble và Webb, đều thu thập ánh sáng bằng gương. Kính viễn vọng đề xuất của chúng tôi, các Đài thiên văn vũ trụ Nautilus, sẽ thay thế những chiếc gương lớn, nặng bằng một thấu kính mỏng, mới, nhẹ hơn, rẻ hơn và dễ sản xuất hơn nhiều so với kính thiên văn được nhân đôi. Do những khác biệt này, có thể phóng nhiều đơn vị riêng lẻ vào quỹ đạo và tạo ra một mạng lưới kính viễn vọng mạnh mẽ.

Nhu cầu về kính viễn vọng lớn hơn

Các ngoại hành tinh—các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác ngoài mặt trời—là những mục tiêu chính trong quá trình tìm kiếm sự sống. Các nhà thiên văn học cần sử dụng kính viễn vọng không gian khổng lồ thu thập lượng ánh sáng khổng lồ để nghiên cứu những vật thể mờ nhạt và xa xăm này.

Các kính viễn vọng hiện có có thể phát hiện các ngoại hành tinh nhỏ như Trái đất. Tuy nhiên, cần phải nhạy cảm hơn rất nhiều để bắt đầu tìm hiểu về thành phần hóa học của các hành tinh này. Ngay cả Kính viễn vọng Không gian James Webb cũng chỉ vừa đủ mạnh để tìm kiếm một số ngoại hành tinh cho manh mối của sự sốngGiáo dục khí trong khí quyển.

Webb có giá cao hơn 8 tỷ USD và mất hơn 20 năm để xây dựng. Kính viễn vọng hàng đầu tiếp theo dự kiến ​​sẽ không bay trước năm 2045 và ước tính sẽ trị giá $ 11 tỷ. Những dự án kính viễn vọng đầy tham vọng này luôn tốn kém, tốn nhiều công sức và tạo ra một đài quan sát duy nhất mạnh mẽ nhưng rất chuyên dụng.

Một loại kính thiên văn mới

Năm 2016, gã khổng lồ hàng không vũ trụ Northrop Grumman đã mời tôi và 14 giáo sư khác và các nhà khoa học của NASA—tất cả đều là chuyên gia về các ngoại hành tinh và tìm kiếm sự sống ngoài trái đất—đến Los Angeles để trả lời một câu hỏi: Kính viễn vọng ngoài hành tinh sẽ trông như thế nào sau 50 năm nữa?

Trong các cuộc thảo luận của chúng tôi, chúng tôi nhận ra rằng một nút cổ chai lớn ngăn cản việc chế tạo các kính thiên văn mạnh hơn là thách thức trong việc chế tạo những chiếc gương lớn hơn và đưa chúng vào quỹ đạo. Để vượt qua nút cổ chai này, một số người trong chúng tôi đã nảy ra ý tưởng xem xét lại một công nghệ cũ gọi là thấu kính nhiễu xạ.

Thấu kính thông thường sử dụng khúc xạ để tập trung ánh sáng. Khúc xạ là khi ánh sáng thay đổi hướng khi nó truyền từ môi trường này sang môi trường khác—đó là lý do ánh sáng bị bẻ cong khi đi vào nước. Ngược lại, nhiễu xạ là khi ánh sáng uốn cong quanh các góc và chướng ngại vật. Một mô hình các bước và góc được sắp xếp khéo léo trên bề mặt thủy tinh có thể tạo thành một thấu kính nhiễu xạ.

Những thấu kính đầu tiên như vậy được phát minh bởi nhà khoa học người Pháp Augustin-Jean Fresnel vào năm 1819 để cung cấp những thấu kính nhẹ cho ngọn hải đăng. Ngày nay, các thấu kính nhiễu xạ tương tự có thể được tìm thấy trong nhiều thiết bị quang học tiêu dùng cỡ nhỏ, từ ống kính máy ảnh đến tai nghe thực tế ảo.

Thấu kính nhiễu xạ mỏng, đơn giản là nổi tiếng với hình ảnh mờ của họ, vì vậy chúng chưa bao giờ được sử dụng trong các đài quan sát thiên văn. Nhưng nếu bạn có thể cải thiện độ trong của chúng, thì việc sử dụng thấu kính nhiễu xạ thay vì gương hoặc thấu kính khúc xạ sẽ cho phép kính viễn vọng không gian rẻ hơn, nhẹ hơn và lớn hơn nhiều.

Ống kính mỏng, độ phân giải cao

Sau cuộc họp, tôi trở lại Đại học Arizona và quyết định tìm hiểu xem liệu công nghệ hiện đại có thể tạo ra thấu kính nhiễu xạ với chất lượng hình ảnh tốt hơn hay không. May mắn cho tôi, Thomas Milster—một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới về thiết kế thấu kính nhiễu xạ—làm việc ở tòa nhà bên cạnh tôi. Chúng tôi thành lập một đội và bắt tay vào việc.

Trong hai năm sau đó, nhóm của chúng tôi đã phát minh ra một loại thấu kính nhiễu xạ mới đòi hỏi công nghệ sản xuất mới để khắc một mô hình phức tạp gồm các rãnh nhỏ lên một mảnh thủy tinh hoặc nhựa trong suốt. Kiểu và hình dạng cụ thể của các vết cắt sẽ tập trung ánh sáng tới vào một điểm duy nhất phía sau thấu kính. Thiết kế mới tạo ra một hình ảnh chất lượng gần như hoàn hảo, tốt hơn nhiều so với các thấu kính nhiễu xạ trước đây.

