Novo design de telescópio de lente fina pode ultrapassar James Webb da Ars Technica

Mais Zoom / Um projeto de telescópio espacial leve e barato tornaria possível colocar muitas unidades individuais no espaço de uma só vez.

Os astrônomos descobriram mais de 5000 planetas fora do sistema solar ir em um encontro. A grande questão é se Qual desses planetas é o lar da vida?. Para encontrar a resposta, os astrônomos provavelmente precisarão Telescópios mais poderosos do que existe hoje.

Eu sou Astrônomo que estuda astrobiologia E planetas em torno de estrelas distantes. Nos últimos sete anos, coliderei uma equipe que desenvolve um novo tipo de telescópio espacial que pode coletar 100 vezes mais luz do que a Terra. Telescópio Espacial James Webbo maior telescópio espacial já construído.

Quase todos os telescópios espaciais, incluindo Hubble e Webb, coletam luz usando espelhos. nosso telescópio proposto, Observatório Espacial NautilusEle substituirá espelhos grandes e pesados ​​por uma nova lente fina que é mais leve, mais barata e mais fácil de produzir do que os telescópios refletores. Devido a essas diferenças, será possível lançar muitos módulos individuais em órbita e criar uma poderosa rede de telescópios.

Exoplanetas, como o TOI-700d mostrado na concepção deste artista, são planetas fora do nosso sistema solar e são os principais candidatos na busca por vida.
Mais Zoom / Exoplanetas, como o TOI-700d mostrado na concepção deste artista, são planetas fora do nosso sistema solar e são os principais candidatos na busca por vida.

A necessidade de telescópios maiores

Os exoplanetas – planetas que orbitam outras estrelas além do Sol – são os principais alvos na busca por vida. Os astrônomos precisam usar telescópios espaciais gigantes que coletam grandes quantidades de luz Examine esses objetos escuros e distantes.

Os telescópios atuais podem detectar pequenos exoplanetas como a Terra. No entanto, é preciso muita sensibilidade para começar a aprender sobre a composição química desses planetas. Mesmo o Webb dificilmente é poderoso o suficiente para pesquisar Alguns exoplanetas em busca de pistas para a vida-ele é chamado gases na atmosfera.

O Telescópio Espacial James Webb custou mais de $ 8 bilhões e levou mais de 20 anos para construir. O próximo telescópio principal não deve voar antes de 2045 e estima-se que seja custou 11 bilhões de dólares. Esses ambiciosos projetos de telescópios são sempre caros e árduos e resultam em um poderoso – mas muito especializado – observatório.

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Um novo tipo de telescópio

Em 2016, o gigante do espaço Northrop Grumman Ele convidou a mim e a outros 14 professores e cientistas da NASA – todos especialistas em exoplanetas e na busca por vida extraterrestre – para irmos a Los Angeles para responder a uma pergunta: como serão os telescópios espaciais para exoplanetas daqui a 50 anos?

Em nossas discussões, percebemos que o principal gargalo que impedia a construção de telescópios mais potentes era o desafio de fazer espelhos maiores e colocá-los em órbita. Para contornar esse gargalo, alguns de nós tiveram a ideia de revisitar uma tecnologia antiga chamada lentes refrativas.

As lentes convencionais usam a refração para focalizar a luz. Refração é quando a luz muda de direção Porque passa de um meio para outro – e é por isso que a luz é curvada quando entra na água. Em contraste, a difração ocorre quando a luz se curva em torno de cantos e obstáculos. O padrão de degraus e ângulos habilmente arranjados em uma superfície de vidro pode formar uma lente refrativa.

As primeiras lentes deste tipo foram inventadas pelo cientista francês Augustin-Jean Fresnel em 1819 para fornecer lentes leves faróis. Hoje, lentes refrativas semelhantes podem ser encontradas em muitas óticas de consumo compactas – de lentes de câmera para Fones de ouvido de realidade virtual.

As lentes refrativas são finas e simples É conhecido por suas imagens sem brilho, por isso nunca foi usado em observatórios astronômicos. Mas se você puder melhorar sua nitidez, usar lentes refratárias em vez de espelhos ou lentes refratárias permitirá que um telescópio espacial seja muito mais barato, mais leve e maior.

Um dos benefícios das lentes espelhadas é a capacidade de permanecerem finas enquanto aumentam seu diâmetro.
Mais Zoom / Um dos benefícios das lentes espelhadas é a capacidade de permanecerem finas enquanto aumentam seu diâmetro.

