再见镜子：这款望远镜收集的光线比詹姆斯·韦伯望远镜多 100 倍

天文学家已发现超过 太阳系外 5,000 颗行星 迄今为止。 最重要的问题是是否 这些行星中的任何一个都是生命的家园。 为了找到答案，天文学家可能需要 更强大的望远镜 比今天存在的。

我是一个 研究天体生物学的天文学家 以及遥远恒星周围的行星。 在过去的七年里，我一直在共同领导一个团队，该团队正在开发一种新型太空望远镜，它可以收集比普通太空望远镜多一百倍的光。 詹姆斯韦伯太空望远镜，有史以来最大的太空望远镜。

几乎所有太空望远镜，包括哈勃望远镜和韦伯望远镜，都使用镜子收集光线。 我们提出的望远镜， 鹦鹉螺太空天文台，将用一种新颖的薄透镜取代又大又重的镜子，这种透镜比镜面望远镜更轻、更便宜、更容易生产。 由于这些差异，有可能将许多单独的单元发射到轨道并创建一个强大的望远镜网络。

对更大望远镜的需求

系外行星——围绕太阳以外的恒星运行的行星——是寻找生命的主要目标。 天文学家需要使用巨型太空望远镜来收集大量的光 研究这些微弱而遥远的物体.

现有的望远镜可以探测到像地球一样小的系外行星。 然而，需要更高的敏感性才能开始了解这些行星的化学成分。 即使是詹姆斯·韦伯太空望远镜也仅仅够强大来进行搜索 某些系外行星寻找生命的线索—即 大气中的气体.

韦伯的成本超过 耗资 8 亿美元，耗时 20 多年建造。 下一个旗舰望远镜预计不会在 2045 年之前飞行，预计 成本$ 11十亿。 这些雄心勃勃的望远镜项目总是昂贵、费力，并且产生一个强大但非常专业的天文台。

一种新型望远镜

2016年，航天巨头 诺斯罗普·格鲁曼公司 邀请我和其他 14 名教授和 NASA 科学家——所有系外行星和寻找外星生命的专家——来到洛杉矶回答一个问题：50 年后系外行星太空望远镜会是什么样子？

在我们的讨论中，我们意识到阻碍建造更强大望远镜的一个主要瓶颈是制造更大的镜子并将其送入轨道的挑战。 为了绕过这个瓶颈，我们中的一些人提出了重新审视一种称为衍射透镜的旧技术的想法。

传统镜头利用折射来聚焦光线。 折射是光改变方向时的现象 当它从一种介质传递到另一种介质时——这就是光进入水中时发生弯曲的原因。 相反，衍射是指光线绕过角落和障碍物时发生弯曲。 玻璃表面上巧妙排列的台阶和角度图案可以形成衍射透镜。

第一个此类镜片由法国科学家 Augustin-Jean Fresnel 于 1819 年发明，旨在为 灯塔。 如今，类似的衍射透镜可以在许多小型消费光学器件中找到，例如 相机镜头 至 虚拟现实耳机.

薄而简单的衍射透镜 因其模糊的图像而臭名昭著，所以它们从未被用于天文台。 但如果你能提高它们的清晰度，使用衍射透镜代替镜子或折射透镜将使太空望远镜变得更便宜、更轻、更大。

薄型高分辨率镜头

会议结束后，我回到亚利桑那大学，决定探索现代技术是否可以生产出图像质量更好的衍射镜头。 对我来说幸运的是， 托马斯·米尔斯特——世界领先的衍射透镜设计专家之一——在我旁边的大楼里工作。 我们组建了一个团队并开始工作。

在接下来的两年里，我们的团队发明了一种新型衍射透镜，需要新的制造技术在一块透明玻璃或塑料上蚀刻出复杂的微小凹槽图案。 切口的特定图案和形状将入射光聚焦到镜头后面的单个点。 新设计产生了 近乎完美的图像质量，远远优于以前的衍射镜头。

因为聚焦的是镜片的表面纹理，而不是厚度，所以您可以轻松地将镜片做得更大，同时 保持非常薄和轻。 更大的镜头收集更多的光线，重量更轻意味着 更便宜的发射到轨道——这对于太空望远镜来说都是伟大的特征。

2018年10月，我们的团队生产了第一个原型，一个两英寸（五厘米）直径的镜头。 在接下来的五年里，我们进一步提高了图像质量并增加了尺寸。 我们现在正在完成直径为 24 英寸（10 厘米）的镜片，其重量比传统折射镜片轻 XNUMX 倍以上。

衍射太空望远镜的威力

这种新的镜头设计使得重新思考如何建造太空望远镜成为可能。 2019年，我们团队发布了一个概念，称为 鹦鹉螺太空天文台.

我们的团队认为，利用新技术，可以制造直径为 29.5 英尺（8.5 米）、厚度仅为约 0.2 英寸（0.5 厘米）的透镜。 我们新望远镜的镜头和支撑结构重约 1,100 磅（500 公斤）。 它比类似尺寸的韦伯式镜子轻三倍多，并且比韦伯直径 21 英尺（6.5 米）的镜子更大。

这些镜片还有其他优点。 首先，他们是 更容易、更快捷 比镜子还要制造 并且可以批量制作。 其次，基于透镜的望远镜即使在未完美对准的情况下也能正常工作，这使得这些望远镜更容易 聚集 与基于镜面的望远镜相比，它可以在太空中飞行，后者需要极其精确的对准。

最后，由于单个鹦鹉螺装置重量轻且生产成本相对较低，因此可以将数十个鹦鹉螺装置送入轨道。 事实上，我们目前的设计并不是一个单一的望远镜，而是由 35 个独立望远镜单元组成的星座。

每个单独的望远镜都将是一个独立的、高度敏感的天文台，能够收集比韦伯更多的光。 但鹦鹉螺号的真正威力来自于将所有单独的望远镜转向一个目标。

通过综合所有装置的数据，Nautilus 的集光能力相当于比韦伯望远镜大近 10 倍的望远镜。 借助这台强大的望远镜，天文学家可以在数百颗系外行星中搜索可能存在的大气气体。 表明外星生命.

尽管鹦鹉螺太空天文台距离发射还有很长的路要走，但我们的团队已经取得了很大的进展。 我们已经证明该技术的各个方面都可以在小型原型中发挥作用，现在正专注于构建直径 3.3 英尺（1 米）的镜头。 我们下一步的计划是通过高空气球将小型望远镜发送到太空边缘。

有了这个，我们将准备好向美国宇航局提出革命性的新型太空望远镜，并希望能够探索数百个世界寻找生命特征。

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

图片来源： Katie Yung、Daniel Apai/亚利桑那大学和 AllThingsSpace /SketchFab, CC BY-ND. 轻型、廉价的太空望远镜设计可以将许多单独的单元同时放入太空。

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• Sumber: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/