Astronómovia objavili viac ako 5000 planét mimo slnečnej sústavy ísť na rande. Veľkou otázkou je, či je niektorá z týchto planét domovom života. Na nájdenie odpovede budú astronómovia pravdepodobne potrebovať Výkonnejšie teleskopy než to, čo existuje dnes.

som Astronóm, ktorý študuje astrobiológiu A planéty okolo vzdialených hviezd. Posledných sedem rokov som spoluviedol tím vyvíjajúci nový typ vesmírneho teleskopu, ktorý dokáže zhromaždiť 100-krát viac svetla ako vesmírny teleskop Jamesa Webba, najväčší vesmírny teleskop, aký bol kedy postavený.

Takmer všetky vesmírne teleskopy, vrátane Hubbleovho a Webba, zbierajú svetlo pomocou zrkadiel. náš navrhovaný ďalekohľad, Vesmírne observatórium NautilusNahradí veľké ťažké zrkadlá novou tenkou šošovkou, ktorá je oveľa ľahšia, lacnejšia a jednoduchšia na výrobu ako odrazové teleskopy. Vďaka týmto rozdielom bude možné vyniesť na obežnú dráhu mnoho jednotlivých modulov a vytvoriť tak výkonnú sieť ďalekohľadov.

Potreba väčších ďalekohľadov

Exoplanéty – planéty obiehajúce okolo hviezd iných ako Slnko – sú hlavnými cieľmi pri hľadaní života. Astronómovia musia používať obrovské vesmírne teleskopy, ktoré zbierajú obrovské množstvo svetla Preskúmajte tieto tmavé a vzdialené predmety.

Súčasné teleskopy dokážu odhaliť malé exoplanéty ako Zem. Vyžaduje si to však veľkú citlivosť, aby ste sa začali učiť o chemickom zložení týchto planét. Dokonca aj Webb je sotva dosť výkonný na vyhľadávanie Niektoré exoplanéty pre stopy životaAkékoľvek plyny v atmosfére.

Vesmírny teleskop Jamesa Webba stál viac ako 8 miliárd dolárov a jeho výstavba trvala viac ako 20 rokov. Očakáva sa, že ďalšia vlajková loď ďalekohľadu nepoletí skôr ako v roku 2045 a odhaduje sa, že bude stálo 11 miliárd dolárov. Tieto ambiciózne projekty teleskopov sú vždy drahé a namáhavé a výsledkom je jedno výkonné – ale veľmi špecializované – observatórium.

Nový druh ďalekohľadu

V roku 2016 vesmírny gigant Northrop Grumman Pozval mňa a ďalších 14 profesorov a vedcov z NASA – všetko odborníkov na exoplanéty a hľadanie mimozemského života – do Los Angeles, aby sme odpovedali na jednu otázku: Ako budú vyzerať vesmírne teleskopy pre exoplanéty o 50 rokov?

Pri našich diskusiách sme si uvedomili, že hlavnou prekážkou, ktorá bráni budovaniu výkonnejších teleskopov, bola výzva vyrobiť väčšie zrkadlá a dostať ich na obežnú dráhu. Aby sme obišli túto prekážku, niektorí z nás prišli s myšlienkou prehodnotiť starú technológiu nazývanú refrakčné šošovky.

Bežné šošovky využívajú na zaostrenie svetla lom svetla. K lomu dochádza, keď svetlo pri prechode z jedného média do druhého mení smer – to je dôvod, prečo sa svetlo pri vstupe do vody ohýba. Naproti tomu k difrakcii dochádza, keď sa svetlo ohýba okolo rohov a prekážok. Vzor krokov a uhlov šikovne usporiadaných na sklenenom povrchu môže vytvárať refrakčnú šošovku.

Prvé šošovky tohto typu vynašiel francúzsky vedec Augustin-Jean Fresnel v roku 1819 s cieľom poskytnúť ľahké šošovky. majáky. Dnes sa podobné refrakčné šošovky nachádzajú v mnohých kompaktných spotrebiteľských optikách – od objektívy fotoaparátov do Slúchadlá pre virtuálnu realitu.

Refrakčné šošovky sú tenké a jednoduché Je známy svojimi nevýraznými obrázkami, takže sa nikdy nepoužíval v astronomických observatóriách. Ale ak môžete zlepšiť ich ostrosť, použitie refrakčných šošoviek namiesto zrkadiel alebo refrakčných šošoviek umožní, aby bol vesmírny ďalekohľad oveľa lacnejší, ľahší a väčší.

