يتفوق تصميم تلسكوب جديد رقيق العدسة على James Webb – Ars Technica

اكتشف علماء الفلك المزيد 5000 كوكب خارج المجموعة الشمسية حتى اليوم. هذا سؤال كبير أي واحد من هذه الكواكب هو موطن للحياة. قد تكون هناك حاجة لعلماء الفلك للعثور على الإجابة تلسكوبات عالية الطاقة مما هي عليه اليوم.

أنا عالم فلك يدرس الفيزياء الفلكية والكواكب حول النجوم البعيدة. على مدى السنوات السبع الماضية ، شاركت في رئاسة فريق لتطوير نوع جديد من التلسكوب الفضائي الذي سيجمع مئات المرات من الضوء. تلسكوب جيمس ويب الفضائيأكبر تلسكوب فضائي تم بناؤه على الإطلاق.

تستخدم جميع التلسكوبات الفضائية تقريبًا ، بما في ذلك Hubble و Webb ، المرايا لجمع الضوء. تلسكوبنا المقترح ، مختبر الفضاء نوتيلوس، يستبدل المرايا الكبيرة والثقيلة بعدسة رفيعة جديدة أخف بكثير وأرخص وأسهل في التصنيع من التلسكوبات العاكسة. بسبب هذه الاختلافات ، من الممكن إطلاق العديد من الوحدات المنفصلة في المدار وإنشاء شبكة قوية من التلسكوبات.

الحاجة إلى تلسكوبات أكبر

الكواكب الخارجية – الكواكب التي تدور حول نجوم غير الشمس – هي أهداف رئيسية في البحث عن الحياة. يجب أن يستخدم علماء الفلك تلسكوبات فضائية عملاقة تجمع كميات كبيرة من الضوء ادرس هذه الأشياء القاتمة والبعيدة.

يمكن للتلسكوبات الموجودة اكتشاف الكواكب الصغيرة مثل الأرض. ومع ذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من الحساسية للبدء في التعرف على التركيب الكيميائي لهذه الكواكب. حتى الويب قوي بما يكفي للبحث بعض الكائنات الفضائية بحثًا عن أدلة على الحياة-أعني الغازات في الغلاف الجوي.

تلسكوب جيمس ويب الفضائي أكثر من يستحق الثمن 8 مليارات دولار واستغرق بناؤها أكثر من 20 عامًا. من غير المتوقع أن يطير التلسكوب الرائد القادم قبل عام 2045 التكلفة 11 مليار دولار. دائمًا ما تكون مشاريع التلسكوب الطموحة هذه باهظة الثمن وتتطلب عمالة مكثفة وتخلق مرصدًا قويًا – ولكنه متخصص للغاية -.

نوع جديد من التلسكوب

في عام 2016 ، عملاق الفضاء نورثروب جرومان دعوت نفسي و 14 أستاذًا آخر وعلماء ناسا – جميعهم خبراء في الكواكب الخارجية والبحث عن حياة خارج كوكب الأرض – إلى لوس أنجلوس للإجابة على سؤال واحد: كيف ستبدو التلسكوبات الفضائية للكواكب الخارجية في غضون 50 عامًا؟

في مناقشاتنا ، أدركنا أن العقبة الرئيسية أمام بناء تلسكوبات أكثر قوة هي التحدي المتمثل في بناء مرايا كبيرة وإدخالها في المدار. لتجنب هذه المشكلة ، جاء بعضنا بفكرة إعادة النظر في تقنية قديمة تسمى العدسات الانكسارية.

تستخدم العدسات التقليدية الانكسار لتركيز الضوء. الانكسار هو تغيير اتجاه الضوء عندما ينتقل من وسط إلى آخر – فإنه يتسبب في انحناء الضوء عند دخوله إلى الماء. في المقابل ، يحدث الانتقال عندما ينحني الضوء حول الزوايا والعقبات. يمكن أن يشكل نمط الخطوات والزوايا المرتبة بذكاء على سطح زجاجي عدسة انكسارية.

في عام 1819 ، اخترع العالم الفرنسي أوغستين جان فرينل أول عدسات من هذا القبيل لتوفير عدسات خفيفة الوزن. منارات. اليوم ، توجد عدسات انكسار مماثلة في العديد من البصريات الاستهلاكية الصغيرة. عدسات الكاميرا لكى يفعل سماعات الواقع الافتراضي.

عدسات انكسار رقيقة وبسيطة تشتهر بصورها الباهتة، لذلك لا يتم استخدامها في المراصد الفلكية. ولكن إذا كان بإمكانك تحسين وضوحها ، باستخدام العدسات الانكسارية بدلاً من المرايا أو العدسات الانكسارية ، يمكن أن تكون التلسكوبات الفضائية أرخص بكثير وأخف وزناً وأكبر.