Lente fina e de alta resolução

Após a reunião, voltei para a Universidade do Arizona e decidi explorar se a tecnologia moderna poderia produzir lentes refrativas de melhor qualidade de imagem. Estou com sorte, Thomas Melster– um dos maiores especialistas do mundo em design de lentes refrativas – trabalha no prédio ao lado do meu. Formamos uma equipe e começamos a trabalhar.

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Nos dois anos seguintes, nossa equipe inventou um novo tipo de lente refrativa que exigia novas técnicas de fabricação para gravar um padrão intrincado de pequenos sulcos em um pedaço de vidro transparente ou plástico. O padrão específico e a forma dos cortes concentram a luz recebida em um único ponto atrás da lente. O novo design produz um Qualidade de imagem quase perfeitaMuito melhor do que as lentes refrativas anteriores.

Uma lente reflexa curva a luz usando padrões e padrões em sua superfície.
Mais Zoom / Uma lente reflexa curva a luz usando padrões e padrões em sua superfície.

Como é a textura da superfície da lente que faz o foco, não a espessura, você pode ampliar facilmente a lente enquanto faz isso Mantendo-o fino e leve. Lentes maiores captam mais luz e significam menor peso Lançamentos mais baratos em órbita– ambos grandes atributos de um telescópio espacial.

Em agosto de 2018, nossa equipe produziu o primeiro protótipo, uma lente com diâmetro de 2 polegadas (5 cm). Nos cinco anos seguintes, melhoramos a qualidade da imagem e aumentamos o tamanho. Agora estamos concluindo uma lente de 24 cm (10 polegadas) de diâmetro que será 10 vezes mais leve que uma lente refrativa convencional.

Poder do Telescópio de Difração Espacial

Este novo design de lente permite repensar como um telescópio espacial é construído. Em 2019, nossa equipe publicou um conceito chamado Observatório Espacial Nautilus.

Usando a nova tecnologia, nossa equipe acredita que é possível construir uma lente medindo 29,5 pés (8,5 metros) de diâmetro com uma espessura de cerca de 0,2 polegadas (0,5 cm). A lente e a estrutura de suporte do nosso novo telescópio podem pesar cerca de 1.100 libras (500 quilos). Eles são três vezes mais leves que um espelho Webb de tamanho semelhante e serão maiores que um espelho Webb de 21 pés (6,5 m) de diâmetro.

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A lente fina permitiu à equipe projetar um telescópio mais leve e barato, que eles chamaram de Observatório Espacial Nautilus.
Mais Zoom / A lente fina permitiu à equipe projetar um telescópio mais leve e barato, que eles chamaram de Observatório Espacial Nautilus.

As lentes também têm outros benefícios. Primeiro, eles são Muito mais fácil e rápido ser feito de espelhos Pode ser feito coletivamente. Em segundo lugar, os telescópios baseados em oculares funcionam bem mesmo quando não estão perfeitamente alinhados, o que torna esses telescópios mais fáceis de reunião E voe no espaço em vez de telescópios baseados em espelhos, que exigem um alinhamento muito preciso.

Finalmente, como um único Nautilus seria leve e relativamente barato de produzir, seria possível colocar dezenas deles em órbita. Nosso projeto atual não é realmente um único telescópio, mas uma constelação de 35 módulos de telescópios individuais.

Cada telescópio individual será um observatório independente e altamente sensível, capaz de coletar mais luz do que o Webb. Mas o verdadeiro poder do Nautilus virá de direcionar todos os telescópios individuais para um único alvo.

Ao integrar os dados de todos os módulos, o poder de captação de luz do Nautilus seria equivalente a um telescópio quase 10 vezes maior que o do Webb. Com este poderoso telescópio, os astrônomos podem pesquisar centenas de exoplanetas em busca de gases em suas atmosferas Refere-se a vida extraterrestre.

Embora o Nautilus Space Observatory ainda esteja longe do lançamento, nossa equipe fez muitos progressos. Mostramos todos os aspectos da tecnologia para funcionar em protótipos de pequena escala e agora estamos focados na construção de uma lente com um diâmetro de 3,3 pés (1 metro). Nossos próximos passos são enviar uma versão pequena do telescópio para a borda do espaço em um balão alto.

Com isso dito, estaremos prontos para propor o novo telescópio espacial revolucionário da NASA e, com sorte, explorar centenas de mundos em busca de sinais de vida.
Conversação

Daniel AbayReitor associado de pesquisa e professor de astronomia e ciências planetárias. Universidade do Arizona. Este artigo foi republicado de Conversação Sob Licença Creative Commons. Leia o o artigo original.

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