RW Space

На сегодняшний день астрономы обнаружили более 5000 планет за пределами Солнечной системы. Главный вопрос заключается в том, есть ли на какой-либо из этих планет жизнь.

Чтобы найти ответ, астрономам, вероятно, потребуются более мощные телескопы, чем существующие сегодня.

Я астроном, изучающий астробиология и планеты вокруг далеких звезд. Последние семь лет я руководил командой, разрабатывающей космический телескоп нового типа, способный собирать в сто раз больше света, чем космический телескоп Джеймса Уэбба, самый большой из когда-либо созданных космических телескопов.

Почти все космические телескопы, включая Хаббл и Уэбб, собирают свет с помощью зеркал. Предлагаемый нами телескоп, космическая обсерватория «Наутилус», заменит большие тяжелые зеркала новой тонкой линзой, которая намного легче, дешевле и проще в производстве, чем зеркальные телескопы.

Из-за этих различий это было бы можно запустить на орбиту множество отдельных единиц и создать мощную сеть телескопов.

Потребность в более крупных телескопах

Экзопланеты — планеты, вращающиеся вокруг звезд, отличных от Солнца, — являются главными целями в поиск жизни. Астрономы должны использовать гигантские космические телескопы, которые собирают огромное количество света, чтобы изучать эти слабые и далекие объекты.

Существующие телескопы могут обнаруживать экзопланеты размером с Землю. Однако требуется гораздо больше чувствительности, чтобы начать узнавать о химическом составе этих планет. Даже Уэббу едва хватает мощности, чтобы искать на некоторых экзопланетах признаки жизни, а именно газы в атмосфере.

Космический телескоп Джеймса Уэбба стоил более 8 миллиардов долларов США, и на его создание ушло более 20 лет. Ожидается, что следующий флагманский телескоп не будет запущен до 2045 года, и его стоимость оценивается в 11 миллиардов долларов.

Эти амбициозные проекты телескопов всегда дороги и трудоемки и позволяют создать единую мощную, но очень специализированную обсерваторию.

Новый вид телескопа

В 2016 году аэрокосмический гигант Northrop Grumman пригласил меня и еще 14 профессоров и ученых НАСА — специалистов по экзопланетам и поиску внеземной жизни — в Лос-Анджелес, чтобы ответить на один вопрос: как будут выглядеть экзопланетные космические телескопы через 50 лет?

В ходе наших дискуссий мы поняли, что основным узким местом, препятствующим строительству более мощных телескопов, является проблема изготовления зеркал большего размера и вывода их на орбиту.

Чтобы обойти это узкое место, некоторым из нас пришла в голову идея пересмотреть старую технологию, называемую дифракционными линзами.

Обычные линзы используют преломление для фокусировки света. Преломление — это когда свет меняет направление при переходе из одной среды в другую — это причина, по которой свет изгибается, когда попадает в воду.

Напротив, дифракция — это когда свет огибает углы и препятствия. Умело расположенные ступени и углы на поверхности стекла могут образовывать дифракционную линзу.

Первые такие линзы были изобретены французским ученым Огюстеном-Жаном Френелем в 1819 году для создания легких линз для маяков. Сегодня подобные дифракционные линзы можно найти во многих малогабаритных потребительских оптиках — от объективов фотоаппаратов до гарнитур виртуальной реальности.

Тонкие, простые дифракционные линзы печально известны своим размытым изображением, поэтому они никогда не использовались в астрономических обсерваторий.

Но если бы можно было улучшить их четкость, используя дифракционные линзы вместо зеркал или рефракционных линз, это позволило бы космическому телескопу значительно дешевле, легче и больше.

После встречи я вернулся в Аризонский университет и решил выяснить, могут ли современные технологии производить дифракционные линзы с лучшим качеством изображения. .

К счастью для меня, Томас Мильстер — один из ведущих мировых экспертов по дизайну дифракционных линз — работает в соседнем здании. Мы сформировали команду и приступили к работе.

В течение следующих двух лет наша команда изобрела новый тип дифракционной линзы, для которой потребовались новые производственные технологии для вытравливания сложного узора из крошечных канавок на куске прозрачного стекла. или пластик. Особый рисунок и форма разрезов фокусируют падающий свет в одну точку позади линзы.

Новый дизайн обеспечивает изображение почти идеального качества, намного лучше, чем у предыдущих дифракционных линз.

Поскольку именно текстура поверхности линзы отвечает за фокусировку, а не толщина, вы можете легко увеличить линзу, в то время как делая его очень тонким и легким. Большие линзы собирают больше света, а малый вес означает более дешевые запуски на орбиту — и то, и другое является отличным качеством для космического телескопа.

В августе 2018 года наша команда создала первый прототип — 2-дюймовый (5-сантиметровый) телескоп. диаметр объектива. В течение следующих пяти лет мы еще больше улучшили качество изображения и увеличили размер.

Сейчас мы завершаем работу над объективом диаметром 10 дюймов (24 см), который будет более чем в 10 раз легче обычного будет рефракционная линза.

Сила дифракционного космического телескопа

Эта новая конструкция линзы позволяет переосмыслить то, как может быть построен космический телескоп.

В В 2019 году наша команда опубликовала концепцию под названием «Космическая обсерватория Наутилус».

Используя новую технологию, наша команда считает возможным построить линзу диаметром 8,5 метра, которая будет составлять всего около 0,2 дюйма (0,5 см) толщиной. Линза и опорная конструкция нашего нового телескопа могут весить около 1100 фунтов (500 кг). Это более чем в три раза легче, чем зеркало Уэбба аналогичного размера, и будет больше, чем зеркало Уэбба диаметром 21 фут (6,5 метра).

У линз есть и другие преимущества.

Во-первых, их намного проще и быстрее изготовить, чем зеркала, и их можно производить массово.

Во-вторых, телескопы на основе линз работают хорошо, даже если они не идеально выровнены, что упрощает их изготовление. собирать и летать в космосе, чем зеркальные телескопы, которые требуют чрезвычайно точной настройки.

Наконец, поскольку один модуль «Наутилус» был бы легким и относительно дешевым в производстве, их можно было бы разместить десятками. на орбиту. Наша текущая конструкция на самом деле представляет собой не один телескоп, а группу из 35 отдельных телескопов.

Каждый отдельный телескоп будет независимой, высокочувствительной обсерваторией, способной собирать больше света, чем Уэбб. Но реальная сила Наутилуса будет заключаться в том, чтобы направить все отдельные телескопы на одну цель.

Объединяя данные со всех устройств, светособирающая способность Наутилуса будет равна телескопу, почти в 10 раз больше, чем Уэбб. . С помощью этого мощного телескопа астрономы смогут искать на сотнях экзопланет атмосферные газы, которые могут указывать на внеземную жизнь.

Хотя до запуска космической обсерватории «Наутилус» еще далеко, наша команда добилась большого прогресса. Мы показали, что все аспекты технологии работают в небольших прототипах, и сейчас сосредоточены на создании объектива диаметром 3,3 фута (1 метр).

Нашим следующим шагом будет отправка уменьшенной версии телескоп на краю космоса на высотном воздушном шаре.

С этим мы будем готовы предложить НАСА новый революционный космический телескоп и, надеюсь, будем на пути к исследованию сотен миров. для подписей жизни. lightbox-basic» alt=»The Conversation» width=»1″ height=»1″ referrerpolicy=»no-referrer-when-downgrade»>

Дэниел Апаи, заместитель декана по исследованиям и Профессор астрономии и планетарных наук Аризонского университета

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.