Новий дизайн телескопа з тонкими лінзами може випередити Джеймса Вебба з Ars Technica

Астрономи виявили більше ніж 5000 планет за межами Сонячної системи піти на побачення. Велике питання в тому, чи На якій із цих планет є життя?. Щоб знайти відповідь, швидше за все, знадобиться астрономам Більш потужні телескопи ніж те, що існує сьогодні.

Мені Астроном, який вивчає астробіологію І планети навколо далеких зірок. Протягом останніх семи років я був одним із керівників команди, яка розробляє новий тип космічного телескопа, який може зібрати у 100 разів більше світла, ніж Земля. Космічний телескоп Джеймса Веббанайбільший космічний телескоп, коли-небудь побудований.

Майже всі космічні телескопи, включаючи Hubble і Webb, збирають світло за допомогою дзеркал. запропонований нами телескоп, Космічна обсерваторія НаутілусВін замінить великі важкі дзеркала новими тонкими лінзами, легшими, дешевшими та легшими у виробництві, ніж рефлектори. Завдяки цим відмінностям можна буде запускати на орбіту безліч окремих модулів і створювати потужну мережу телескопів.

Потреба в більших телескопах

Екзопланети — планети, що обертаються навколо зірок, відмінних від Сонця, — є основними цілями для пошуку життя. Астрономам потрібно використовувати гігантські космічні телескопи, які збирають величезну кількість світла Розгляньте ці тьмяні та віддалені предмети.

Сучасні телескопи можуть виявляти малі екзопланети, такі як Земля. Однак, щоб почати вивчати хімічний склад цих планет, потрібна велика чутливість. Навіть Вебб навряд чи достатньо потужний для пошуку Деякі екзопланети для підказок до життя– його називають газів в атмосфері.

Космічний телескоп Джеймса Вебба коштував дорожче 8 мільярдів доларів, а будівництво тривало понад 20 років. Очікується, що наступний флагманський телескоп полетить не раніше 2045 року вартістю 11 мільярдів доларів. Ці амбітні проекти телескопів завжди дорогі та важкі, а в результаті створюють одну потужну, але дуже спеціалізовану обсерваторію.

Новий вид телескопа

У 2016 році космічний гігант Нортроп Грумман Він 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 для екзопланет через 50 років?

Під час наших дискусій ми зрозуміли, що головним вузьким місцем, яке заважає будувати потужніші телескопи, було завдання створення більших дзеркал і виведення їх на орбіту. Щоб обійти це вузьке місце, деякі з нас придумали переглянути стару технологію під назвою заломлюючі лінзи.

Звичайні лінзи використовують заломлення для фокусування світла. Заломлення – це коли світло змінює напрямок Тому що він переходить з одного середовища в інше – тому світло викривляється, коли потрапляє у воду. Навпаки, дифракція виникає, коли світло огинається навколо кутів і перешкод. Градус зі сходинок і кутів, вміло скомпонований на скляній поверхні, може сформувати заломлюючу лінзу.

Перші лінзи цього типу були винайдені французьким вченим Огюстеном-Жаном Френелем у 1819 році для виготовлення легких лінз. маяки. Сьогодні подібні заломлюючі лінзи можна знайти в багатьох компактних споживчих оптиках – від об’єктиви камер до Гарнітури віртуальної реальності.

Заломлюючі лінзи тонкі і прості Він відомий своїми тьмяними зображеннями, тому його ніколи не використовували в астрономічних обсерваторіях. Але якщо ви зможете покращити їх різкість, використання заломлюючих лінз замість дзеркал або заломлюючих лінз дозволить зробити космічний телескоп набагато дешевшим, легшим і більшим.

Тонка лінза з високою роздільною здатністю

Після зустрічі я повернувся до Університету Арізони та вирішив дослідити, чи можуть сучасні технології створювати заломлюючі лінзи кращої якості зображення. Я везучий, Томас Мелстер– один із провідних світових експертів із дизайну рефракційних лінз – працює у будівлі поруч зі мною. Ми зібрали команду і взялися до роботи.

Протягом наступних двох років наша команда винайшла новий тип заломлюючої лінзи, яка вимагала нових технологій виготовлення, щоб викарбувати складний візерунок із 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 Майже ідеальна якість зображенняНабагато краще, ніж попередні рефракційні лінзи.

Оскільки текстура поверхні об’єктива робить фокус, а не товщина, ви можете легко збільшити масштаб об’єктива під час роботи. Зберігаючи його тонким і легким. Більші лінзи збирають більше світла та меншу вагу Дешевші запуски на орбіту– обидва чудові атрибути космічного телескопа.

У серпні 2018 року наша команда виготовила перший прототип — лінзу діаметром 2 дюйми (5 см). Протягом наступних п’яти років ми покращили якість зображення та збільшили розмір. Зараз ми завершуємо створення лінзи діаметром 10 дюймів (24 см), яка буде в 10 разів легша за звичайну заломлюючу лінзу.

Потужність космічного дифракційного телескопа

Цей новий дизайн об’єктива дає змогу переосмислити те, як побудований космічний телескоп. У 2019 році наша команда опублікувала концепцію під назвою Космічна обсерваторія Наутілус.

Використовуючи нову технологію, наша команда вважає можливим створити лінзу діаметром 29,5 футів (8,5 метрів) і товщиною приблизно 0,2 дюйма (0,5 см). Об’єктив і опорна конструкція для нашого нового телескопа можуть важити близько 1100 фунтів (500 кілограмів). Вони втричі легші за дзеркало Вебба такого ж розміру і будуть більші за дзеркало Вебба діаметром 21 фут (6,5 м).

Лінзи також мають інші переваги. По-перше, вони є Набагато простіше і швидше виготовляти з дзеркал Його можна зробити колективно. По-друге, телескопи на основі окуляра добре працюють, навіть якщо вони не ідеально вирівняні, що робить ці телескопи легшими збір І літайте в космосі, а не на дзеркальних телескопах, які вимагають дуже 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 насправді не один телескоп, а сузір’я з 35 окремих модулів телескопа.

Кожен окремий телескоп буде незалежною високочутливою обсерваторією, здатною збирати більше світла, ніж Вебб. Але справжня сила «Наутілуса» виникне в тому, що всі окремі телескопи будуть спрямовані на одну ціль.

Інтегруючи дані з усіх модулів, потужність збору світла Nautilus буде еквівалентна телескопу майже в 10 разів більшому, ніж у Вебба. За допомогою цього потужного телескопа астрономи можуть шукати на сотнях екзопланет гази в їхній атмосфері Відноситься до позаземного життя.

Хоча до запуску космічної обсерваторії «Наутілус» ще далеко, наша команда досягла значного прогресу. Ми продемонстрували всі аспекти технології для роботи в малих прототипах і зараз зосереджені на створенні лінзи діаметром 3,3 фута (1 метр). Наші наступні кроки — відправити маленьку версію телескопа на край космосу на високій повітряній кулі.

З огляду на це, ми будемо готові запропонувати новий революційний космічний телескоп NASA і, сподіваюся, будемо на шляху дослідження сотень світів у пошуках ознак життя.

Даніель АбайЗаступник декана з наукової роботи та професор астрономії та наук про планети. Університет Арізони. Ця стаття була перепублікована з Розмова За ліцензією Creative Commons. Читати Оригінал статті.