Bởi vì chính kết cấu bề mặt của thấu kính mới làm nhiệm vụ lấy nét chứ không phải độ dày, nên bạn có thể dễ dàng làm cho thấu kính to hơn trong khi giữ cho nó rất mỏng và nhẹ. Thấu kính lớn hơn thu được nhiều ánh sáng hơn và trọng lượng thấp có nghĩa là phóng lên quỹ đạo rẻ hơn—cả hai đặc điểm tuyệt vời cho kính viễn vọng không gian.

Vào tháng 2018 năm 10, nhóm của chúng tôi đã sản xuất nguyên mẫu đầu tiên, một thấu kính có đường kính hai inch (năm centimet). Trong năm năm tiếp theo, chúng tôi đã cải thiện hơn nữa chất lượng hình ảnh và tăng kích thước. Chúng tôi hiện đang hoàn thiện một thấu kính có đường kính 24 inch (10 cm) nhẹ hơn XNUMX lần so với thấu kính khúc xạ thông thường.

Sức mạnh của Kính viễn vọng Không gian Nhiễu xạ

Thiết kế thấu kính mới này giúp chúng ta có thể suy nghĩ lại về cách chế tạo kính viễn vọng không gian. Vào năm 2019, nhóm của chúng tôi đã xuất bản một khái niệm có tên là Đài thiên văn vũ trụ Nautilus.

Bằng cách sử dụng công nghệ mới, nhóm của chúng tôi cho rằng có thể chế tạo một thấu kính có đường kính 29.5 foot (8.5 mét) chỉ dày khoảng 0.2 inch (0.5 cm). Thấu kính và cấu trúc hỗ trợ của kính viễn vọng mới của chúng tôi có thể nặng khoảng 1,100 pound (500 kg). Cái này nhẹ hơn ba lần so với một chiếc gương kiểu Webb có kích thước tương tự và sẽ lớn hơn chiếc gương có đường kính 21 foot (6.5 mét) của Webb.

Một vật hình cầu trong không gian với một mặt thấu kính.
Thấu kính mỏng cho phép nhóm thiết kế một chiếc kính viễn vọng nhẹ hơn, rẻ hơn mà họ đặt tên là Đài quan sát vũ trụ Nautilus. Daniel Apai/Đại học Arizona, CC BY-NĐ

Các ống kính cũng có những lợi ích khác. Đầu tiên, họ là dễ dàng hơn và nhanh hơn để chế tạo hơn gương và có thể được thực hiện hàng loạt. Thứ hai, kính thiên văn dựa trên thấu kính hoạt động tốt ngay cả khi không được căn chỉnh hoàn hảo, giúp những kính viễn vọng này dễ dàng hơn lắp ráp và bay trong không gian hơn so với kính viễn vọng dựa trên gương, vốn đòi hỏi sự liên kết cực kỳ chính xác.

Cuối cùng, vì một đơn vị Nautilus đơn lẻ sẽ nhẹ và tương đối rẻ để sản xuất, nên có thể đưa hàng chục đơn vị này vào quỹ đạo. Thiết kế hiện tại của chúng tôi trên thực tế không phải là một chiếc kính thiên văn đơn lẻ, mà là một chòm sao gồm 35 đơn vị kính thiên văn riêng lẻ.

Mỗi kính thiên văn riêng lẻ sẽ là một đài quan sát độc lập, có độ nhạy cao, có thể thu được nhiều ánh sáng hơn Webb. Nhưng sức mạnh thực sự của Nautilus sẽ đến từ việc hướng tất cả các kính viễn vọng riêng lẻ về một mục tiêu duy nhất.

Bằng cách kết hợp dữ liệu từ tất cả các đơn vị, sức mạnh thu thập ánh sáng của Nautilus sẽ tương đương với kính viễn vọng lớn hơn Webb gần 10 lần. Với kính viễn vọng mạnh mẽ này, các nhà thiên văn học có thể tìm kiếm hàng trăm ngoại hành tinh để tìm các loại khí trong khí quyển có thể chỉ ra sự sống ngoài trái đất.

Mặc dù Đài quan sát không gian Nautilus vẫn còn lâu mới được ra mắt, nhóm của chúng tôi đã đạt được rất nhiều tiến bộ. Chúng tôi đã chỉ ra rằng tất cả các khía cạnh của công nghệ đều hoạt động trong các nguyên mẫu quy mô nhỏ và hiện đang tập trung vào việc chế tạo thấu kính có đường kính 3.3 foot (1 mét). Các bước tiếp theo của chúng tôi là gửi một phiên bản nhỏ của kính viễn vọng đến rìa không gian trên khinh khí cầu tầm cao.

Cùng với đó, chúng tôi sẽ sẵn sàng đề xuất một kính viễn vọng không gian mới mang tính cách mạng cho NASA và hy vọng sẽ tiếp tục khám phá hàng trăm thế giới để tìm kiếm dấu hiệu của sự sống.Conversation

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Ảnh: Katie Yung, Daniel Apai/Đại học Arizona và AllThingsSpace /SketchFab, CC BY-NĐ. Một thiết kế kính viễn vọng không gian nhẹ, rẻ tiền sẽ giúp đưa nhiều đơn vị riêng lẻ vào không gian cùng một lúc.

Dấu thời gian:

Thêm từ Trung tâm cá biệt