Neues Teleskopdesign mit dünner Linse könnte James Webb von Ars Technica übertreffen

Astronomen haben mehr als entdeckt 5000 Planeten außerhalb des Sonnensystems zu einem Date gehen. Die große Frage ist, ob Auf welchem ​​dieser Planeten gibt es Leben?. Um die Antwort zu finden, werden Astronomen wahrscheinlich brauchen Leistungsstärkere Teleskope als das, was heute existiert.

Ich bin Astronom, der Astrobiologie studiert Und Planeten um ferne Sterne. In den letzten sieben Jahren war ich Co-Leiter eines Teams, das einen neuen Typ eines Weltraumteleskops entwickelt, das 100-mal mehr Licht als die Erde sammeln kann. James Webb-Weltraumteleskopdas größte jemals gebaute Weltraumteleskop.

Fast alle Weltraumteleskope, einschließlich Hubble und Webb, sammeln Licht mithilfe von Spiegeln. unser vorgeschlagenes Teleskop, Nautilus-WeltraumobservatoriumEs wird große, schwere Spiegel durch eine neue dünne Linse ersetzen, die leichter, billiger und einfacher herzustellen ist als Spiegelteleskope. Aufgrund dieser Unterschiede wird es möglich sein, viele einzelne Module in die Umlaufbahn zu bringen und ein leistungsstarkes Netzwerk von Teleskopen aufzubauen.

Der Bedarf an größeren Teleskopen

Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne als die Sonne umkreisen – sind Hauptziele bei der Suche nach Leben. Astronomen müssen riesige Weltraumteleskope einsetzen, die riesige Lichtmengen sammeln Untersuchen Sie diese dunklen und entfernten Objekte.

Aktuelle Teleskope können kleine Exoplaneten wie die Erde erkennen. Es erfordert jedoch viel Feingefühl, um etwas über die chemische Zusammensetzung dieser Planeten zu erfahren. Selbst Webb ist kaum leistungsfähig genug, um zu suchen Einige Exoplaneten als Hinweise auf Leben-er heißt Gase in der Atmosphäre.

Das James Webb-Weltraumteleskop kostete mehr als 8 Milliarden US-Dollar und der Bau dauerte mehr als 20 Jahre. Der Flug des nächsten Flaggschiff-Teleskops wird voraussichtlich nicht vor 2045 erfolgen kostete 11 Milliarden Dollar. Diese ehrgeizigen Teleskopprojekte sind immer teuer und mühsam und führen zu einem leistungsstarken, aber sehr spezialisierten Observatorium.

Eine neue Art von Teleskop

Im Jahr 2016 der Weltraumriese Northrop Grumman Er lud mich und 14 andere Professoren und NASA-Wissenschaftler – allesamt Experten für Exoplaneten und die Suche nach außerirdischem Leben – nach Los Angeles ein, um eine Frage zu beantworten: Wie werden Weltraumteleskope für Exoplaneten in 50 Jahren aussehen?

In unseren Gesprächen wurde uns klar, dass der größte Engpass beim Bau leistungsstärkerer Teleskope die Herausforderung war, größere Spiegel herzustellen und sie in die Umlaufbahn zu bringen. Um diesen Engpass zu umgehen, kamen einige von uns auf die Idee, eine alte Technologie namens refraktive Linsen wiederzubeleben.

Herkömmliche Linsen nutzen die Brechung, um Licht zu bündeln. Bei der Lichtbrechung ändert sich die Richtung Weil es von einem Medium in ein anderes übergeht – weshalb Licht beim Eintritt in Wasser gebeugt wird. Im Gegensatz dazu tritt Beugung auf, wenn Licht um Ecken und Hindernisse herum gebogen wird. Das geschickt auf einer Glasoberfläche angeordnete Muster aus Stufen und Winkeln kann eine refraktive Linse bilden.

Die ersten Linsen dieser Art wurden 1819 vom französischen Wissenschaftler Augustin-Jean Fresnel erfunden, um leichte Linsen herzustellen Leuchttürme. Heutzutage sind ähnliche refraktive Linsen in vielen kompakten Consumer-Optiken zu finden – von Kameraobjektive Zu Virtual-Reality-Headsets.

Brechungslinsen sind dünn und einfach Es ist für seine glanzlosen Bilder bekanntDaher wurde es nie in astronomischen Observatorien verwendet. Wenn Sie jedoch ihre Schärfe verbessern können, können Sie durch die Verwendung von Brechungslinsen anstelle von Spiegeln oder Brechungslinsen ein Weltraumteleskop viel billiger, leichter und größer bauen.

Dünnes, hochauflösendes Objektiv

Nach dem Treffen ging ich zurück zur University of Arizona und beschloss zu untersuchen, ob moderne Technologie refraktive Linsen mit besserer Bildqualität produzieren könnte. Ich habe Glück, Thomas Melster– einer der weltweit führenden Experten für refraktives Linsendesign – arbeitet im Gebäude neben mir. Wir bildeten ein Team und machten uns an die Arbeit.

