يمكن لتصميم تلسكوب جديد رقيق العدسة أن يتفوق كثيرًا على جيمس ويب – وداعًا للمرايا ، يا عدسات الانعكاس

اكتشف علماء الفلك أكثر من 5000 كوكب خارج النظام الشمسي حتى الآن. السؤال الكبير هو ما إذا كان أي من هذه الكواكب موطنًا للحياة. للعثور على الإجابة ، سيحتاج علماء الفلك على الأرجح إلى تلسكوبات أكثر قوة مما هو موجود اليوم.

أنا عالم فلك يدرس علم الأحياء الفلكية والكواكب حول النجوم البعيدة. على مدار السنوات السبع الماضية ، كنت أشارك في قيادة فريق يقوم بتطوير نوع جديد من تلسكوب فضائي يمكنه جمع ضوء أكثر بمئة مرة من تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، أكبر تلسكوب فضائي تم بناؤه على الإطلاق.

تجمع جميع التلسكوبات الفضائية تقريبًا ، بما في ذلك هابل وويب ، الضوء باستخدام المرايا. سيحل تلسكوبنا المقترح ، مرصد نوتيلوس الفضائي ، محل المرايا الكبيرة والثقيلة بعدسة جديدة رفيعة أخف بكثير وأرخص وأسهل في الإنتاج من التلسكوبات ذات المرايا. بسبب هذه الاختلافات ، سيكون من الممكن إطلاق العديد من الوحدات الفردية 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. يحتاج علماء الفلك إلى استخدام التلسكوبات الفضائية العملاقة التي تجمع كميات هائلة من الضوء لدراسة هذه الأجسام البعيدة والبعيدة.

يمكن للتلسكوبات الحالية اكتشاف الكواكب الخارجية الصغيرة مثل الأرض. ومع ذلك ، فإن الأمر يتطلب الكثير من الحساسية للبدء في التعرف على التركيب الكيميائي لهذه الكواكب. حتى Webb بالكاد قوي بما يكفي للبحث عن بعض الكواكب الخارجية بحثًا عن أدلة على الحياة – أي الغازات في الغلاف الجوي.

كلف تلسكوب جيمس ويب الفضائي أكثر من 8 مليارات دولار واستغرق بناؤه أكثر من 20 عامًا. من غير المتوقع أن يطير التلسكوب الرئيسي القادم قبل عام 2045 ويقدر تكلفته بـ 11 مليار دولار. إن مشاريع التلسكوب الطموحة هذه دائمًا ما تكون باهظة الثمن وشاقة وتنتج مرصدًا واحدًا قويًا – ولكنه متخصص جدًا -.

نوع جديد من التلسكوب

في عام 2016 ، دعاني عملاق الفضاء نورثروب غرومان 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 عنق الزجاجة الرئيسي الذي يمنع بناء تلسكوبات أكثر قوة هو التحدي المتمثل في صنع مرايا أكبر وإدخالها في المدار. لتجاوز هذا الاختناق ، ابتكر القليل منا فكرة إعادة النظر في تقنية قديمة تسمى العدسات الانكسارية.

تستخدم العدسات التقليدية الانكسار لتركيز الضوء. يحدث الانكسار عندما يغير الضوء اتجاهه أثناء مروره من وسط إلى آخر – وهذا هو سبب انحناء الضوء عند دخوله إلى الماء. في المقابل ، يحدث الانعراج عندما ينحني الضوء حول الزوايا والعوائق. يمكن أن يشكل نمط الخطوات والزوايا المرتبة بذكاء على سطح زجاجي عدسة انكسارية.

اخترع العالم الفرنسي أوغستين جان فرينل أول عدسات من هذا القبيل في عام 1819 لتوفير عدسات خفيفة الوزن للمنارات. اليوم ، يمكن العثور على عدسات انعكاس مماثلة في العديد من البصريات الاستهلاكية صغيرة الحجم – من عدسات الكاميرا إلى سماعات الواقع الافتراضي.

تشتهر العدسات الانكسارية الرقيقة والبسيطة بصورها الباهتة ، لذلك لم يتم استخدامها مطلقًا في المراصد الفلكية. ولكن إذا كان بإمكانك تحسين وضوحها ، فإن استخدام العدسات الانكسارية بدلاً من المرايا أو العدسات الانكسارية سيسمح لتلسكوب فضائي بأن يكون أرخص بكثير وأخف وزناً وأكبر.

