El diseño liviano y de bajo costo de un telescopio espacial permitiría colocar muchas unidades individuales en el espacio al mismo tiempo. Crédito: Katie Yung, Daniel Apai /Universidad de Arizona y AllThingsSpace /SketchFab, CC BY-SUN
Los astrónomos han descubierto más que eso 5000 planetas fuera del sistema solar Reúnase con alguien. La gran pregunta es si alguno de estos planetas alberga vida. Para encontrar la respuesta, los astrónomos probablemente necesitarán telescopios mas potentes que existen hoy.
Soy astrónomo de astrobiología y planetas alrededor de estrellas distantes. Durante los últimos siete años, he codirigido un equipo que desarrolla un nuevo tipo de telescopio espacial que podría captar cien veces más luz que el Telescopio Espacial James Webb, el telescopio espacial más grande jamás construido.
Casi todos los telescopios espaciales, incluidos el Hubble y el Webb, recogen la luz mediante espejos. Nuestro telescopio propuesto, el llamado Observatorio espacial Nautilus, reemplazaría los grandes y pesados espejos con una nueva lente delgada que es mucho más liviana, económica y fácil de fabricar que los telescopios con espejos. Gracias a estas diferencias, sería posible poner en órbita muchas unidades individuales y crear una poderosa red de telescopios.
Se necesitan telescopios más grandes
Los exoplanetas, planetas que orbitan estrellas distintas del Sol, son objetivos principales en la búsqueda de vida. Los astrónomos tienen que usar telescopios espaciales gigantes que recogen enormes cantidades de luz estudiar estos objetos débiles y distantes.
Los telescopios existentes pueden detectar exoplanetas tan pequeños como la Tierra. Sin embargo, se necesita mucha más sensibilidad para comenzar a comprender la composición química de estos planetas. Incluso Webb es apenas lo suficientemente poderoso para buscar algunos exoplanetas en busca de señales de vida— a saber, los gases en la atmósfera.
Los exoplanetas como TOI-700d que se muestran en el concepto de este artista son planetas fuera de nuestro sistema solar y son los principales candidatos en la búsqueda de vida. Préstamo: Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA
El telescopio espacial James Webb costó más de 8 mil millones de dólares, y la construcción tomó más de 20 años. No se espera que el próximo telescopio insignia vuele hasta 2045, y se estima que lo hará costo $ 11 mil millones. Estos ambiciosos proyectos de telescopios son siempre costosos, requieren mucha mano de obra y forman un observatorio poderoso, pero muy especializado.
Un nuevo tipo de telescopio
En 2016, el gigante de la aviación Northrop Grumman me invitó a mí y a otros 14 profesores y científicos de la NASA, todos expertos en el campo de los exoplanetas y la búsqueda de vida extraterrestre, a Los Ángeles para responder una pregunta: ¿Cómo serán los telescopios espaciales de exoplanetas en 50 años?
En nuestras discusiones, nos dimos cuenta de que el principal obstáculo que impedía la construcción de telescopios más potentes era el desafío de fabricar espejos más grandes y ponerlos en órbita. Para sortear este cuello de botella, algunos de nosotros tuvimos la idea de revisar una tecnología antigua llamada lentes difractivos.
Las lentes convencionales usan la refracción para enfocar la luz. La refracción se produce cuando la luz cambia de dirección al pasar de un medio a otro; esta es la razón por la que la luz se desvía cuando entra en el agua. La difracción, por otro lado, ocurre cuando la luz se dobla alrededor de las esquinas y los obstáculos. Un patrón ingeniosamente dispuesto de grados y ángulos en la superficie del vidrio puede crear una lente difractiva.
Los primeros lentes de este tipo fueron inventados por el científico francés Augustin-Jean Fresnel en 1819 para proporcionar lentes livianos para faros. Hoy en día, se pueden encontrar lentes de difracción similares en muchas ópticas de consumo pequeño, desde lentes de camara Abajo gafas de realidad virtual.
Las lentes difractivas de la izquierda son mucho más delgadas en comparación con las lentes refractivas de potencia similar a la derecha. Préstamo: Pko/Wikimedia Commons
Las lentes difractivas simples y delgadas son son famosos por las fotos borrosas, por lo que nunca fueron utilizados en observatorios astronómicos. Pero si se pudiera mejorar su claridad, el uso de lentes difractivas en lugar de espejos o lentes refractivas permitiría que el telescopio espacial fuera mucho más barato, liviano y grande.
