Astronomen haben mehr als entdeckt 5.000 Planeten außerhalb des Sonnensystems miteinander ausgehen. Die große Frage ist, ob einer dieser Planeten die Heimat von Leben ist. Um die Antwort zu finden, werden Astronomen wahrscheinlich brauchen leistungsstärkere Teleskope als es heute gibt.
Ich bin ein Astronom, der Astrobiologie studiert und Planeten um entfernte Sterne. In den letzten sieben Jahren war ich Co-Leiter eines Teams, das ein neuartiges Weltraumteleskop entwickelt, das hundertmal mehr Licht sammeln könnte als das James-Webb-Weltraumteleskop, das größte jemals gebaute Weltraumteleskop.
Fast alle Weltraumteleskope, einschließlich Hubble und Webb, sammeln Licht mithilfe von Spiegeln. Unser vorgeschlagenes Teleskop, das Nautilus-Weltraumobservatorium, würde große, schwere Spiegel durch eine neuartige, dünne Linse ersetzen, die viel leichter, billiger und einfacher herzustellen ist als verspiegelte Teleskope. Aufgrund dieser Unterschiede wäre es möglich, viele einzelne Einheiten in die Umlaufbahn zu bringen und ein leistungsstarkes Netzwerk von Teleskopen aufzubauen.
Der Bedarf an größeren Teleskopen
Exoplaneten – Planeten, die andere Sterne als die Sonne umkreisen – sind Hauptziele bei der Suche nach Leben. Astronomen müssen riesige Weltraumteleskope einsetzen, die riesige Lichtmengen sammeln Studieren Sie diese schwachen und weit entfernten Objekte.
Bestehende Teleskope können Exoplaneten entdecken, die so klein wie die Erde sind. Es erfordert jedoch viel mehr Feingefühl, um etwas über die chemische Zusammensetzung dieser Planeten zu erfahren. Sogar Webb ist gerade noch leistungsfähig genug, um zu suchen bestimmte Exoplaneten nach Hinweisen auf Leben– nämlich Gase in der Atmosphäre.
Das James Webb-Weltraumteleskop kostete mehr als 8 Milliarden US-Dollar und der Bau dauerte über 20 Jahre. Der Flug des nächsten Flaggschiff-Teleskops wird voraussichtlich nicht vor 2045 erfolgen 11 Milliarden Dollar gekostet. Diese ehrgeizigen Teleskopprojekte sind immer teuer, aufwändig und führen zu einem einzigen leistungsstarken, aber sehr spezialisierten Observatorium.
Eine neue Art von Teleskop
Im Jahr 2016 Luft- und Raumfahrtriese Northrop Grumman lud mich und 14 andere Professoren und NASA-Wissenschaftler – allesamt Experten für Exoplaneten und die Suche nach außerirdischem Leben – nach Los Angeles ein, um eine Frage zu beantworten: Wie werden Exoplaneten-Weltraumteleskope in 50 Jahren aussehen?
In unseren Diskussionen wurde uns klar, dass ein großer Engpass, der den Bau leistungsfähigerer Teleskope verhindert, die Herausforderung ist, größere Spiegel herzustellen und sie in die Umlaufbahn zu bringen. Um diesen Engpass zu umgehen, kamen einige von uns auf die Idee, eine alte Technologie namens Beugungslinsen erneut zu nutzen.
Herkömmliche Linsen nutzen die Brechung, um Licht zu bündeln. Unter Brechung versteht man die Richtungsänderung des Lichts beim Übergang von einem Medium in ein anderes. Sie ist der Grund dafür, dass sich Licht krümmt, wenn es ins Wasser eintritt. Im Gegensatz dazu liegt die Beugung vor, wenn Licht um Ecken und Hindernisse herum gebogen wird. Ein geschickt angeordnetes Muster aus Stufen und Winkeln auf einer Glasoberfläche kann eine diffraktive Linse bilden.
Die ersten Linsen dieser Art wurden 1819 vom französischen Wissenschaftler Augustin-Jean Fresnel erfunden, um leichte Linsen bereitzustellen Leuchttürme. Heutzutage sind ähnliche diffraktive Linsen in vielen kleinen Verbraucheroptiken zu finden – von Kameraobjektive Zu Virtual-Reality-Headsets.
Dünne, einfache diffraktive Linsen sind berüchtigt für ihre verschwommenen BilderDaher wurden sie nie in astronomischen Observatorien verwendet. Aber wenn man ihre Klarheit verbessern könnte, würde die Verwendung von Beugungslinsen anstelle von Spiegeln oder Brechungslinsen dazu führen, dass ein Weltraumteleskop viel billiger, leichter und größer wird.
