新しい薄型レンズ望遠鏡の設計は、Ars Technica の James Webb を上回る可能性がある

天文学者は以上のものを発見しました 太陽系外には5000の惑星がある デートに行くこと。 大きな問題は、 これらの惑星のうち生命が生息しているのはどれですか?。 その答えを見つけるために、天文学者はおそらく次のことを必要とするでしょう。 より強力な望遠鏡 今日存在するものよりも。

私は 宇宙生物学を研究する天文学者 そして、遠く離れた星の周りの惑星。 過去 7 年間、私は地球の 100 倍の光を集めることができる新しいタイプの宇宙望遠鏡を開発するチームの共同リーダーを務めてきました。 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡、これまでに建設された最大の宇宙望遠鏡。

ハッブル望遠鏡やウェッブ望遠鏡を含むほとんどすべての宇宙望遠鏡は、鏡を使用して光を集めます。 私たちが提案する望遠鏡、 ノーチラス宇宙天文台大きくて重い鏡を、反射望遠鏡よりも軽く、安価で、製造が容易な新しい薄いレンズに置き換えます。 これらの違いにより、多くの個々のモジュールを軌道上に打ち上げて、強力な望遠鏡ネットワークを構築することが可能になります。

より大型の望遠鏡の必要性

系外惑星（太陽以外の星を周回する惑星）は、生命探査の主要なターゲットです。 天文学者は膨大な量の光を集める巨大な宇宙望遠鏡を使用する必要がある これらの暗くて遠い物体を調べてください。

現在の望遠鏡は、地球のような小さな系外惑星を検出できます。 しかし、これらの惑星の化学組成について学び始めるには、かなりの感性が必要です。 ウェッブですら検索できるほど強力ではありません 生命の手がかりとなるいくつかの系外惑星-彼は呼ばれています 大気中のガス。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の価格は次のとおりです。 80億ドルをかけて建設に20年以上かかった。 次の主力望遠鏡は 2045 年までに飛行する予定はなく、2045 年になると推定されています。 110億ドルかかる。 こうした野心的な望遠鏡プロジェクトは常に費用と困難が伴い、その結果、強力ではあるが非常に専門化された 1 つの天文台が誕生します。

新しい種類の望遠鏡

2016年、宇宙の巨人は ノースロップ・グラマン 彼は、私と他の 14 人の教授、NASA の科学者たち (全員が系外惑星と地球外生命体の探索の専門家) をロサンゼルスに招待し、1 つの質問に答えてもらいました。それは、「50 年後の系外惑星にとって宇宙望遠鏡はどうなっているでしょうか?」というものでした。

議論の中で、より強力な望遠鏡の構築を妨げる主なボトルネックは、より大きな鏡を作成して軌道に乗せるという課題であることがわかりました。 このボトルネックを回避するために、私たちの何人かは、屈折レンズと呼ばれる古いテクノロジーを再検討するというアイデアを思いつきました。

従来のレンズは屈折を利用して光を集束させます。 屈折とは光の方向が変わることです 光はある媒体から別の媒体に通過するため、水に入ると光が曲がるのはこのためです。 対照的に、回折は角や障害物の周りで光が曲がるときに発生します。 ガラス表面に巧みに配置された階段と角度のパターンにより、屈折レンズを形成できます。

このタイプの最初のレンズは、軽量レンズを提供するために 1819 年にフランスの科学者オーギュスタン ジャン フレネルによって発明されました。 灯台。 現在、同様の屈折レンズが多くの小型民生用光学機器に使用されています。 カメラのレンズ に 仮想現実ヘッドセット。

屈折レンズは薄くてシンプル 精彩のない画像で知られている, したがって、天文台で使用されたことはありません。 しかし、鮮明度を向上させることができれば、鏡や屈折レンズの代わりに屈折レンズを使用することで、宇宙望遠鏡をより安価で、より軽く、より大型にすることが可能になります。

