Het Richard F. Caris Mirror Laboratory van de Universiteit van Arizona is een wereldleider in de productie van 's werelds grootste telescoopspiegels. In feite, het fabriceert momenteel spiegels voor de grootste en meest geavanceerde telescoop op aarde:de Giant Magellan Telescope.

Maar er zijn beperkingen aan de grootte, variërend van het eigen gewicht van de spiegel, die beelden kunnen vervormen, aan de grootte van onze snelwegen en onderdoorgangen die nodig zijn om afgewerkte stukken te vervoeren. Zulke gigantische spiegels bereiken hun fysieke grenzen, maar als ze dat doen, de UA zal een wereldwijde bijdrage blijven leveren aan de kunst van het verzamelen van licht en verandering teweegbrengen in de manier waarop astronomen de sterren observeren.

"We ontwikkelen een nieuwe technologie om spiegels in ruimtetelescopen te vervangen, " zei UA universitair hoofddocent Daniel Apai, van Steward Observatory en het Lunar and Planetary Laboratory. "Als het ons lukt, zullen we in staat zijn om het lichtverzamelende vermogen van telescopen enorm te vergroten, en onder andere wetenschap, bestudeer de sferen van 1, 000 potentieel aardachtige planeten voor tekenen van leven."

Apai leidt de ruimtewetenschapshelft van het team, terwijl UA-professor Tom Milster, van het James C. Wyant College of Optical Sciences, leidt het optische ontwerp van een repliceerbare ruimtetelescoop genaamd Nautilus. De onderzoekers zijn van plan een vloot van 35 14 meter brede sferische telescopen in te zetten, elk afzonderlijk krachtiger dan de Hubble-ruimtetelescoop.

Elke eenheid bevat een zorgvuldig vervaardigde lens met een diameter van 8,5 meter, die zal worden gebruikt voor astronomische waarnemingen. Een bijzonder interessant gebruik voor Apai is het analyseren van sterrenlicht terwijl het door planetaire atmosferen filtert, een techniek die chemische handtekeningen van het leven zou kunnen onthullen.

Wanneer gecombineerd, de telescooparray zal krachtig genoeg zijn om 1 te karakteriseren 000 planeten buiten het zonnestelsel van zelfs 1 000 lichtjaren. Zelfs de meest ambitieuze ruimtetelescoopmissies van NASA zijn ontworpen om een ​​handvol potentieel aardachtige extrasolaire planeten te bestuderen.

"Zo'n steekproef is misschien te klein om de complexiteit van exo-aarde echt te begrijpen, " volgens Apai en Milster's co-auteur van het artikel, die op 29 juli werd gepubliceerd in de Astronomisch Tijdschrift samen met een aantal andere auteurs, waaronder Steward Observatory-astronoom Glenn Schneider en Alex Bixel, een astronoom en UA-afgestudeerde student.

Om Nautilus te ontwikkelen, Apai en Milster bepaalden een doel en ontwierpen Nautilus om dit doel te bereiken.

"We wilden zoeken 1, 000 potentieel aardachtige planeten voor tekenen van leven. Dus, we vroegen eerst, welke soorten sterren hebben de meeste kans om planeten te herbergen? Vervolgens, hoe ver moeten we in de ruimte gaan om er 1 te hebben 000 aardachtige planeten om hen heen draaien? Het bleek dat het meer dan 1 is 000 lichtjaar - een grote afstand, maar nog steeds maar een klein deel van de melkweg, "Zei Apai. "Toen hebben we het benodigde lichtverzamelvermogen berekend, wat het equivalent bleek te zijn van een telescoop met een diameter van 50 meter."

De Hubble-spiegel heeft een diameter van 2,4 meter en de James Webb Space Telescope-spiegel heeft een diameter van 6,5 meter. Beide zijn ontworpen voor verschillende doeleinden en voordat exoplaneten zelfs maar werden ontdekt.

