Astronomen hebben meer dan ontdekt 5,000 planeten buiten het zonnestelsel daten. De grote vraag is of op al deze planeten leeft leven. Om het antwoord te vinden, zullen astronomen waarschijnlijk nodig hebben krachtigere telescopen dan vandaag bestaan.

ik ben een astronoom die astrobiologie studeert en planeten rond verre sterren. De afgelopen zeven jaar heb ik mede leiding gegeven aan een team dat een nieuw soort ruimtetelescoop ontwikkelt die honderd keer meer licht kan opvangen dan de James Webb Space Telescope, de grootste ruimtetelescoop ooit gebouwd.

Bijna alle ruimtetelescopen, waaronder Hubble en Webb, verzamelen licht met behulp van spiegels. Onze voorgestelde telescoop, de Nautilus ruimteobservatorium, zou grote, zware spiegels vervangen door een nieuwe, dunne lens die veel lichter, goedkoper en gemakkelijker te produceren is dan gespiegelde telescopen. Vanwege deze verschillen zou het mogelijk zijn om veel individuele eenheden in een baan om de aarde te lanceren en een krachtig netwerk van telescopen te creëren.

De behoefte aan grotere telescopen

Exoplaneten - planeten die in een baan om andere sterren dan de zon draaien - zijn belangrijke doelen in de zoektocht naar leven. Astronomen moeten gigantische ruimtetelescopen gebruiken die enorme hoeveelheden licht opvangen bestudeer deze vage en verre objecten.

Bestaande telescopen kunnen exoplaneten zo klein als de aarde detecteren. Er is echter veel meer gevoeligheid voor nodig om iets te leren over de chemische samenstelling van deze planeten. Zelfs de James Webb Space Telescope is nauwelijks krachtig genoeg om te zoeken bepaalde exoplaneten voor aanwijzingen van leven-namelijk gassen in de atmosfeer.

Webb kost meer dan $ 8 miljard en duurde meer dan 20 jaar om te bouwen. De volgende vlaggenschip-telescoop zal naar verwachting niet voor 2045 vliegen en dat wordt geschat kosten $ 11 miljard. Deze ambitieuze telescoopprojecten zijn altijd duur, arbeidsintensief en leveren één krachtig, maar zeer gespecialiseerd, observatorium op.

Een nieuw soort telescoop

In 2016, ruimtevaartgigant Northrop Grumman nodigde mij en 14 andere professoren en NASA-wetenschappers - allemaal experts op het gebied van exoplaneten en de zoektocht naar buitenaards leven - uit naar Los Angeles om één vraag te beantwoorden: hoe zullen exoplaneet-ruimtetelescopen er over 50 jaar uitzien?

Tijdens onze discussies realiseerden we ons dat een groot knelpunt dat de bouw van krachtigere telescopen verhindert, de uitdaging is om grotere spiegels te maken en ze in een baan om de aarde te krijgen. Om dit knelpunt te omzeilen, kwamen enkelen van ons op het idee om een ​​oude technologie genaamd diffractieve lenzen opnieuw te bekijken.

Conventionele lenzen gebruiken breking om licht te focussen. Breking is wanneer het licht van richting verandert als het van het ene medium naar het andere gaat, is dat de reden dat licht buigt wanneer het in het water terechtkomt. Diffractie daarentegen is wanneer licht rond hoeken en obstakels buigt. Een slim gerangschikt patroon van stappen en hoeken op een glazen oppervlak kan een diffractieve lens vormen.

De eerste dergelijke lenzen werden in 1819 uitgevonden door de Franse wetenschapper Augustin-Jean Fresnel om lichtgewicht lenzen te bieden voor vuurtorens. Tegenwoordig zijn vergelijkbare diffractieve lenzen te vinden in veel kleine consumentenoptieken, van cameralenzen naar virtual reality-headsets.

Dunne, eenvoudige diffractieve lenzen zijn dat wel berucht om hun wazige beelden, dus ze zijn nooit gebruikt in astronomische observatoria. Maar als je hun helderheid zou kunnen verbeteren, zou het gebruik van diffractieve lenzen in plaats van spiegels of refractieve lenzen een ruimtetelescoop veel goedkoper, lichter en groter kunnen maken.

Een dunne lens met hoge resolutie

Na de bijeenkomst keerde ik terug naar de Universiteit van Arizona en besloot te onderzoeken of moderne technologie diffractieve lenzen met een betere beeldkwaliteit kon produceren. Gelukkig voor mij, Thomas Milster-een van 's werelds toonaangevende experts op het gebied van diffractief lensontwerp -werkt in het gebouw naast het mijne. We vormden een team en gingen aan de slag.

