Yeni, ince mercekli bir teleskop tasarımı, James Webb’i çok geride bırakabilir; güle güle aynalar, merhaba kırınımlı mercekler

Astronomlar daha fazlasını keşfetti Güneş sisteminin dışında 5.000 gezegen bugüne kadar. Asıl soru, bu gezegenlerden herhangi birinin yaşama ev sahipliği yapıp yapmadığıdır. Cevabı bulmak için, gökbilimcilerin muhtemelen ihtiyacı olacak daha güçlü teleskoplar bugün var olandan

ben bir astrobiyoloji okuyan astronom ve uzak yıldızların etrafındaki gezegenler. Son yedi yıldır, şimdiye kadar yapılmış en büyük uzay teleskobu olan James Webb Uzay Teleskobu’ndan yüz kat daha fazla ışık toplayabilen yeni bir tür uzay teleskobu geliştiren bir ekibin eş liderliğini yapıyorum.

Hubble ve Webb dahil olmak üzere neredeyse tüm uzay teleskopları aynaları kullanarak ışık toplar. Önerdiğimiz teleskop, Nautilus Uzay Gözlemevi, büyük, ağır aynaları aynalı teleskoplardan çok daha hafif, daha ucuz ve üretimi daha kolay olan yeni, ince bir mercekle değiştirecekti. Bu farklılıklar nedeniyle, birçok bireysel birimi yörüngeye fırlatmak ve güçlü bir teleskop ağı oluşturmak mümkün olacaktır.

Daha büyük teleskoplara olan ihtiyaç

Dış gezegenler -Güneş dışındaki yıldızların yörüngesinde dönen gezegenler- yaşam arayışında başlıca hedeflerdir. Gökbilimcilerin, büyük miktarlarda ışık toplayan dev uzay teleskoplarını kullanmaları gerekiyor. bu soluk ve uzaktaki nesneleri inceleyin.

Mevcut teleskoplar, Dünya kadar küçük dış gezegenleri tespit edebilir. Bununla birlikte, bu gezegenlerin kimyasal bileşimi hakkında bilgi edinmeye başlamak için çok daha fazla hassasiyet gerekir. Webb bile ancak arama yapacak kadar güçlüdür. yaşam ipuçları için belirli ötegezegenler— yani atmosferdeki gazlar.

James Webb Uzay Teleskobu’nun maliyeti 8 milyar ABD doları ve yapımı 20 yıldan fazla sürdü. Bir sonraki amiral gemisi teleskopunun 2045’ten önce uçması beklenmiyor ve tahmin ediliyor. 11 milyar dolara mal oldu. Bu iddialı teleskop projeleri her zaman pahalıdır, zahmetlidir ve tek bir güçlü -ama çok uzmanlaşmış- gözlemevi üretir.

Yeni bir tür teleskop

2016 yılında havacılık devi Northrop Grumman beni ve diğer 14 profesörü ve NASA bilim adamlarını -hepsi dış gezegenler ve dünya dışı yaşam araştırmaları konusunda uzmanlar- bir soruyu cevaplamak için Los Angeles’a davet etti: Ötegezegen uzay teleskopları 50 yıl sonra nasıl görünecek?

Tartışmalarımızda, daha güçlü teleskopların inşasını engelleyen en büyük darboğazın, daha büyük aynalar yapıp onları yörüngeye oturtma zorluğu olduğunu fark ettik. Bu darboğazı atlatmak için, aramızdan birkaçı kırınımlı mercekler adı verilen eski bir teknolojiyi yeniden gözden geçirme fikrini ortaya attı.

Geleneksel lensler, ışığı odaklamak için kırılma kullanır. Kırılma, ışığın bir ortamdan diğerine geçerken yön değiştirmesidir – ışığın suya girdiğinde bükülmesinin nedeni budur. Buna karşılık kırınım, ışığın köşelerin ve engellerin etrafından bükülmesidir. Bir cam yüzey üzerinde akıllıca düzenlenmiş basamaklar ve açılar kırınımlı bir mercek oluşturabilir.

Bu tür ilk lensler, 1819’da Fransız bilim adamı Augustin-Jean Fresnel tarafından hafif lensler sağlamak için icat edildi. fenerler. Bugün, benzer kırınımlı mercekler birçok küçük boyutlu tüketici optiğinde bulunabilir – kamera lensleri ile sanal gerçeklik kulaklıkları.

İnce, basit kırınımlı mercekler bulanık görüntüleri ile ünlü, yani astronomik gözlemevlerinde hiç kullanılmadılar. Ancak netliklerini artırabilseydiniz, aynalar veya kırıcı mercekler yerine kırınımlı mercekler kullanmak bir uzay teleskobunun çok daha ucuz, daha hafif ve daha büyük olmasını sağlardı.

