Майбутні космічні телескопи можуть повернутися до старої технології лінз для економії коштів

Нині астрономи відкрили понад 5000 планет за межами Сонячної системи . Велике питання полягає в тому, чи є на одній із цих планет життя .

Щоб знайти відповідь, астрономам, швидше за все, знадобляться потужніші телескопи , ніж існують сьогодні.

Я астроном, який вивчає астробіологію та планети навколо далеких зірок. Протягом останніх семи років я був одним із керівників команди, яка розробляє новий тип космічного телескопа, який міг би зібрати у сто разів більше світла, ніж космічний телескоп Джеймса Вебба, найбільший космічний телескоп, який коли-небудь створювався .

Майже всі космічні телескопи, включаючи Hubble і Webb, збирають світло за допомогою дзеркал. Запропонований нами телескоп, Космічна обсерваторія Наутілус , замінить великі важкі дзеркала новими тонкими лінзами, які набагато легші, дешевші та легші у виробництві, ніж дзеркальні телескопи.

Через ці відмінності можна було б запустити на орбіту багато окремих одиниць і створити потужну мережу телескопів.

Потреба в більших телескопах

Екзопланети – планети, які обертаються навколо інших зірок, крім Сонця – є головними цілями для пошуку життя. Астрономам потрібно використовувати гігантські космічні телескопи, які збирають величезну кількість світла, щоб вивчати ці слабкі та далекі об’єкти .

Існуючі телескопи можуть виявляти екзопланети розміром із Землю. Однак для того, щоб дізнатися про хімічний склад цих планет, потрібна набагато більша чутливість. Навіть Вебб ледь вистачає для того, щоб шукати на деяких екзопланетах сліди життя , а саме гази в атмосфері .

Космічний телескоп імені Джеймса Вебба коштував понад 8 мільярдів доларів США, а будівництво тривало понад 20 років . Очікується, що наступний флагманський телескоп полетить не раніше 2045 року, і його вартість оцінюється в 11 мільярдів доларів .

Ці амбітні проєкти телескопів завжди дорогі, трудомісткі та створюють одну потужну, але дуже спеціалізовану обсерваторію.

Новий вид телескопа

У 2016 році аерокосмічний гігант Northrop Grumman запросив мене та 14 інших професорів і вчених NASA – усіх експертів з екзопланет і пошуку позаземного життя – до Лос-Анджелеса, щоб відповісти на одне запитання: як виглядатимуть космічні телескопи на екзопланетах через 50 років?

Під час наших дискусій ми зрозуміли, що головним вузьким місцем, яке перешкоджає створенню більш потужних телескопів, є проблема створення більших дзеркал і виведення їх на орбіту.

Щоб обійти це вузьке місце, деякі з нас придумали переглянути стару технологію, яка називається дифракційними лінзами.

Звичайні лінзи використовують заломлення для фокусування світла. Заломлення – це коли світло змінює напрямок під час переходу з одного середовища в інше – це причина, чому світло згинається, коли потрапляє у воду.

Навпаки, дифракція – це коли світло огинається навколо кутів і перешкод. Розумно скомпонований візерунок зі сходинок і кутів на скляній поверхні може сформувати дифракційну лінзу.

Перші такі лінзи були винайдені французьким вченим Огюстеном-Жаном Френелем у 1819 році для виготовлення легких лінз для маяків . Сьогодні подібні дифракційні лінзи можна знайти в багатьох малогабаритних споживчих приладах – від об’єктивів камер до гарнітур віртуальної реальності .

Тонкі прості дифракційні лінзи сумно відомі своїми розмитими зображеннями , тому їх ніколи не використовували в астрономічних обсерваторіях.

Але якби ви могли покращити їх чіткість, використання дифракційних лінз замість дзеркал або заломлюючих лінз дозволило б зробити космічний телескоп набагато дешевшим, легшим і більшим.

Після зустрічі я повернувся до Університету Арізони та вирішив дослідити, чи можуть сучасні технології створювати дифракційні лінзи з кращою якістю зображення.

На моє щастя, Томас Мілстер – один із провідних експертів у світі з дизайну дифракційних лінз – працює в будівлі поруч зі мною. Ми зібрали команду і взялися до роботи.

Протягом наступних двох років наша команда винайшла новий тип дифракційної лінзи, яка вимагала нових технологій виробництва, щоб викарбувати складний малюнок крихітних канавок на шматку прозорого скла чи пластику. Особливий візерунок і форма вирізів фокусує вхідне світло в одну точку за лінзою.

Нова конструкція забезпечує майже ідеальну якість зображення , набагато кращу, ніж попередні дифракційні лінзи.

Оскільки фокусування виконує текстура поверхні лінзи, а не товщина, ви можете легко збільшити лінзу, залишаючи її дуже тонкою та легкою . Більші лінзи збирають більше світла, а мала вага означає дешевші запуски на орбіту – обидві чудові риси для космічного телескопа.

У серпні 2018 року наша команда виготовила перший прототип об’єктива діаметром 2 дюйми (5 сантиметрів). Протягом наступних п’яти років ми покращили якість зображення та збільшили розмір.

Зараз ми завершуємо створення лінзи діаметром 10 дюймів (24 см), яка буде більш ніж у 10 разів легша за звичайну заломлюючу лінзу.

Потужність дифракційного космічного телескопа

Цей новий дизайн об’єктива дає змогу переглянути спосіб створення космічного телескопа.

У 2019 році наша команда опублікувала концепцію під назвою Космічна обсерваторія Наутілус .

Використовуючи нову технологію, наша команда вважає можливим побудувати лінзу діаметром 29,5 футів (8,5 метрів), товщина якої буде лише 0,2 дюйма (0,5 см). Об’єктив і опорна конструкція нашого нового телескопа можуть важити близько 1100 фунтів (500 кілограмів). Це більш ніж у три рази легше, ніж дзеркало Вебба такого ж розміру, і було б більше, ніж дзеркало Вебба діаметром 21 фут (6,5 метра).

Лінзи також мають інші переваги.

По-перше, їх набагато легше та швидше виготовити, ніж дзеркала , і їх можна виготовляти масово.

По-друге, телескопи на основі лінз працюють добре, навіть якщо вони не ідеально вирівняні, що полегшує збірку та політ у космосі, ніж дзеркальні телескопи, які вимагають надзвичайно 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 телескопів.

Кожен окремий телескоп був би незалежною високочутливою обсерваторією, здатною збирати більше світла, ніж Вебб. Але справжня потужність «Наутілуса» виникне, якщо навести всі окремі телескопи на одну ціль.

Якщо об’єднати дані з усіх пристроїв, потужність збору світла Nautilus дорівнює телескопу, майже в 10 разів більшому, ніж Webb. За допомогою цього потужного телескопа астрономи могли б шукати на сотнях екзопланет атмосферні гази, які можуть свідчити про позаземне життя .

Хоча до запуску космічної обсерваторії «Наутілус» ще далеко, наша команда досягла значного прогресу. Ми показали, що всі аспекти технології працюють на невеликих прототипах, і зараз зосереджуємося на створенні об’єктива діаметром 3,3 фута (1 метр).

Наші наступні кроки — відправити маленьку версію телескопа на межу космосу на висотній кулі.

З цим ми будемо готові запропонувати НАСА новий революційний космічний телескоп і, сподіваємося, будемо на шляху дослідження сотень світів у пошуках ознак життя.