Σχεδιασμός διαστημικών τηλεσκοπίων επόμενης γενιάς:Ένας ορθογώνιος καθρέφτης για την ανακάλυψη εξωπλανητών
Οι αστρονόμοι επανεξετάζουν ένα από τα παλαιότερα εργαλεία τους:τον καθρέφτη του τηλεσκοπίου.
Μια νέα μελέτη με επικεφαλής τη Δρ. Heidi Newberg του Πολυτεχνικού Ινστιτούτου Rensselaer προτείνει έναν ανορθόδοξο αλλά εξαιρετικά αποτελεσματικό σχεδιασμό για την επόμενη γενιά διαστημικών τηλεσκοπίων:έναν μακρύ, στενό ορθογώνιο καθρέφτη, αντί του παραδοσιακού κυκλικού τύπου. Η έρευνά τους, που δημοσιεύτηκε την 1η Σεπτεμβρίου στο Frontiers in Astronomy and Space Sciences , υποδηλώνει ότι αυτή η αλλαγή στο σχήμα θα μπορούσε να καταστήσει δραματικά ευκολότερο —για να μην αναφέρουμε φθηνότερο— τον εντοπισμό κατοικήσιμων πλανητών σαν τη Γη γύρω από κοντινά αστέρια.
«Δείχνουμε ότι είναι δυνατό να βρούμε κοντινούς πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη να περιφέρονται γύρω από αστέρια που μοιάζουν με τον ήλιο με ένα τηλεσκόπιο που έχει περίπου το ίδιο μέγεθος με το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb», έγραψε ο Newberg σε ένα άρθρο που συνοδεύει την εφημερίδα, «με έναν καθρέφτη που είναι ορθογώνιο ένα επί 20 μέτρα αντί για κύκλο διαμέτρου 6,5 μέτρων.
The Exoplanet Imaging Challenge
Η εύρεση μιας άλλης Γης είναι το ιερό δισκοπότηρο της σύγχρονης αστρονομίας. Το επερχόμενο Παρατηρητήριο Habitable Worlds (HWO) της NASA έχει σχεδιαστεί ειδικά για αυτήν την αποστολή. Αλλά το να βλέπεις έναν πλανήτη στο μέγεθος της Γης να περιφέρεται γύρω από ένα αστέρι δεκάδες έτη φωτός μακριά είναι σαν να προσπαθείς να εντοπίσεις μια πυγολαμπίδα δίπλα σε μια λάμπα από όλη τη χώρα.
Η κύρια πρόκληση είναι η γωνιακή ανάλυση:η ικανότητα διάκρισης δύο κοντινών αντικειμένων. Σε αυτή την περίπτωση, ένας αχνός πλανήτης και το συντριπτικά φωτεινό αστέρι του ξενιστή. Σε υπέρυθρα μήκη κύματος βέλτιστα για την ανίχνευση υδρατμών και οξυγόνου, ακόμη και το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) των 10 δισεκατομμυρίων δολαρίων της NASA υπολείπεται. Για να εντοπίσετε έναν πλανήτη που μοιάζει με τη Γη σε απόσταση 30 ετών φωτός, οι επιστήμονες εκτιμούν ότι θα χρειαστείτε έναν καθρέφτη πλάτους περίπου 20 μέτρων.
Αυτή είναι τριπλάσια από τη διάμετρο του JWST. Και η κατασκευή και η εκτόξευση ενός τόσο τεράστιου κυκλικού καθρέφτη στο διάστημα είναι, προς το παρόν, απρόσιτη.
Πλεονέκτημα A Long Mirror's Advantage
Αντί να κλιμακώσει έναν κυκλικό καθρέφτη, η Newberg και η ομάδα της προτείνουν να τον τεντώσουν. Σχεδίασαν έναν καθρέφτη μήκους 20 μέτρων και πλάτους μόλις ενός μέτρου. Αυτό το λεπτό ορθογώνιο υψηλής αναλογίας θα εστίαζε το φως πιο στενά προς μία κατεύθυνση, δίνοντάς του τη γωνιακή ανάλυση που απαιτείται για να διαχωριστεί ένας πλανήτης από το άστρο του—χωρίς να επιβαρύνει το κόστος και την πολυπλοκότητα ενός πλήρους κυκλικού καθρέφτη 20 μέτρων.
Λειτουργώντας σε αυτό το μήκος κύματος, ο ορθογώνιος καθρέφτης θα ταίριαζε με την ευαισθησία του JWST, αλλά θα την ξεπερνούσε στην ικανότητα ανάλυσης. Όλα με χώρο συλλογής ελαφρώς μικρότερο από το JWST.
Υπάρχει μια ατάκα:ο προσανατολισμός του καθρέφτη έχει σημασία. Επειδή η ευκρινέστερη ανάλυσή του είναι κατά μήκος του μεγάλου άξονά του, το τηλεσκόπιο θα χρειαστεί να περιστραφεί για να απεικονίσει πλανήτες σε διαφορετικές θέσεις γύρω από τα αστέρια τους. Αλλά οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι μόνο δύο εκθέσεις, λαμβανόμενες υπό ορθή γωνία, θα ήταν αρκετές για να εντοπίσουν τους περισσότερους εξωπλανήτες.
Λιγότερος καθρέφτης, περισσότερη δύναμη
Ο ορθογώνιος σχεδιασμός είναι δυνητικά πιο αποτελεσματικός από οποιαδήποτε από τις κορυφαίες εναλλακτικές λύσεις. Σε προσομοιώσεις αστρικών συστημάτων εντός 10 parsecs (περίπου 32,6 έτη φωτός), η ομάδα διαπίστωσε ότι το τηλεσκόπιό της μπορούσε να ανιχνεύσει 27 πλανήτες που μοιάζουν με τη Γη στην κατοικήσιμη ζώνη με μόλις 10 ημέρες έκθεσης ανά αστέρι.
