Astronomowie odkryli więcej niż 5000 planet poza Układem Słonecznym iść na randkę. Wielkie pytanie brzmi: czy Na której z tych planet istnieje życie?. Aby znaleźć odpowiedź, astronomowie prawdopodobnie będą potrzebować Mocniejsze teleskopy niż to, co istnieje dzisiaj.
Ja jestem Astronom zajmujący się astrobiologią I planety wokół odległych gwiazd. Przez ostatnie siedem lat współkierowałem zespołem opracowującym nowy typ teleskopu kosmicznego, który może zebrać 100 razy więcej światła niż Ziemia. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webbanajwiększy teleskop kosmiczny, jaki kiedykolwiek zbudowano.
Prawie wszystkie teleskopy kosmiczne, w tym Hubble i Webb, zbierają światło za pomocą luster. proponowany przez nas teleskop, Obserwatorium Kosmiczne NautilusZastąpi duże, ciężkie lustra nową cienką soczewką, która jest lżejsza, tańsza i łatwiejsza w produkcji niż teleskopy zwierciadlane. Dzięki tym różnicom będzie można wystrzelić na orbitę wiele pojedynczych modułów i stworzyć potężną sieć teleskopów.
Potrzeba większych teleskopów
Egzoplanety – planety krążące wokół gwiazd innych niż Słońce – są głównymi celami poszukiwań życia. Astronomowie muszą używać gigantycznych teleskopów kosmicznych, które zbierają ogromne ilości światła Zbadaj te słabe i odległe obiekty.
Obecne teleskopy mogą wykrywać małe egzoplanety, takie jak Ziemia. Jednak potrzeba dużej wrażliwości, aby zacząć poznawać skład chemiczny tych planet. Nawet Webb nie jest wystarczająco potężny, by szukać Niektóre egzoplanety dla wskazówek dotyczących życia-jest on nazywany gazy w atmosferze.
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba kosztował ponad 8 miliardów dolarów, a budowa trwała ponad 20 lat. Oczekuje się, że następny flagowy teleskop nie będzie latał przed 2045 rokiem i szacuje się, że tak będzie kosztował 11 miliardów dolarów. Te ambitne projekty teleskopów są zawsze kosztowne i żmudne, a ich efektem jest jedno potężne – ale bardzo wyspecjalizowane – obserwatorium.
Nowy rodzaj teleskopu
W 2016 roku kosmiczny gigant Northropa Grummana Zaprosił mnie i 14 innych profesorów i naukowców NASA – wszystkich ekspertów w dziedzinie egzoplanet i poszukiwania życia pozaziemskiego – do Los Angeles, aby odpowiedzieć na jedno pytanie: jak teleskopy kosmiczne będą wyglądać dla egzoplanet za 50 lat?
W naszych dyskusjach zdaliśmy sobie sprawę, że głównym wąskim gardłem uniemożliwiającym budowanie potężniejszych teleskopów było wyzwanie polegające na wykonaniu większych luster i umieszczeniu ich na orbicie. Aby ominąć to wąskie gardło, kilku z nas wpadło na pomysł ponownego przyjrzenia się starej technologii zwanej soczewkami refrakcyjnymi.
Konwencjonalne soczewki wykorzystują refrakcję do skupiania światła. Załamanie występuje, gdy światło zmienia kierunek Ponieważ przechodzi z jednego ośrodka do drugiego – dlatego światło załamuje się, gdy wchodzi do wody. Natomiast dyfrakcja występuje, gdy światło załamuje się wokół narożników i przeszkód. Wzór stopni i kątów sprytnie ułożonych na szklanej powierzchni może tworzyć soczewkę refrakcyjną.
Pierwsze soczewki tego typu zostały wynalezione przez francuskiego naukowca Augustina-Jeana Fresnela w 1819 roku w celu zapewnienia lekkich soczewek latarnie morskie. Dziś podobne soczewki refrakcyjne można znaleźć w wielu kompaktowych optykach konsumenckich – od obiektywy aparatu Do Gogle wirtualnej rzeczywistości.
Soczewki refrakcyjne są cienkie i proste Znany jest z nijakich obrazów, więc nigdy nie był używany w obserwatoriach astronomicznych. Ale jeśli możesz poprawić ich ostrość, użycie soczewek refrakcyjnych zamiast luster lub soczewek refrakcyjnych sprawi, że teleskop kosmiczny będzie znacznie tańszy, lżejszy i większy.
Cienki obiektyw o wysokiej rozdzielczości
Po spotkaniu wróciłem na Uniwersytet Arizony i postanowiłem zbadać, czy nowoczesna technologia może wyprodukować soczewki refrakcyjne o lepszej jakości obrazu. Jestem szczęściarzem, Tomasza Melstera– jeden z czołowych światowych ekspertów w projektowaniu soczewek refrakcyjnych – pracuje w budynku obok mnie. Stworzyliśmy drużynę i zabraliśmy się do pracy.