عدسة رفيعة وعالية الدقة

بعد الاجتماع ، عدت إلى جامعة أريزونا وقررت التحقيق فيما إذا كانت التكنولوجيا الحديثة قادرة على إنتاج عدسات انكسارية ذات جودة صورة أفضل. من حسن حظي، توماس ميلسترأحد الخبراء الرائدين على مستوى العالم في تصميم العدسات الانعكاسية – يعمل في المبنى المجاور لمنزلي. شكلنا فريقًا وعملنا.

على مدار العامين التاليين ، اخترع فريقنا نوعًا جديدًا من العدسات الانعكاسية التي تتطلب تقنيات تصنيع جديدة لحفر نمط معقد من الأخاديد الصغيرة إلى قطع من الزجاج أو البلاستيك الشفاف. يعمل الشكل والشكل المحدد للشقوق على تركيز الضوء الوارد على نقطة خلف العدسة. تصميم جديد يخلق a جودة صورة مثالية تقريبًاأفضل بكثير من العدسات الانكسارية السابقة.

يكون التركيز على نسيج سطح العدسة ، وليس سمكها ، ويمكنك بسهولة تكبير العدسة. يحافظ على النحافة والخفة. تجمع العدسات الأكبر حجمًا مزيدًا من الضوء وتزن أقل إطلاق أرخص إلى المداراثنين من الخصائص البارزة للتلسكوب الفضائي.

في أغسطس 2018 ، قام فريقنا ببناء أول نموذج أولي ، وهو عدسة بقطر 2 بوصة (5 سنتيمترات). على مدى السنوات الخمس التالية ، قمنا بتحسين جودة الصورة وزيادة الحجم. نحن الآن بصدد استكمال عدسة قطرها 10 بوصات (24 سم) وهي أخف بعشر مرات من العدسة الانكسارية التقليدية.

قوة انحراف تلسكوب الفضاء

يساعد تصميم العدسة الجديد هذا في إعادة التفكير في كيفية بناء التلسكوبات الفضائية. في عام 2019 ، أصدر فريقنا تعليقًا مختبر نوتيلوس الفضائي.

باستخدام التكنولوجيا الجديدة ، يعتقد فريقنا أنه من الممكن إنشاء عدسة قطرها 29.5 قدمًا (8.5 مترًا) بسمك 0.2 بوصة (0.5 سم). تزن عدسة التلسكوب الجديد ونظام الدعم لدينا حوالي 1100 رطل (500 كجم). إنها أخف بثلاث مرات من مرآة ذات حجم مماثل بنمط Webb وأكبر من مرآة Webb التي يبلغ قطرها 21 قدمًا (6.5 متر).

العدسات لها فوائد أخرى أيضًا. اولا هم سهل جدا وسريع التصنيع بدلاً من الزجاج ويمكن القيام به بكميات كبيرة. ثانيًا ، تعمل التلسكوبات القائمة على العدسة بشكل جيد حتى لو لم يتم محاذاة بشكل صحيح ، مما يجعل استخدام هذه التلسكوبات أسهل. نلتقي وتطير في الفضاء أكثر من التلسكوبات القائمة على المرآة ، والتي تتطلب محاذاة أكثر دقة.

أخيرًا ، نظرًا لأن وحدة Nautilus واحدة خفيفة ورخيصة نسبيًا في التصنيع ، يمكن وضع العشرات في المدار. تصميمنا الحالي ليس تلسكوبًا حقًا ، ولكنه كوكبة مكونة من 35 وحدة تلسكوب فردية.

سيكون كل تلسكوب فرديًا مرصدًا مستقلاً وحساسًا للغاية قادرًا على جمع ضوء أكثر من الويب. لكن القوة الحقيقية لـ Nautilus تأتي من تشغيل جميع التلسكوبات الفردية على نفس الهدف.

من خلال دمج البيانات من جميع الوحدات ، فإن قدرة نوتيلوس لجمع الضوء تعادل تلسكوبًا أكبر بعشر مرات من تلسكوب ويب. باستخدام هذا التلسكوب القوي ، يمكن لعلماء الفلك البحث في مئات الكواكب الخارجية عن غازات الغلاف الجوي. يشير إلى الحياة خارج كوكب الأرض.

على الرغم من أن مرصد نوتيلوس الفضائي لا يزال بعيدًا عن الإطلاق ، فقد حقق فريقنا الكثير من التقدم. بعد أن أظهرنا أن جميع جوانب التكنولوجيا تعمل في نماذج أولية صغيرة الحجم ، فإننا نركز الآن على تطوير عدسة بقطر 3.3 قدم (1 متر). تتمثل خطواتنا التالية في إرسال نسخة أصغر من التلسكوب إلى حافة الفضاء في منطاد مرتفع.

مع ذلك ، سنكون مستعدين لاقتراح تلسكوب فضائي ثوري جديد لناسا وسنكون في طريقنا لاستكشاف مئات العوالم بحثًا عن توقيعات الحياة.

دانيال ابيعميد مشارك للبحوث وأستاذ علم الفلك وعلوم الكواكب ، جامعة أريزونا. تم إعادة نشر هذه المقالة محادثة تحت رخصة المشاع الإبداعي. واصل القراءة المقالة الأصلية.