In de daaropvolgende twee jaar vond ons team een ​​nieuw type diffractieve lens uit waarvoor nieuwe fabricagetechnologieën nodig waren om een ​​complex patroon van kleine groeven op een stuk helder glas of plastic te etsen. Het specifieke patroon en de vorm van de sneden focust invallend licht op een enkel punt achter de lens. Het nieuwe ontwerp produceert een beeld van bijna perfecte kwaliteit, veel beter dan eerdere diffractieve lenzen.

Omdat het de oppervlaktetextuur van de lens is die de scherpstelling doet, niet de dikte, kun je de lens gemakkelijk groter maken waardoor het erg dun en licht blijft. Grotere lenzen vangen meer licht op en een laag gewicht betekent goedkopere lanceringen in een baan om de aarde-beide geweldige eigenschappen voor een ruimtetelescoop.

In augustus 2018 produceerde ons team het eerste prototype, een lens met een diameter van vijf centimeter. In de volgende vijf jaar hebben we de beeldkwaliteit verder verbeterd en het formaat vergroot. We zijn nu bezig met de voltooiing van een lens met een diameter van 10 inch (24 cm) die meer dan 10 keer lichter zal zijn dan een conventionele brekende lens.

Kracht van een diffractieruimtetelescoop

Dit nieuwe lensontwerp maakt het mogelijk om opnieuw na te denken over hoe een ruimtetelescoop zou kunnen worden gebouwd. In 2019 heeft ons team een ​​concept gepubliceerd met de naam the Nautilus ruimteobservatorium.

Met behulp van de nieuwe technologie denkt ons team dat het mogelijk is om een ​​lens met een diameter van 29.5 voet (8.5 meter) te bouwen die slechts ongeveer 0.2 inch (0.5 cm) dik zou zijn. De lens en de ondersteunende structuur van onze nieuwe telescoop zouden ongeveer 1,100 kilogram kunnen wegen. Dit is meer dan drie keer lichter dan een Webb-achtige spiegel van vergelijkbare grootte en zou groter zijn dan Webb's spiegel met een diameter van 500 voet (21 meter).

De lenzen hebben ook andere voordelen. Ten eerste zijn ze dat veel gemakkelijker en sneller te fabriceren dan spiegels en kan massaal gemaakt worden. Ten tweede werken op lenzen gebaseerde telescopen goed, zelfs als ze niet perfect zijn uitgelijnd, waardoor deze telescopen gemakkelijker te bedienen zijn monteren en vliegen in de ruimte dan spiegeltelescopen, die een uiterst nauwkeurige uitlijning vereisen.

Ten slotte, aangezien een enkele Nautilus-eenheid licht en relatief goedkoop te produceren zou zijn, zou het mogelijk zijn om er tientallen in een baan om de aarde te brengen. Ons huidige ontwerp is namelijk niet een enkele telescoop, maar een constellatie van 35 individuele telescoopeenheden.

Elke individuele telescoop zou een onafhankelijk, zeer gevoelig observatorium zijn dat meer licht kan opvangen dan Webb. Maar de echte kracht van Nautilus zou komen door alle afzonderlijke telescopen op één doel te richten.

Door gegevens van alle eenheden te combineren, zou het lichtverzamelende vermogen van Nautilus gelijk zijn aan een telescoop die bijna 10 keer groter is dan die van Webb. Met deze krachtige telescoop konden astronomen honderden exoplaneten doorzoeken op atmosferische gassen die dat wel zouden kunnen wijzen op buitenaards leven.

Hoewel het Nautilus Space Observatory nog ver verwijderd is van de lancering, heeft ons team veel vooruitgang geboekt. We hebben aangetoond dat alle aspecten van de technologie werken in kleinschalige prototypes en richten ons nu op het bouwen van een lens met een diameter van 3.3 voet (1 meter). Onze volgende stappen zijn om een ​​kleine versie van de telescoop naar de rand van de ruimte te sturen in een ballon op grote hoogte.

Daarmee zijn we klaar om NASA een revolutionaire nieuwe ruimtetelescoop voor te stellen en hopelijk op weg te zijn om honderden werelden te verkennen op zoek naar tekenen van leven.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Krediet van het beeld: Katie Yung, Daniel Apai/Universiteit van Arizona en AllThingsSpace/SketchFab, CC BY-SA. Een licht, goedkoop ruimtetelescoopontwerp zou het mogelijk maken om veel individuele eenheden tegelijk in de ruimte te plaatsen.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/