En ny linse til livsudforskende rumteleskoper

University of Arizona Richard F. Caris Mirror Laboratory er førende i verden inden for produktion af verdens største teleskopspejle. Faktisk, det er i øjeblikket ved at fremstille spejle til det største og mest avancerede jordbaserede teleskop:The Giant Magellan Telescope.

Men der er størrelsesbegrænsninger, lige fra spejlets egen vægt, som kan forvrænge billeder, til størrelsen af ​​vores motorveje og underføringer, der er nødvendige for at transportere færdige stykker. Sådanne gigantiske spejle er ved at nå deres fysiske grænser, men når de gør det, UA vil fortsat være en global bidragyder til kunsten at samle lys og skabe forandring i den måde, astronomer observerer stjernerne på.

"Vi udvikler en ny teknologi til at erstatte spejle i rumteleskoper, " sagde UA lektor Daniel Apai, af Steward Observatory og Lunar and Planetary Laboratory. "Hvis det lykkes, vi vil være i stand til at øge lysopsamlingsevnen i teleskoper, og blandt andet videnskab, studere atmosfæren i 1, 000 potentielt jordlignende planeter for tegn på liv."

Apai leder rumvidenskabens halvdel af holdet, mens UA-professor Tom Milster, fra James C. Wyant College of Optical Sciences, leder det optiske design af et replikerbart rumteleskop kaldet Nautilus. Forskerne har til hensigt at indsætte en flåde af 35 14 meter brede sfæriske teleskoper, hver individuelt mere kraftfuld end Hubble-rumteleskopet.

Hver enhed vil indeholde en omhyggeligt udformet linse med en diameter på 8,5 meter, som vil blive brugt til astronomiske observationer. En særlig spændende anvendelse for Apai er at analysere stjernelys, da det filtrerer gennem planetariske atmosfærer, en teknik, der kunne afsløre kemiske signaturer af liv.

Når det kombineres, teleskoparrayet vil være kraftigt nok til at karakterisere 1, 000 ekstrasolare planeter fra så langt væk som 1, 000 lysår. Selv NASAs mest ambitiøse rumteleskopmissioner er designet til at studere en håndfuld potentielt jordlignende ekstrasolplaneter.

"Sådan en prøve kan være for lille til virkelig at forstå kompleksiteten af ​​exo-jorde, "ifølge Apai og Milsters medforfatterpapir, som blev offentliggjort den 29. juli i Astronomisk Tidsskrift sammen med flere andre forfattere, inklusive Steward Observatory astronom Glenn Schneider og Alex Bixel, en astronom og UA kandidatstuderende.

At udvikle Nautilus, Apai og Milster definerede et mål og designede Nautilus til at opfylde det.

"Vi ønskede at søge 1, 000 potentielt jordlignende planeter for tegn på liv. Så, vi spurgte først, hvilke slags stjerner er mest tilbøjelige til at være vært for planeter? Derefter, hvor langt skal vi gå i rummet for at have 1, 000 jordlignende planeter, der kredser omkring dem? Det viste sig, at det er over 1, 000 lysår - en stor afstand, men stadig kun en lille del af galaksen, " sagde Apai. "Vi beregnede derefter den nødvendige lysopsamlingskraft, som viste sig at svare til et teleskop med en diameter på 50 meter."

Hubble-spejlet er 2,4 meter i diameter og James Webb Space Telescope-spejlet er 6,5 meter i diameter. Begge var designet til forskellige formål og før exoplaneter overhovedet blev opdaget.

"Teleskopspejle samler lys - jo større overfladen er, jo mere stjernelys kan de fange, " sagde Apai. "Men ingen kan bygge et 50 meter spejl. Så vi fandt på Nautilus, som er afhængig af linser, og i stedet for at bygge et umuligt stort 50 meter spejl, vi planlægger at bygge en hel masse identiske mindre linser for at samle den samme mængde lys."

Linserne var inspireret af fyrtårnsobjektiver - store, men lette - og inkluderer yderligere justeringer såsom præcisionsudskæring med diamantspidsværktøjer. Det patenterede design, som er en hybrid mellem refraktive og diffraktive linser, gøre dem mere kraftfulde og velegnede til planetjagt, sagde Milster.

Fordi linserne er lettere end spejle, de er billigere at sende ud i rummet og kan laves hurtigt og billigt ved hjælp af en form. De er også mindre følsomme over for fejljusteringer, gør teleskoper bygget med denne teknologi meget mere økonomiske. Meget ligesom Ford gjorde for biler, Ikea gjorde for møbler, og SpaceX til raketter, Nautilus vil bruge ny teknologi, et enklere design, og letvægtskomponenter for at give billigere og mere effektive teleskoper med mere lysopsamlende kraft.

Nautilus-teleskoper kræver heller ikke nogen fancy observationsteknik.

"Vi har ikke brug for billeddannelse med ekstrem høj kontrast. Vi har ikke brug for et separat rumfartøj med en kæmpe stjerneskærm for at okkulte planetens værtsstjerner. Vi behøver ikke at gå ind i det infrarøde, " sagde Apai. "Det, vi har brug for, er at indsamle masser af lys på en effektiv og billig måde."

I de sidste par årtier, computere, elektronik og dataindsamlingsinstrumenter er alle blevet mindre, billigere, hurtigere og mere effektivt. spejle, på den anden side, er undtagelser fra denne vækst, da de ikke har set store omkostningsreduktioner.

"I øjeblikket, spejle er dyre, fordi det tager år at slibe, polere, pels og test, " sagde Apai. Deres vægt gør dem også dyre at lancere. "Men vores Nautilus-teknologi starter med en form, og ofte tager det kun timer at lave en linse. Vi har også mere kontrol over processen, så hvis vi laver en fejl, vi behøver ikke at starte forfra, som du måske skal med et spejl."

Derudover risiko ville blive fordelt over mange teleskoper, så hvis noget går galt, missionen er ikke skrottet. Mange teleskoper er tilbage.

"Alt er enkelt, billig og replikerbar, og vi kan samle en masse lys, " sagde Apai.

Apai og Milster har en anden vision, hvis de lykkes:"Ved at bruge de lave omkostninger, replikeret rumteleskopteknologi, universiteter ville være i stand til at lancere deres egne små, Jord- eller rumobservationteleskoper. I stedet for at konkurrere om lidt tid på Hubble, de ville få deres eget teleskop, kontrolleret af deres egne hold, " sagde Apai.

I januar, Apai og Milsters team, sammen med UA-assistentprofessor Dae Wook Kim og professor Ronguang Liang fra College of Optical Sciences og Jonathan Arenberg fra Northrop Grumman Aerospace Systems, modtaget 1,1 millioner dollars fra Moore Foundation for at skabe en prototype af et enkelt teleskop og teste det på 61-tommer Kuiper-teleskopet på Mt. Bigelow inden december 2020.

"Universitetet i Arizona er blot et af de få steder i verden, og normalt den første i verden, at generere sådanne banebrydende teleskopsystemer, " sagde Milster. "Og det passer lige i tråd med vores historie og vores fremtrædende plads inden for optiske videnskaber og astronomi, at vi udvikler denne teknologi."