Tenký objektív s vysokým rozlíšením

Po stretnutí som sa vrátil na University of Arizona a rozhodol som sa preskúmať, či by moderná technológia mohla produkovať refrakčné šošovky s lepšou kvalitou obrazu. Som šťastný, Thomas Melster– jeden z popredných svetových odborníkov na dizajn refrakčných šošoviek – pracuje v budove vedľa mojej. Vytvorili sme tím a pustili sa do práce.

Počas nasledujúcich dvoch rokov náš tím vynašiel nový typ refrakčných šošoviek, ktorý si vyžadoval nové výrobné techniky na vyleptanie zložitého vzoru drobných drážok na kus číreho skla alebo plastu. Špecifický vzor a tvar výrezov sústreďuje prichádzajúce svetlo do jedného bodu za šošovkou. Nový dizajn vytvára a Takmer dokonalá kvalita obrazuOveľa lepšie ako predchádzajúce refrakčné šošovky.

Keďže zaostrenie robí textúra povrchu šošovky, nie jej hrúbka, môžete si šošovku jednoducho priblížiť, keď ste na nej Udržuje ho tenký a ľahký. Väčšie šošovky zbierajú viac svetla a znamenajú nižšiu hmotnosť Lacnejšie štarty na obežnú dráhu– oba veľké atribúty vesmírneho teleskopu.

V auguste 2018 náš tím vyrobil prvý prototyp, šošovku s priemerom 2 palce (5 cm). Počas nasledujúcich piatich rokov sme zlepšili kvalitu obrazu a zväčšili veľkosť. Teraz dokončujeme šošovku s priemerom 10 palcov (24 cm), ktorá bude 10-krát ľahšia ako bežná refrakčná šošovka.

Výkon vesmírneho difrakčného teleskopu

Tento nový dizajn šošoviek umožňuje prehodnotiť, ako je vesmírny ďalekohľad postavený. V roku 2019 náš tím zverejnil koncept tzv Vesmírne observatórium Nautilus.

Náš tím verí, že pomocou novej technológie je možné postaviť šošovku s priemerom 29,5 stôp (8,5 metra) s hrúbkou približne 0,2 palca (0,5 cm). Šošovka a nosná konštrukcia nášho nového teleskopu môžu vážiť približne 1 100 libier (500 kilogramov). Sú trikrát ľahšie ako Webb zrkadlo podobnej veľkosti a budú väčšie ako Webb zrkadlo s priemerom 21 stôp (6,5 m).

Šošovky majú aj iné výhody. Po prvé, sú Oveľa jednoduchšie a rýchlejšie Aby to bolo zo zrkadiel a môže byť vyrobené hromadne. Po druhé, teleskopy založené na okulároch fungujú dobre, aj keď nie sú dokonale zarovnané, vďaka čomu sa tieto teleskopy ľahšie zhromažďovanie A lietajte vo vesmíre namiesto zrkadlových ďalekohľadov, ktoré vyžadujú veľmi presné zarovnanie.

Napokon, keďže by bol jeden Nautilus ľahký a relatívne lacný na výrobu, bolo by ich možné vyniesť na obežnú dráhu desiatky. Náš súčasný dizajn v skutočnosti nie je jediný ďalekohľad, ale súhvezdie 35 jednotlivých modulov ďalekohľadu.

Každý jednotlivý ďalekohľad bude nezávislým, vysoko citlivým observatóriom schopným zhromaždiť viac svetla ako Webb. Ale skutočná sila Nautilusu bude pochádzať z nasmerovania všetkých jednotlivých ďalekohľadov k jedinému cieľu.

Integráciou údajov zo všetkých modulov by sa sila zhromažďovania svetla Nautila rovnala teleskopu takmer 10-krát väčšiemu ako Webb. Pomocou tohto výkonného teleskopu môžu astronómovia hľadať na stovkách exoplanét atmosférické plyny, ktoré môžu naznačovať prítomnosť mimozemského života.

Hoci je vesmírne observatórium Nautilus ešte ďaleko od spustenia, náš tím urobil veľký pokrok. Ukázali sme, že všetky aspekty technológie fungujú v malých prototypoch a teraz sa zameriavame na vytvorenie šošovky s priemerom 3,3 stopy (1 meter). Našimi ďalšími krokmi je poslať malú verziu ďalekohľadu na okraj vesmíru na vysokom balóne.

Vďaka tomu budeme pripravení navrhnúť nový revolučný vesmírny teleskop NASA a dúfame, že budeme na ceste k objavovaniu stoviek svetov, aby sme našli znaky života.