Các nhà thiên văn học đã khám phá ra hơn 5000 hành tinh ngoài hệ mặt trời đi hẹn hò. Câu hỏi lớn là liệu Hành tinh nào trong số những hành tinh này là ngôi nhà của sự sống?. Để tìm ra câu trả lời, các nhà thiên văn học có thể sẽ cần Kính thiên văn mạnh hơn hơn những gì tồn tại ngày nay.

Tôi là Nhà thiên văn học nghiên cứu sinh học vũ trụ Và các hành tinh xung quanh các ngôi sao xa xôi. Trong bảy năm qua, tôi đã đồng lãnh đạo một nhóm phát triển một loại kính viễn vọng không gian mới có thể thu được lượng ánh sáng gấp 100 lần so với Trái đất. Kính thiên văn vũ trụ James Webbkính viễn vọng không gian lớn nhất từng được chế tạo.

Hầu như tất cả các kính viễn vọng không gian, kể cả Hubble và Webb, đều thu thập ánh sáng bằng gương. kính thiên văn đề xuất của chúng tôi, Đài thiên văn vũ trụ NautilusNó sẽ thay thế những chiếc gương lớn, nặng bằng một thấu kính mỏng mới nhẹ hơn, rẻ hơn và dễ sản xuất hơn kính thiên văn phản xạ. Do những khác biệt này, có thể phóng nhiều mô-đun riêng lẻ vào quỹ đạo và tạo ra một mạng lưới kính viễn vọng mạnh mẽ.

Sự cần thiết của kính thiên văn lớn hơn

Các ngoại hành tinh – các hành tinh quay quanh các ngôi sao khác ngoài Mặt trời – là những mục tiêu chính trong quá trình tìm kiếm sự sống. Các nhà thiên văn học cần sử dụng kính viễn vọng không gian khổng lồ thu thập lượng ánh sáng khổng lồ Kiểm tra những vật thể mờ và ở xa này.

Các kính viễn vọng hiện tại có thể phát hiện các ngoại hành tinh nhỏ như Trái đất. Tuy nhiên, cần rất nhạy cảm để bắt đầu tìm hiểu về thành phần hóa học của các hành tinh này. Ngay cả Webb cũng không đủ mạnh để tìm kiếm Một số ngoại hành tinh để tìm manh mối về sự sống-anh ấy được gọi khí trong khí quyển.

Kính viễn vọng không gian James Webb đắt hơn 8 tỷ USD và mất hơn 20 năm để xây dựng. Kính viễn vọng hàng đầu tiếp theo dự kiến ​​​​sẽ không bay trước năm 2045 và được ước tính là chi phí 11 tỷ đô la. Những dự án kính viễn vọng đầy tham vọng này luôn tốn kém và khó khăn và dẫn đến một đài quan sát mạnh mẽ – nhưng rất chuyên dụng.

Một loại kính thiên văn mới

Năm 2016, gã khổng lồ vũ trụ Northrop Grumman Anh ấy mời tôi cùng 14 giáo sư khác và các nhà khoa học của NASA—tất cả đều là chuyên gia về các ngoại hành tinh và tìm kiếm sự sống ngoài trái đất—đến Los Angeles để trả lời một câu hỏi: Các kính viễn vọng không gian sẽ trông như thế nào đối với các ngoại hành tinh trong 50 năm nữa?

Trong các cuộc thảo luận của mình, chúng tôi nhận ra rằng nút cổ chai chính ngăn cản việc chế tạo những chiếc kính thiên văn mạnh hơn là thách thức trong việc chế tạo những chiếc gương lớn hơn và đưa chúng vào quỹ đạo. Để vượt qua nút cổ chai này, một số người trong chúng tôi đã nảy ra ý tưởng xem xét lại một công nghệ cũ gọi là thấu kính khúc xạ.

Thấu kính thông thường sử dụng khúc xạ để hội tụ ánh sáng. Khúc xạ là khi ánh sáng thay đổi hướng Bởi vì nó truyền từ môi trường này sang môi trường khác – đó là lý do tại sao ánh sáng bị bẻ cong khi đi vào nước. Ngược lại, nhiễu xạ xảy ra khi ánh sáng uốn cong quanh các góc và chướng ngại vật. Mô hình các bước và góc được sắp xếp khéo léo trên bề mặt thủy tinh có thể tạo thành một thấu kính khúc xạ.

Những thấu kính đầu tiên thuộc loại này được phát minh bởi nhà khoa học người Pháp Augustin-Jean Fresnel vào năm 1819 để cung cấp những thấu kính nhẹ ngọn hải đăng. Ngày nay, các thấu kính khúc xạ tương tự có thể được tìm thấy trong nhiều thiết bị quang học tiêu dùng nhỏ gọn – từ ống kính máy ảnh ĐẾN Tai nghe thực tế ảo.

Thấu kính khúc xạ mỏng và đơn giản Nó được biết đến với hình ảnh mờ nhạt của nó, vì vậy nó chưa bao giờ được sử dụng trong các đài quan sát thiên văn. Nhưng nếu bạn có thể cải thiện độ sắc nét của chúng, thì việc sử dụng thấu kính khúc xạ thay vì gương hoặc thấu kính khúc xạ sẽ cho phép kính viễn vọng không gian rẻ hơn, nhẹ hơn và lớn hơn nhiều.

Ống kính mỏng, độ phân giải cao

Sau cuộc họp, tôi quay trở lại Đại học Arizona và quyết định tìm hiểu xem liệu công nghệ hiện đại có thể tạo ra các thấu kính khúc xạ có chất lượng hình ảnh tốt hơn hay không. Tôi may mắn, Thomas Melster– một trong những chuyên gia hàng đầu thế giới về thiết kế thấu kính khúc xạ – làm việc ở tòa nhà bên cạnh tôi. Chúng tôi thành lập một đội và bắt tay vào việc.