عدسة رفيعة وعالية الدقة

بعد الاجتماع ، عدت إلى جامعة أريزونا وقررت استكشاف ما إذا كانت التكنولوجيا الحديثة يمكنها إنتاج عدسات انكسارية ذات جودة صورة أفضل. من حسن حظي أن توماس ميلستر – أحد الخبراء الرائدين في العالم في تصميم العدسات الانكسارية – يعمل في المبنى المجاور لمنصبي. شكلنا فريقًا وبدأنا العمل.

على مدار العامين التاليين ، اخترع فريقنا نوعًا جديدًا من العدسات الانكسارية التي تتطلب تقنيات تصنيع جديدة لحفر نمط معقد من الأخاديد الصغيرة على قطعة من الزجاج أو البلاستيك الشفاف. يركز النمط والشكل المحدد للتخفيضات الضوء الوارد على نقطة واحدة خلف العدسة. ينتج التصميم الجديد صورة بجودة شبه مثالية ، أفضل بكثير من عدسات الانعراج السابقة.

نظرًا لأن نسيج سطح العدسة هو الذي يقوم بالتركيز وليس السُمك ، يمكنك بسهولة تكبير العدسة مع إبقائها رفيعة جدًا وخفيفة الوزن. تجمع العدسات الأكبر مزيدًا من الضوء ، والوزن المنخفض يعني عمليات إطلاق أرخص إلى المدار – وكلاهما من السمات الرائعة للتلسكوب الفضائي.

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

قوة تلسكوب حيود الفضاء

يتيح تصميم العدسة الجديد هذا إعادة التفكير في كيفية بناء تلسكوب فضائي. في عام 2019 ، نشر فريقنا مفهومًا يسمى مرصد نوتيلوس الفضائي.

باستخدام التكنولوجيا الجديدة ، يعتقد فريقنا أنه من الممكن بناء عدسة يبلغ قطرها 29.5 قدمًا (8.5 مترًا) بسمك حوالي 0.2 بوصة (0.5 سم). يمكن أن تزن العدسة وهيكل الدعم لتلسكوبنا الجديد حوالي 1100 رطل (500 كيلوغرام). هذه هي أخف بثلاث مرات من مرآة من طراز Webb بحجم مماثل وستكون أكبر من مرآة Webb التي يبلغ قطرها 21 قدمًا (6.5 متر).

للعدسات فوائد أخرى أيضًا. أولاً ، إنها أسهل وأسرع بكثير في تصنيعها من المرايا ويمكن تصنيعها بكميات كبيرة. ثانيًا ، تعمل التلسكوبات القائمة على العدسة بشكل جيد حتى عندما لا تكون محاذية بشكل مثالي ، مما يجعل تجميع هذه التلسكوبات والطيران في الفضاء أسهل من التلسكوبات القائمة على المرآة ، والتي تتطلب محاذاة دقيقة للغاية.

أخيرًا ، نظرًا لأن وحدة Nautilus واحدة ستكون خفيفة ورخيصة نسبيًا لإنتاجها ، فسيكون من الممكن وضع العشرات منها في المدار. تصميمنا الحالي ليس في الواقع تلسكوبًا واحدًا ، ولكنه كوكبة مكونة من 35 وحدة تلسكوب فردية.

سيكون كل تلسكوب فرديًا مرصدًا مستقلاً وحساسًا للغاية قادرًا على جمع ضوء أكثر من Webb. لكن القوة الحقيقية لـ Nautilus ستأتي من تحويل جميع التلسكوبات الفردية نحو هدف واحد.

من خلال دمج البيانات من جميع الوحدات ، فإن قوة جمع الضوء لـ Nautilus ستعادل تلسكوبًا أكبر بعشر مرات تقريبًا من Webb. باستخدام هذا التلسكوب القوي ، يمكن لعلماء الفلك البحث في مئات الكواكب الخارجية عن غازات الغلاف الجوي التي قد تشير إلى وجود حياة خارج كوكب الأرض.

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

مع ذلك ، سنكون مستعدين لاقتراح تلسكوب فضائي ثوري جديد لوكالة ناسا ، ونأمل أن نكون في طريقنا لاستكشاف مئات العوالم بحثًا عن توقيعات الحياة.