In den nächsten zwei Jahren erfand unser Team eine neue Art von refraktiver Linse, die neue Herstellungstechniken erforderte, um ein kompliziertes Muster aus winzigen Rillen in ein Stück klares Glas oder Kunststoff zu ätzen. Das spezifische Muster und die Form der Schnitte bündeln das einfallende Licht auf einen einzigen Punkt hinter der Linse. Das neue Design erzeugt a Nahezu perfekte BildqualitätViel besser als frühere refraktive Linsen.

Da es die Textur der Linsenoberfläche ist, die für den Fokus verantwortlich ist, und nicht die Dicke, können Sie das Objektiv problemlos vergrößern, während Sie gerade dabei sind Halten Sie es schlank und leicht. Größere Linsen sammeln mehr Licht und bedeuten ein geringeres Gewicht Billigere Starts in den Orbit– beides großartige Eigenschaften eines Weltraumteleskops.

Im August 2018 produzierte unser Team den ersten Prototyp, eine Linse mit einem Durchmesser von 2 Zoll (5 cm). In den nächsten fünf Jahren haben wir die Bildqualität verbessert und die Größe vergrößert. Wir stellen derzeit eine Linse mit einem Durchmesser von 10 Zoll (24 cm) fertig, die zehnmal leichter sein wird als eine herkömmliche refraktive Linse.

Leistung des Weltraumbeugungsteleskops

Dieses neue Linsendesign ermöglicht ein Umdenken beim Aufbau eines Weltraumteleskops. Im Jahr 2019 veröffentlichte unser Team ein Konzept namens Nautilus-Weltraumobservatorium.

Unser Team glaubt, dass es mit der neuen Technologie möglich ist, eine Linse mit einem Durchmesser von 29,5 Fuß (8,5 Meter) und einer Dicke von etwa 0,2 Zoll (0,5 cm) zu bauen. Die Linse und die Stützstruktur unseres neuen Teleskops können etwa 500 Kilogramm wiegen. Diese sind dreimal leichter als ein Webb-Spiegel ähnlicher Größe und größer als ein Webb-Spiegel mit einem Durchmesser von 21 Fuß (6,5 m).

Objektive haben noch weitere Vorteile. Erstens sind sie es Viel einfacher und schneller aus Spiegeln bestehen Es kann gemeinsam gemacht werden. Zweitens funktionieren okularbasierte Teleskope auch dann gut, wenn sie nicht perfekt ausgerichtet sind, was diese Teleskope einfacher macht Sammlung Und fliegen im Weltraum statt mit spiegelbasierten Teleskopen, die eine sehr präzise Ausrichtung erfordern.

Da schließlich ein einzelner Nautilus leicht und relativ kostengünstig herzustellen wäre, wäre es möglich, Dutzende davon in die Umlaufbahn zu bringen. Bei unserem aktuellen Design handelt es sich eigentlich nicht um ein einzelnes Teleskop, sondern um eine Konstellation aus 35 einzelnen Teleskopmodulen.

Jedes einzelne Teleskop wird ein unabhängiges, hochempfindliches Observatorium sein, das mehr Licht sammeln kann als Webb. Aber die wahre Kraft von Nautilus wird darin liegen, alle einzelnen Teleskope auf ein einziges Ziel auszurichten.

Durch die Integration der Daten aller Module würde die Lichtsammelleistung von Nautilus der eines Teleskops entsprechen, das fast zehnmal größer ist als das von Webb. Mit diesem leistungsstarken Teleskop können Astronomen Hunderte von Exoplaneten nach Gasen in ihren Atmosphären durchsuchen Bezieht sich auf außerirdisches Leben.

Obwohl das Nautilus-Weltraumobservatorium noch weit vom Start entfernt ist, hat unser Team große Fortschritte gemacht. Wir haben gezeigt, dass alle Aspekte der Technologie in kleinen Prototypen funktionieren und konzentrieren uns nun auf den Bau einer Linse mit einem Durchmesser von 3,3 Fuß (1 Meter). Unsere nächsten Schritte bestehen darin, eine kleine Version des Teleskops mit einem hohen Ballon an den Rand des Weltraums zu schicken.

Vor diesem Hintergrund sind wir bereit, das revolutionäre neue Weltraumteleskop der NASA vorzuschlagen und uns hoffentlich auf den Weg zu machen, Hunderte von Welten nach Signaturen von Leben zu erkunden.

Daniel AbayStellvertretender Dekan für Forschung und Professor für Astronomie und Planetenwissenschaften. Universität von Arizona. Dieser Artikel wurde erneut veröffentlicht von Gespräch Unter Creative Commons-Lizenz. Lies das Der Originalartikel.