Lente delgada de alta resolución
Después de la reunión, regresé a la Universidad de Arizona y decidí investigar si la tecnología moderna podría producir lentes difractivos con mejor calidad de imagen. Por suerte para mi Tomasz Milster— uno de los principales expertos del mundo en diseño de lentes de difracción — trabaja en el edificio contiguo al mío. Formamos un equipo y nos pusimos manos a la obra.
Durante los siguientes dos años, nuestro equipo inventó un nuevo tipo de lente difractiva que requería nuevas tecnologías de fabricación para grabar un patrón complejo de pequeñas ranuras en una pieza de vidrio o plástico transparente. El patrón y la forma específicos de los cortes enfocan la luz entrante en un punto detrás de la lente. Un nuevo diseño produce calidad de imagen casi perfectamucho mejor que las lentes difractivas anteriores.
Dado que es la textura de la superficie de la lente la que afecta la nitidez, no el grosor, puede agrandar fácilmente la lente haciéndolo muy delgado y ligero. Las lentes más grandes recogen más luz y significan poco peso vuelos más baratos a la órbita– ambas excelentes características para un telescopio espacial.
En agosto de 2018, nuestro equipo produjo el primer prototipo, una lente con un diámetro de 2 pulgadas (5 centímetros). Durante los siguientes cinco años, mejoramos aún más la calidad de la imagen y aumentamos el tamaño. Actualmente estamos completando el desarrollo de una lente de 24 cm (10 pulgadas) de diámetro que será más de 10 veces más liviana que una lente refractiva convencional.
Una ventaja de las lentes difractivas es que pueden permanecer delgadas mientras aumentan de diámetro. Fuente: Daniel Apai/Universidad de Arizona, CC BY-SUN
El poder de un telescopio de difracción espacial
Este nuevo diseño de lente permite repensar la forma en que se construye un telescopio espacial. En 2019, nuestro equipo publicó un concepto titulado Observatorio espacial Nautilus.
Usando nueva tecnología, nuestro equipo cree que es posible construir una lente de 29,5 pies (8,5 metros) de diámetro que solo tendría alrededor de 0,2 pulgadas (0,5 cm) de grosor. La lente y la estructura de soporte de nuestro nuevo telescopio pueden pesar alrededor de 1100 libras (500 kilogramos). Esto es más de tres veces más liviano que un espejo estilo Webb de tamaño similar y sería más grande que un espejo Webb de 21 pies (6,5 metros) de diámetro.
Las lentes también tienen otras ventajas. Primero, son mucho más fácil y rápido para producir que los espejos y pueden ser producidos en masa. En segundo lugar, los telescopios basados en lentes funcionan bien incluso cuando no están perfectamente alineados, lo que hace que estos telescopios sean más fáciles de usar. recolectar y volar por el espacio que los telescopios reflectores, que requieren una alineación extremadamente precisa.
Finalmente, dado que un solo Nautilus sería liviano y relativamente barato de producir, se podrían poner en órbita docenas de tales unidades. Nuestro proyecto actual no es realmente un solo telescopio, sino una constelación de 35 telescopios individuales.
Cada telescopio individual sería un observatorio independiente de alta sensibilidad, capaz de recoger más luz que Webb. Sin embargo, el verdadero poder del Nautilus sería apuntar todos los telescopios individuales hacia un solo objetivo.
Una lente difractiva refracta la luz con grabados y patrones en su superficie. Fuente: Daniel Apai/Universidad de Arizona, CC BY-SUN
Combinando los datos de todas las unidades, la capacidad de recolección de luz de Nautilus sería igual a la de un telescopio casi 10 veces más grande que el de Webb. Con este poderoso telescopio, los astrónomos pueden buscar en cientos de exoplanetas gases atmosféricos que puedan indicar vida extraterrestre.
Si bien el Observatorio Espacial Nautilus aún está lejos del lanzamiento, nuestro equipo ha logrado un buen progreso. Hemos demostrado que todos los aspectos de esta tecnología funcionan en prototipos a pequeña escala, y ahora nos estamos enfocando en construir una lente de 3,3 pies (1 metro). Nuestro próximo paso es enviar una versión pequeña del telescopio al borde del espacio en un globo de gran altitud.
Con eso, estaremos listos para proponer un nuevo telescopio espacial revolucionario a la NASA y, con suerte, estar en camino de explorar cientos de mundos en busca de señales de vida.
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