Тонкі плоскі лінзи можуть спровокувати революцію в космічних телескопах

Завдяки законам фізики існує два основних правила щодо телескопів. Перший полягає в тому, що чим більша основна лінза або дзеркало, тим вища роздільна здатність вашого телескопа. По-друге, лінзи та дзеркала мають бути вигнутими, щоб сфокусувати світло на зображенні. Отже, якщо вам потрібен космічний телескоп, достатньо чутливий, щоб побачити атмосферу далеких екзопланет, вашому телескопу знадобиться велике вигнуте дзеркало або лінза. Але жодна з цих речей технічно не відповідає дійсності, як демонструє нещодавно запропонований дизайн телескопа.

Вимоги до телескопів з високою роздільною здатністю є реальними, але є способи їх трохи обійти. Наприклад, сучасні оптичні телескопи використовують великі дзеркала, які важко виготовити у справді великих розмірах. Ось чому нові обсерваторії використовують комбінацію менших шестикутних дзеркал замість одного великого. Навіть космічний телескоп Джеймса Вебба використовує кілька дзеркал у тандемі. В оптичних телескопах усі дзеркала згруповані разом, але це не обов’язково.

Необхідний розмір дзеркала залежить від довжини хвилі світла, яке ви використовуєте. Довжина хвилі оптичного світла становить кілька сотень нанометрів, тому навіть дзеркало шириною 4 метри дає вам дуже детальне зображення небес. Довжина радіохвиль набагато більша, від міліметрів до кількох метрів, і радіодзеркало має мати кілометри завширшки, щоб створити зображення з високою роздільною здатністю. Тож сучасні радіотелескопи, такі як Atacama Large Millimeter Array (ALMA), використовують ряд антенних тарілок. Об’єднуючи дані за допомогою процесу, відомого як кореляція, масив може працювати як один великий віртуальний телескоп. Радіоастрономи використали цю техніку для створення телескопа горизонту подій (EHT) розміром із Землю, який може спостерігати надмасивну чорну діру в іншій галактиці.

Оптичні обсерваторії також можуть використовувати ряд телескопів для створення великого віртуального, але набагато коротші довжини хвилі видимого світла ускладнюють це на Землі. Навіть найменша вібрація землі може зрушити ваші телескопи з орієнтації. Але в космосі вібрація не є великою проблемою, тому ми могли б побудувати великі оптичні масиви та запустити їх на орбіту. Є кілька інженерних проблем, але одна велика полягає в тому, що телескопи з вигнутими лінзами або дзеркалами важкі, тому їх запуск десятків є непомірно дорогим.

Увійдіть до космічної обсерваторії Nautilus (NSO). Запропонована місія передбачає використання масиву з 35 8-метрових телескопів. Працюючи разом як єдиний віртуальний масив телескопів, NSO зможе аналізувати атмосферу понад тисячі земних світів. Замість того, щоб використовувати криві дзеркала, кожен телескоп буде використовувати велику лінзу. Але замість того, щоб використовувати важку вигнуту лінзу, кожна з них використовувала б плоску.

Це можливо завдяки фізичному трюку. Хоча лінзи мають бути вигнутими, щоб сфокусувати світло, заломлення виконує лише поверхня лінзи. Вам не потрібен весь товстий матеріал за вигнутою поверхнею, тому ви можете просто мати кільця зігнутих секцій з плоскою підкладкою. Цей трюк вперше популяризував французький фізик Огюстен-Жан Френель і тепер називається лінзами Френеля. Лінзи Френеля вперше використовувалися на маяках, але зараз використовуються в усьому, від проекторів до гарнітур VR. Їх можна зробити настільки тонкими, що ви навіть можете отримати гнучкі пластикові листи. Причина, чому їх не використовували в оптичній астрономії, полягає в тому, що їх сегментований дизайн зазвичай дає зображення, які є занадто нечіткими для телескопів. Пропозиція NSO подолала цю проблему, створивши лінзу Френеля без нечітких зображень.

Замість того, щоб просто використовувати кільцеві ділянки вигнутої поверхні лінзи, у новій конструкції використовується складний вигравіруваний візерунок на лінзі, який використовує переваги оптичної дифракції. У результаті світло фокусується в одній точці, що забезпечує чітке зображення. Ця конструкція масштабується, тому великі об’єктиви залишаються плоскими та легкими.

Завдяки такому дизайну лінз телескопи NSO можуть бути набагато легшими за звичайні космічні телескопи. Телескопи також можна скласти в плоский пакет, щоб десятки телескопів можна було запускати одночасно, що робить обсерваторію економічно ефективною. Пройдуть десятиліття, перш ніж космічну обсерваторію «Наутілус» можна буде побудувати та запустити. Але ця пропозиція показує, що в майбутньому космічні телескопи стануть потужним інструментом для астрономів. Джерело