"Telescoopspiegels verzamelen licht - hoe groter het oppervlak, hoe meer sterrenlicht ze kunnen vangen, "Zei Apai. "Maar niemand kan een spiegel van 50 meter bouwen. Dus bedachten we Nautilus, die afhankelijk is van lenzen, en in plaats van een onmogelijk grote spiegel van 50 meter te bouwen, we zijn van plan een hele reeks identieke kleinere lenzen te bouwen om dezelfde hoeveelheid licht te verzamelen."

De lenzen zijn geïnspireerd op vuurtorenlenzen - groot maar lichtgewicht - en bevatten extra tweaks zoals precisie-carving met diamanten gereedschap. Het gepatenteerde ontwerp, die een hybride is tussen refractieve en diffractieve lenzen, ze krachtiger en geschikter maken voor planeetjacht, zei Milster.

Omdat de lenzen lichter zijn dan spiegels, ze zijn minder duur om in de ruimte te lanceren en kunnen snel en goedkoop worden gemaakt met behulp van een mal. Ze zijn ook minder gevoelig voor verkeerde uitlijning, telescopen gebouwd met deze technologie veel zuiniger maken. Net zoals Ford deed voor auto's, Ikea deed voor meubels, en SpaceX voor raketten, Nautilus zal nieuwe technologie gebruiken, een eenvoudiger ontwerp, en lichtgewicht componenten om goedkopere en efficiëntere telescopen te voorzien van meer lichtopvangvermogen.

Nautilus-telescopen vereisen ook geen fancy observatietechniek.

"We hebben geen extreem contrastrijke beelden nodig. We hebben geen apart ruimtevaartuig met een gigantische sterrenschaduw nodig om de sterren van de planeet te verduisteren. We hoeven niet in het infrarood te gaan, "Zei Apai. "Wat we wel nodig hebben, is om op een efficiënte en goedkope manier veel licht te verzamelen."

In de afgelopen decennia is computers, elektronica en instrumenten voor gegevensverzameling zijn allemaal kleiner geworden, goedkoper, sneller en efficiënter. Spiegels, anderzijds, zijn uitzonderingen op deze groei omdat ze geen grote kostenbesparingen hebben gezien.

"Momenteel, spiegels zijn duur omdat het jaren duurt om te slijpen, Pools, jas en test, "Zei Apai. Hun gewicht maakt ze ook duur om te lanceren. "Maar onze Nautilus-technologie begint met een mal, en vaak duurt het maar enkele uren om een ​​lens te maken. Ook hebben we meer controle over het proces, dus als we een fout maken, we hoeven niet helemaal opnieuw te beginnen zoals je misschien moet doen met een spiegel."

Aanvullend, risico zou worden verdeeld over vele telescopen, dus als er iets mis gaat, de missie wordt niet geschrapt. Veel telescopen blijven.

"Alles is eenvoudig, goedkoop en reproduceerbaar, en we kunnen veel licht verzamelen, ' zei Apa.

Apai en Milster hebben een andere visie als ze erin slagen:"Met behulp van de goedkope, gerepliceerde ruimtetelescooptechnologie, universiteiten hun eigen kleine, Aarde- of ruimteobservatietelescopen. In plaats van tijd te winnen op Hubble, ze zouden hun eigen telescoop krijgen, gecontroleerd door hun eigen teams, ' zei Apa.

In januari, Het team van Apai en Milster, samen met UA-assistent-professor Dae Wook Kim en professor Ronguang Liang van het College of Optical Sciences en Jonathan Arenberg van Northrop Grumman Aerospace Systems, ontving $ 1,1 miljoen van de Moore Foundation om tegen december 2020 een prototype van een enkele telescoop te maken en deze te testen op de 61-inch Kuiper-telescoop op de Bigelow-berg.

"De Universiteit van Arizona is slechts een van de weinige plaatsen ter wereld, en meestal de eerste ter wereld, om zulke baanbrekende telescoopsystemen te genereren, "Zei Milster. "En het past precies in onze geschiedenis en onze bekendheid in optische wetenschappen en astronomie dat we deze technologie ontwikkelen."