Trong hai năm tiếp theo, nhóm của chúng tôi đã phát minh ra một loại thấu kính khúc xạ mới đòi hỏi các kỹ thuật sản xuất mới để khắc một mô hình phức tạp gồm các rãnh nhỏ lên một mảnh thủy tinh hoặc nhựa trong suốt. Mẫu và hình dạng cụ thể của các vết cắt sẽ tập trung ánh sáng tới vào một điểm duy nhất phía sau thấu kính. Thiết kế mới tạo ra một Chất lượng hình ảnh gần như hoàn hảoTốt hơn nhiều so với các thấu kính khúc xạ trước đây.

Vì chính kết cấu của bề mặt thấu kính mới là tiêu điểm chứ không phải độ dày nên bạn có thể dễ dàng phóng to ống kính khi đang ở đó Giữ cho nó mỏng và nhẹ. Các ống kính lớn hơn thu được nhiều ánh sáng hơn và có nghĩa là trọng lượng thấp hơn Rẻ hơn phóng vào quỹ đạo– cả hai thuộc tính tuyệt vời của kính viễn vọng không gian.

Vào tháng 8 năm 2018, nhóm của chúng tôi đã sản xuất nguyên mẫu đầu tiên, một thấu kính có đường kính 2 inch (5 cm). Trong năm năm tiếp theo, chúng tôi đã cải thiện chất lượng hình ảnh và tăng kích thước. Chúng tôi hiện đang hoàn thiện một thấu kính có đường kính 10 inch (24 cm) sẽ nhẹ hơn 10 lần so với thấu kính khúc xạ thông thường.

Kính thiên văn nhiễu xạ không gian

Thiết kế thấu kính mới này cho phép suy nghĩ lại về cách chế tạo kính viễn vọng không gian. Vào năm 2019, nhóm của chúng tôi đã xuất bản một khái niệm có tên là Đài thiên văn vũ trụ Nautilus.

Bằng cách sử dụng công nghệ mới, nhóm của chúng tôi tin rằng có thể chế tạo một thấu kính có đường kính 29,5 feet (8,5 mét) với độ dày khoảng 0,2 inch (0,5 cm). Thấu kính và cấu trúc hỗ trợ cho kính viễn vọng mới của chúng tôi có thể nặng khoảng 1.100 pound (500 kg). Chúng nhẹ hơn ba lần so với gương Webb có kích thước tương tự và sẽ lớn hơn gương Webb có đường kính 21 foot (6,5 m).

Ống kính cũng có những lợi ích khác. Đầu tiên, họ là Dễ dàng hơn và nhanh hơn được làm bằng gương Nó có thể được thực hiện chung. Thứ hai, kính thiên văn dựa trên thị kính hoạt động tốt ngay cả khi chúng không được căn chỉnh hoàn hảo, điều này làm cho những kính thiên văn này dễ dàng hơn thu thập Và bay trong không gian chứ không phải kính thiên văn dựa trên gương, vốn đòi hỏi sự liên kết rất chính xác.

Cuối cùng, vì một chiếc Nautilus đơn lẻ sẽ nhẹ và tương đối rẻ để sản xuất, nên có thể đưa hàng chục chiếc vào quỹ đạo. Thiết kế hiện tại của chúng tôi không thực sự là một chiếc kính thiên văn đơn lẻ, mà là một chòm sao gồm 35 mô-đun kính thiên văn riêng lẻ.

Mỗi kính viễn vọng riêng lẻ sẽ là một đài quan sát độc lập, có độ nhạy cao, có khả năng thu thập nhiều ánh sáng hơn Webb. Nhưng sức mạnh thực sự của Nautilus sẽ đến từ việc biến tất cả các kính thiên văn riêng lẻ hướng tới một mục tiêu duy nhất.

Bằng cách tích hợp dữ liệu từ tất cả các mô-đun, sức mạnh thu thập ánh sáng của Nautilus sẽ tương đương với một chiếc kính viễn vọng lớn hơn gần 10 lần so với của Webb. Với kính thiên văn mạnh mẽ này, các nhà thiên văn học có thể tìm kiếm khí trong bầu khí quyển của hàng trăm ngoại hành tinh Đề cập đến cuộc sống ngoài trái đất.

Mặc dù Đài quan sát không gian Nautilus vẫn còn lâu mới được ra mắt, nhóm của chúng tôi đã đạt được rất nhiều tiến bộ. Chúng tôi đã cho thấy tất cả các khía cạnh của công nghệ hoạt động trong các nguyên mẫu quy mô nhỏ và hiện đang tập trung vào việc chế tạo một thấu kính có đường kính 3,3 feet (1 mét). Các bước tiếp theo của chúng tôi là gửi một phiên bản nhỏ của kính viễn vọng đến rìa không gian trên một khinh khí cầu cao.

Như đã nói, chúng tôi sẽ sẵn sàng đề xuất kính viễn vọng không gian mới mang tính cách mạng của NASA và hy vọng chúng tôi đang trên đường khám phá hàng trăm thế giới để tìm dấu hiệu của sự sống.

Daniel AbayPhó trưởng khoa nghiên cứu và giáo sư thiên văn học và khoa học hành tinh. Đại học Arizona. Bài viết này đã được đăng lại từ Cuộc hội thoại Theo Giấy phép Creative Commons. Đọc bài báo gốc.