Ein dünnes, hochauflösendes Objektiv
Nach dem Treffen kehrte ich an die University of Arizona zurück und beschloss, zu untersuchen, ob moderne Technologie diffraktive Linsen mit besserer Bildqualität herstellen könnte. Glück für mich, Thomas Milster– einer der weltweit führenden Experten für diffraktive Linsenkonstruktion – arbeitet im Gebäude neben mir. Wir bildeten ein Team und machten uns an die Arbeit.
In den folgenden zwei Jahren erfand unser Team eine neue Art von Beugungslinse, die neue Fertigungstechnologien erforderte, um ein komplexes Muster aus winzigen Rillen in ein Stück klares Glas oder Kunststoff zu ätzen. Das spezifische Muster und die Form der Schnitte bündeln das einfallende Licht auf einen einzigen Punkt hinter der Linse. Das neue Design erzeugt a nahezu perfekte Bildqualitätweitaus besser als bisherige diffraktive Linsen.
Da es die Oberflächenbeschaffenheit des Objektivs ist, die für die Fokussierung verantwortlich ist, und nicht die Dicke, können Sie das Objektiv problemlos vergrößern Halten Sie es sehr dünn und leicht. Größere Linsen sammeln mehr Licht und ein geringeres Gewicht bedeutet günstigere Starts in den Orbit– beides großartige Eigenschaften für ein Weltraumteleskop.
Im August 2018 produzierte unser Team den ersten Prototyp, eine Linse mit 2 Zoll (5 Zentimeter) Durchmesser. In den nächsten fünf Jahren haben wir die Bildqualität weiter verbessert und die Größe vergrößert. Wir stellen derzeit eine Linse mit einem Durchmesser von 10 Zoll (24 cm) fertig, die mehr als zehnmal leichter sein wird als eine herkömmliche refraktive Linse.
Leistung eines Beugungs-Weltraumteleskops
Dieses neue Linsendesign ermöglicht es, den Bau eines Weltraumteleskops neu zu überdenken. Im Jahr 2019 veröffentlichte unser Team ein Konzept namens Nautilus-Weltraumobservatorium.
Unser Team hält es für möglich, mithilfe der neuen Technologie eine Linse mit einem Durchmesser von 29,5 Fuß (8,5 Meter) zu bauen, die nur etwa 0,2 Zoll (0,5 cm) dick wäre. Die Linse und die Stützstruktur unseres neuen Teleskops könnten etwa 1.100 Pfund (500 Kilogramm) wiegen. Dies ist mehr als dreimal leichter als ein Spiegel im Webb-Stil ähnlicher Größe und wäre größer als Webbs Spiegel mit einem Durchmesser von 21 Fuß (6,5 Meter).
Die Linsen haben noch weitere Vorteile. Erstens sind sie es viel einfacher und schneller herzustellen als Spiegel und können in großen Mengen hergestellt werden. Zweitens funktionieren linsenbasierte Teleskope auch dann gut, wenn sie nicht perfekt ausgerichtet sind, wodurch diese Teleskope einfacher zu bedienen sind montieren und fliegen im Weltraum als spiegelbasierte Teleskope, die eine äußerst präzise Ausrichtung erfordern.
Da eine einzelne Nautilus-Einheit leicht und relativ kostengünstig herzustellen wäre, wäre es schließlich möglich, Dutzende davon in die Umlaufbahn zu bringen. Bei unserem aktuellen Design handelt es sich tatsächlich nicht um ein einzelnes Teleskop, sondern um eine Konstellation von 35 einzelnen Teleskopeinheiten.
Jedes einzelne Teleskop wäre ein unabhängiges, hochempfindliches Observatorium, das mehr Licht sammeln könnte als Webb. Aber die wahre Kraft von Nautilus würde darin liegen, alle einzelnen Teleskope auf ein einziges Ziel auszurichten.
Durch die Kombination der Daten aller Einheiten würde die Lichtsammelleistung von Nautilus einem Teleskop entsprechen, das fast zehnmal größer als Webb ist. Mit diesem leistungsstarken Teleskop könnten Astronomen Hunderte von Exoplaneten nach atmosphärischen Gasen absuchen, die auf außerirdisches Leben hinweisen könnten.
Obwohl das Nautilus-Weltraumobservatorium noch weit vom Start entfernt ist, hat unser Team große Fortschritte gemacht. Wir haben gezeigt, dass alle Aspekte der Technologie in kleinen Prototypen funktionieren und konzentrieren uns nun auf den Bau einer Linse mit einem Durchmesser von 3,3 Fuß (1 Meter). Unsere nächsten Schritte bestehen darin, eine kleine Version des Teleskops mit einem Ballon in großer Höhe an den Rand des Weltraums zu schicken.
Damit sind wir bereit, der NASA ein revolutionäres neues Weltraumteleskop vorzuschlagen und hoffentlich auf dem Weg zu sein, Hunderte von Welten nach Signaturen des Lebens zu erkunden.
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