W ciągu następnych dwóch lat nasz zespół wynalazł nowy typ soczewki refrakcyjnej, który wymagał nowych technik wytwarzania, aby wytrawić skomplikowany wzór maleńkich rowków na kawałku przezroczystego szkła lub plastiku. Specyficzny wzór i kształt nacięć skupia wpadające światło w jednym punkcie za soczewką. Nowy projekt produkuje Prawie idealna jakość obrazuZnacznie lepsze niż poprzednie soczewki refrakcyjne.
Ponieważ to tekstura powierzchni obiektywu decyduje o ostrości, a nie grubość, możesz z łatwością przybliżyć obiektyw, gdy jesteś przy nim Utrzymując go smukłym i lekkim. Większe soczewki zbierają więcej światła i oznaczają niższą wagę Tańsze starty na orbitę– obie wielkie cechy teleskopu kosmicznego.
W sierpniu 2018 roku nasz zespół wyprodukował pierwszy prototyp, obiektyw o średnicy 2 cali (5 cm). W ciągu następnych pięciu lat poprawiliśmy jakość obrazu i zwiększyliśmy rozmiar. Kończymy obecnie prace nad soczewką o średnicy 10 cali (24 cm), która będzie 10 razy lżejsza niż konwencjonalna soczewka refrakcyjna.
Moc Kosmicznego Teleskopu Dyfrakcyjnego
Ta nowa konstrukcja obiektywu umożliwia ponowne przemyślenie sposobu budowy teleskopu kosmicznego. W 2019 roku nasz zespół opublikował koncepcję pt Obserwatorium Kosmiczne Nautilus.
Nasz zespół uważa, że przy użyciu nowej technologii możliwe jest zbudowanie obiektywu o średnicy 29,5 stopy (8,5 metra) i grubości zaledwie około 0,2 cala (0,5 cm). Soczewka i konstrukcja nośna naszego nowego teleskopu mogą ważyć około 1100 funtów (500 kilogramów). Są trzy razy lżejsze niż lustro Webba o podobnej wielkości i będą większe niż lustro Webba o średnicy 21 stóp (6,5 m).
Soczewki mają też inne zalety. Po pierwsze, są Dużo łatwiej i szybciej być zrobione z luster Można to zrobić zbiorowo. Po drugie, teleskopy oparte na okularach działają dobrze, nawet jeśli nie są idealnie wyrównane, co czyni te teleskopy łatwiejszymi zgromadzenie I latać w kosmosie zamiast teleskopów zwierciadlanych, które wymagają bardzo precyzyjnego ustawienia.
Wreszcie, ponieważ pojedynczy Nautilus byłby lekki i stosunkowo tani w produkcji, można by umieścić na orbicie ich dziesiątki. Nasz obecny projekt nie jest w rzeczywistości pojedynczym teleskopem, ale konstelacją 35 pojedynczych modułów teleskopowych.
Każdy pojedynczy teleskop będzie niezależnym, bardzo czułym obserwatorium, zdolnym do zbierania większej ilości światła niż Webba. Ale prawdziwa moc Nautilusa będzie pochodzić z nakierowania wszystkich poszczególnych teleskopów na jeden cel.
Łącząc dane ze wszystkich modułów, zdolność Nautilusa do zbierania światła byłaby porównywalna z teleskopem prawie 10 razy większym od teleskopu Webba. Za pomocą tego potężnego teleskopu astronomowie mogą przeszukiwać setki egzoplanet w poszukiwaniu gazów w ich atmosferach Odnosi się do życia pozaziemskiego.
Chociaż Obserwatorium Kosmiczne Nautilus jest jeszcze daleko od startu, nasz zespół poczynił duże postępy. Pokazaliśmy, że wszystkie aspekty tej technologii działają w prototypach na małą skalę, a teraz koncentrujemy się na zbudowaniu obiektywu o średnicy 3,3 stopy (1 metr). Naszym kolejnym krokiem jest wysłanie małej wersji teleskopu na skraj kosmosu na wysokim balonie.
Powiedziawszy to, będziemy gotowi zaproponować rewolucyjny nowy teleskop kosmiczny NASA i miejmy nadzieję, że będziemy na dobrej drodze do zbadania setek światów w poszukiwaniu sygnatur życia.
Daniel AbajProdziekan ds. badań i profesor astronomii i nauk planetarnych. Uniwersytet Arizony. Ten artykuł został ponownie opublikowany z Rozmowa Na licencji Creative Commons. Przeczytać Oryginalny artykuł.
„Introwertyk. Myśliciel. Rozwiązuje problemy. Specjalista od złego piwa. Skłonny do apatii. Ekspert od mediów społecznościowych. Wielokrotnie nagradzany fanatyk jedzenia.”