薄型・高解像度レンズ

会議の後、私はアリゾナ大学に戻り、現代の技術でより優れた画質の屈折レンズを製造できるかどうかを調査することにしました。 私はラッキーです、 トーマス・メルスター– 屈折レンズ設計の世界有数の専門家の一人 – 彼は私の隣の建物で働いています。 私たちはチームを結成して仕事に取り組みました。

その後 2 年間、私たちのチームは、透明なガラスまたはプラスチックに小さな溝の複雑なパターンをエッチングする新しい製造技術を必要とする新しいタイプの屈折レンズを発明しました。 カットの特定のパターンと形状により、入ってくる光がレンズの後ろの 1 点に焦点を合わせます。 新しいデザインが生み出すのは、 ほぼ完璧な画質以前の屈折レンズよりもはるかに優れています。

焦点を決めるのはレンズの厚さではなく表面の質感であるため、レンズを操作しながら簡単にズームインできます。 スリムさと軽量性を維持。 レンズが大きいほどより多くの光が集まり、重量が軽減されます。 より安価に軌道に打ち上げられる– どちらも宇宙望遠鏡の優れた特性です。

2018 年 8 月に、私たちのチームは最初のプロトタイプ、直径 2 インチ (5 cm) のレンズを製造しました。 その後 5 年間にわたって、画質を向上させ、サイズを拡大しました。 現在、従来の屈折レンズよりも10倍軽い直径10インチ（24cm）のレンズが完成中です。

空間回折望遠鏡の出力

この新しいレンズ設計により、宇宙望遠鏡の構築方法を再考することが可能になります。 2019 年に私たちのチームは、というコンセプトを発表しました。 ノーチラス宇宙天文台。

私たちのチームは、この新しい技術を使用すれば、直径 29.5 フィート (8.5 メートル)、厚さ約 0.2 インチ (0.5 cm) のレンズを構築できると考えています。 私たちの新しい望遠鏡のレンズと支持構造の重量は約 1,100 ポンド (500 キログラム) あります。 これらは、同様のサイズのウェッブ ミラーより 3 倍軽く、直径 21 フィート (6.5 m) のウェッブ ミラーよりも大きくなります。

レンズには他にも利点があります。 まず、彼らは、 はるかに簡単かつ迅速に 鏡で作られる まとめて作ることも可能です。 第二に、接眼レンズベースの望遠鏡は、完全に位置合わせされていない場合でも正常に機能するため、これらの望遠鏡は簡単に調整できます。 集まる また、非常に正確な位置合わせが必要なミラーベースの望遠鏡ではなく、宇宙を飛行します。

最後に、ノーチラス号 1 機は軽く、比較的安価に製造できるため、数十機を軌道に乗せることが可能です。 私たちの現在の設計は、実際には単一の望遠鏡ではなく、35 個の個別の望遠鏡モジュールの集合体です。

それぞれの望遠鏡は独立した高感度の天文台となり、ウェッブよりも多くの光を集めることができます。 しかし、ノーチラス号の真の力は、すべての個々の望遠鏡を単一の目標に向けることによってもたらされます。

すべてのモジュールからのデータを統合すると、ノーチラスの集光力はウェッブのほぼ 10 倍大きい望遠鏡に相当します。 この強力な望遠鏡を使用すると、天文学者は数百もの系外惑星の大気中のガスを探索できます。 地球外生命体を指します。

ノーチラス宇宙天文台の打ち上げまではまだ遠いですが、私たちのチームは多くの進歩を遂げてきました。 私たちはこの技術が小規模のプロトタイプで機能することをあらゆる側面から示し、現在は直径 3.3 フィート (1 メートル) のレンズの構築に焦点を当てています。 次のステップは、小型の望遠鏡を気球に乗せて宇宙の果てまで送ることです。

そうは言っても、私たちは NASA の革新的な新しい宇宙望遠鏡を提案する準備ができており、できれば生命の痕跡を求めて何百もの世界を探索する旅に出たいと考えています。

ダニエル・アベイ天文学および惑星科学の研究副学部長および教授。 アリゾナ大学。 この記事はから転載されました 会話 クリエイティブ・コモンズ・ライセンスに基づいて。 読む 元の記事。