"Αν υπάρχει περίπου ένας πλανήτης σαν τη Γη που περιστρέφεται γύρω από το μέσο αστέρι που μοιάζει με ήλιο", είπε ο Newberg, σύμφωνα με το Space.com , "τότε θα βρίσκαμε περίπου 30 πολλά υποσχόμενους πλανήτες."
Οι υπολογισμοί τους προϋποθέτουν μέτρια όργανα που έχουν ήδη αναπτυχθεί για το JWST, όπως το Mid-Infrared Instrument (MIRI) και έναν στεφανογράφο ικανό να μπλοκάρει το φως των αστεριών. Δεν απαιτείται πρωτοποριακή νέα τεχνολογία. Ακόμη και το σύστημα ψύξης και η ανάπτυξη του καθρέφτη θα μπορούσαν να δανειστούν από το σχέδιο του JWST.
Και ο σχεδιασμός θα ταίριαζε —κυριολεκτικά— στις δυνατότητες των σημερινών πυραύλων. Μια διπλωμένη έκδοση του συστήματος ορθογώνιου καθρέφτη θα μπορούσε ενδεχομένως να επιβιβαστεί σε ένα Falcon Heavy.
Θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε τη ζωή;
Απεικόνιση με τεχνητή νοημοσύνη ενός πλούσιου σε νερό εξωπλανήτη. Ο εντοπισμός πλανητών στο μέγεθος της Γης είναι μόνο το πρώτο βήμα. Το πραγματικό έπαθλο θα ήταν η ανίχνευση σημείων ζωής στην ατμόσφαιρά τους. Και εδώ, επίσης, λάμπει το ορθογώνιο τηλεσκόπιο.
Η μελέτη εκτιμά ότι, μετά την ανακάλυψη, οι επακόλουθες παρατηρήσεις θα μπορούσαν να ανιχνεύσουν το όζον - έναν αντιπρόσωπο για το ατμοσφαιρικό οξυγόνο και, κατ' επέκταση, τη δυνητική φωτοσύνθεση - σε περίπου δώδεκα πλανήτες κατά τη διάρκεια ενός έτους. Μια ελαφρώς μεγαλύτερη αποστολή 3,5 ετών θα μπορούσε να επιτύχει τον πρωταρχικό στόχο του Παρατηρητηρίου Habitable Worlds:τον εντοπισμό και τον χαρακτηρισμό 25 δυνητικά κατοικήσιμων εξωπλανητών.
«Ενώ το σχέδιό μας θα χρειαστεί περαιτέρω μηχανική και βελτιστοποίηση προτού διασφαλιστούν οι δυνατότητές του», έγραψε ο Newberg, «δεν υπάρχουν προφανείς απαιτήσεις που χρειάζονται έντονη τεχνολογική ανάπτυξη, όπως συμβαίνει με άλλες κορυφαίες ιδέες».
Αυτό περιλαμβάνει την συμβολομετρία, τη σύνθετη τεχνική του συνδυασμού φωτός από πολλαπλά διαστημόπλοια με ακρίβεια νανομέτρων. Επίσης, ξεπερνά τα κυκλικά τηλεσκόπια παρόμοιας περιοχής, τα οποία η ομάδα διαπίστωσε ότι δεν ήταν ικανά να επιλύσουν τους εξωπλανήτες λόγω ενός μεγαλύτερου ορίου περίθλασης. Ένα τετράγωνο τηλεσκόπιο με την ίδια περιοχή συλλογής θα μπορούσε να ανιχνεύσει μόνο το 5% των αναλογικών πλανητών της Γης στην προσομοίωση.
Γιατί αυτό έχει σημασία τώρα
Η αναζήτηση για κατοικήσιμους εξωπλανήτες είναι μεταξύ των κορυφαίων προτεραιοτήτων της Δεκαετιακής Έρευνας των Εθνικών Ακαδημιών για την Αστρονομία και την Αστροφυσική. Και με τα τηλεσκόπια όπως το JWST και το Παρατηρητήριο Vera C. Rubin να έχουν ήδη επανάσταση στην άποψή μας για τον κόσμο, η αστρονομική κοινότητα συζητά ενεργά πώς θα είναι η επόμενη ναυαρχίδα της αποστολής.
Οι περισσότερες ιδέες στο τραπέζι - συμπεριλαμβανομένων των LUVOIR και HabEx - απαιτούν είτε τεράστια μηχανικά άλματα, όπως εξαιρετικά ακριβή συμβολομετρία ή τεράστιες αναπτύξεις πολλαπλών καθρεφτών, είτε περιορισμένες δυνατότητες που περιορίζονται στο ορατό και το υπεριώδες φως. Η ορθογώνια ιδέα, αντίθετα, προσφέρει μια διαδρομή σχετικά χαμηλής τεχνολογίας και υψηλής απόδοσης για την απεικόνιση μιας άλλης Γης.
Και ίσως το πιο σημαντικό, απαντά στο ερώτημα:Μπορούμε να ανιχνεύσουμε ζωή στην κοσμική μας γειτονιά χρησιμοποιώντας εργαλεία που μπορούμε να φτιάξουμε σύντομα;
Η απάντηση, φαίνεται, μπορεί να είναι ναι. Το μόνο που χρειάζεται είναι ένα διαφορετικό σχήμα.