İnce, yüksek çözünürlüklü bir lens

Toplantıdan sonra Arizona Üniversitesi’ne döndüm ve modern teknolojinin daha iyi görüntü kalitesine sahip kırınımlı mercekler üretip üretemeyeceğini araştırmaya karar verdim. Benim için şanslı, Thomas Milsterkırınımlı mercek tasarımı konusunda dünyanın önde gelen uzmanlarından biri benim yanımdaki binada çalışıyor. Bir ekip oluşturduk ve işe koyulduk.

Takip eden iki yıl boyunca ekibimiz, şeffaf bir cam veya plastik parçası üzerine karmaşık bir küçük oluk deseni kazımak için yeni üretim teknolojileri gerektiren yeni bir kırınımlı lens türü icat etti. Kesiklerin özel deseni ve şekli, gelen ışığı merceğin arkasındaki tek bir noktaya odaklar. Yeni tasarım bir mükemmele yakın kaliteli görüntüönceki kırınımlı merceklerden çok daha iyi.

Merceğin kalınlığı değil, odaklamayı yapan yüzey dokusu olduğu için, merceği büyütürken kolayca büyütebilirsiniz. çok ince ve hafif tutmak. Daha büyük lensler daha fazla ışık toplar ve düşük ağırlık anlamına gelir yörüngeye daha ucuz fırlatma— her ikisi de bir uzay teleskobu için harika özellikler.

Ağustos 2018’de ekibimiz 2 inç (5 santimetre) çapında bir lens olan ilk prototipi üretti. Önümüzdeki beş yıl içinde görüntü kalitesini daha da iyileştirdik ve boyutu artırdık. Şimdi, geleneksel bir kırılma merceğinden 10 kat daha hafif olacak 10 inç (24 cm) çapında bir merceği tamamlıyoruz.

Bir kırınım uzay teleskobunun gücü

Bu yeni lens tasarımı, bir uzay teleskobunun nasıl inşa edilebileceğini yeniden düşünmeyi mümkün kılıyor. 2019 yılında ekibimiz, Nautilus Uzay Gözlemevi.

Ekibimiz, yeni teknolojiyi kullanarak yalnızca yaklaşık 0,2 inç (0,5 cm) kalınlığında 29,5 fit (8,5 metre) çapında bir lens yapmanın mümkün olduğunu düşünüyor. Yeni teleskopumuzun merceği ve destek yapısı yaklaşık 1.100 pound (500 kilogram) ağırlığında olabilir. Bu, benzer boyuttaki Webb tarzı bir aynadan üç kat daha hafiftir ve Webb’in 21 fit (6,5 metre) çapındaki aynasından daha büyük olacaktır.

Lenslerin başka faydaları da var. Birincisi, onlar çok daha kolay ve hızlı aynalardan daha fazla üretilebilir ve toplu halde yapılabilir. İkinci olarak, mercek tabanlı teleskoplar mükemmel şekilde hizalanmadığında bile iyi çalışır ve bu teleskopların daha kolay bir şekilde hizalanmasını sağlar. birleştirmek ve son derece hassas hizalama gerektiren ayna tabanlı teleskoplardan daha uzayda uçarlar.

Son olarak, tek bir Nautilus birimi hafif ve üretimi nispeten ucuz olacağından, düzinelercesini yörüngeye yerleştirmek mümkün olacaktır. Mevcut tasarımımız aslında tek bir teleskop değil, 35 ayrı teleskop ünitesinden oluşan bir takımyıldızdır.

Her bir teleskop, Webb’den daha fazla ışık toplayabilen bağımsız, oldukça hassas bir gözlemevi olacaktır. Ancak Nautilus’un gerçek gücü, tüm teleskopları tek bir hedefe çevirmekten gelirdi.

Tüm birimlerden gelen verileri birleştirerek, Nautilus’un ışık toplama gücü, Webb’den yaklaşık 10 kat daha büyük bir teleskopa eşit olacaktır. Bu güçlü teleskopla gökbilimciler, dünya dışı yaşama işaret edebilecek atmosferik gazlar için yüzlerce ötegezegeni araştırabilirler.

Nautilus Uzay Gözlemevi lansmanından hala çok uzakta olmasına rağmen, ekibimiz çok ilerleme kaydetti. Teknolojinin tüm yönlerinin küçük ölçekli prototiplerde çalıştığını gösterdik ve şimdi 3,3 fit (1 metre) çapında bir lens oluşturmaya odaklanıyoruz. Sonraki adımlarımız, teleskopun küçük bir versiyonunu yüksek irtifa balonuyla uzayın kenarına göndermek.

Bununla, NASA’ya devrim niteliğinde yeni bir uzay teleskobu önermeye hazır olacağız ve umarım yüzlerce dünyayı yaşam imzaları için keşfetme yolunda olacağız.

Bu makale şu adresten yeniden yayınlanmıştır: Konuşma Creative Commons lisansı altında. Okumak orijinal makale.