University of Arizona Richard F. Caris Mirror Laboratory är världsledande inom tillverkning av världens största teleskopspeglar. Faktiskt, det tillverkar just nu speglar för det största och mest avancerade jordbaserade teleskopet:Giant Magellan Telescope.

Men det finns storleksbegränsningar, allt från spegelns egen vikt, som kan förvränga bilder, till storleken på våra motorvägar och gångtunneler som behövs för att transportera färdiga delar. Sådana jättespeglar når sina fysiska gränser, men när de gör det, UA kommer att fortsätta att vara en global bidragsgivare till konsten att samla ljus och driva förändringar i hur astronomer observerar stjärnorna.

"Vi utvecklar en ny teknik för att ersätta speglar i rymdteleskop, " sa UA docent Daniel Apai, från Steward Observatory och Lunar and Planetary Laboratory. "Om vi ​​lyckas, vi kommer att kunna avsevärt öka ljusuppsamlingsförmågan hos teleskop, och bland annat vetenskap, studera atmosfärerna i 1, 000 potentiellt jordliknande planeter för tecken på liv."

Apai leder rymdvetenskapshalvan av teamet, medan UA-professor Tom Milster, vid James C. Wyant College of Optical Sciences, leder den optiska designen av ett replikerbart rymdteleskop kallat Nautilus. Forskarna har för avsikt att sätta in en flotta av 35 14 meter breda sfäriska teleskop, var och en för sig mer kraftfull än Hubble Space Telescope.

Varje enhet kommer att innehålla en noggrant tillverkad lins med en diameter på 8,5 meter, som kommer att användas för astronomiska observationer. En användning som är särskilt spännande för Apai är att analysera stjärnljus när det filtrerar genom planetariska atmosfärer, en teknik som kan avslöja kemiska signaturer av liv.

När de kombineras, teleskoparrayen kommer att vara tillräckligt kraftfull för att karakterisera 1, 000 extrasolära planeter från så långt bort som 1, 000 ljusår. Även NASA:s mest ambitiösa rymdteleskopuppdrag är utformade för att studera en handfull potentiellt jordliknande extrasolära planeter.

"Ett sådant urval kan vara för litet för att verkligen förstå komplexiteten hos exo-jordar, " enligt Apai och Milsters medförfattare, som publicerades 29 juli i Astronomisk tidskrift tillsammans med flera andra författare, inklusive Steward Observatory-astronomen Glenn Schneider och Alex Bixel, en astronom och UA doktorand.

För att utveckla Nautilus, Apai och Milster definierade ett mål och designade Nautilus för att uppfylla det.

"Vi ville söka 1, 000 potentiellt jordliknande planeter för tecken på liv. Så, vi frågade först, vilken typ av stjärnor är mest sannolikt värd för planeter? Sedan, hur långt måste vi gå i rymden för att ha 1, 000 jordliknande planeter som kretsar runt dem? Det visade sig att det är över 1, 000 ljusår - ett stort avstånd, men fortfarande bara en liten del av galaxen, " sa Apai. "Vi beräknade sedan den ljusuppsamlingskraft som behövs, som visade sig motsvara ett teleskop med en diameter på 50 meter."

Hubble-spegeln är 2,4 meter i diameter och James Webb Space Telescope-spegeln är 6,5 meter i diameter. Båda designades för olika ändamål och innan exoplaneter ens upptäcktes.

"Teleskopspeglar samlar ljus - ju större yta, ju mer stjärnljus de kan fånga, " sa Apai. "Men ingen kan bygga en spegel på 50 meter. Så vi kom på Nautilus, som är beroende av linser, och istället för att bygga en omöjligt stor spegel på 50 meter, vi planerar att bygga ett helt gäng identiska mindre linser för att samla in samma mängd ljus."

Linserna inspirerades av fyrlinser – stora men lätta – och inkluderar ytterligare justeringar som precisionsskärning med diamantspetsade verktyg. Den patenterade designen, som är en hybrid mellan refraktiva och diffraktiva linser, göra dem mer kraftfulla och lämpliga för planetjakt, sa Milster.

Eftersom linserna är lättare än speglar, de är billigare att skjuta ut i rymden och kan tillverkas snabbt och billigt med hjälp av en form. De är också mindre känsliga för felställningar, gör teleskop byggda med denna teknik mycket mer ekonomiska. Ungefär som Ford gjorde för bilar, Ikea gjorde för möbler, och SpaceX för raketer, Nautilus kommer att använda ny teknik, en enklare design, och lätta komponenter för att ge billigare och effektivare teleskop med mer ljusuppsamlingskraft.

Nautilus-teleskop kräver inte heller någon fancy observationsteknik.

"Vi behöver inte bilder med extremt hög kontrast. Vi behöver inte en separat rymdfarkost med en gigantisk stjärnskärm för att ockulta planetens värdstjärnor. Vi behöver inte gå in i det infraröda, ", sa Apai. "Vad vi behöver är att samla in massor av ljus på ett effektivt och billigt sätt."

Under de senaste decennierna, datorer, elektronik och datainsamlingsinstrument har alla blivit mindre, billigare, snabbare och effektivare. Speglar, å andra sidan, är undantag från denna tillväxt eftersom de inte har sett stora kostnadsminskningar.

"För närvarande, speglar är dyra eftersom det tar år att slipa, putsa, päls och testa, " sa Apai. Deras vikt gör dem också dyra att lansera. "Men vår Nautilus-teknologi börjar med en form, och ofta tar det bara timmar att göra ett objektiv. Vi har också mer kontroll över processen, så om vi gör ett misstag, vi behöver inte börja om från början som du kanske behöver med en spegel."

Dessutom, risken skulle fördelas över många teleskop, så om något går fel, uppdraget är inte skrotat. Många teleskop finns kvar.

"Allt är enkelt, billig och replikerbar, och vi kan samla mycket ljus, " sa Apai.

Apai och Milster har en annan vision om de lyckas:"Att använda den låga kostnaden, replikerad rymdteleskopteknik, universitet skulle kunna lansera sina egna små, Jord- eller rymdobserverande teleskop. Istället för att tävla om lite tid på Hubble, de skulle få sitt eget teleskop, kontrolleras av sina egna team, " sa Apai.

I januari, Apai och Milsters team, tillsammans med UA biträdande professor Dae Wook Kim och professor Ronguang Liang från College of Optical Sciences och Jonathan Arenberg från Northrop Grumman Aerospace Systems, fick 1,1 miljoner dollar från Moore Foundation för att skapa en prototyp av ett enda teleskop och testa det på 61-tums Kuiper-teleskopet på berget Bigelow i december 2020.

"University of Arizona är bara en av få platser i världen, och vanligtvis den första i världen, att generera sådana banbrytande teleskopsystem, ", sa Milster. "Och det passar precis i linje med vår historia och vår framträdande plats inom optisk vetenskap och astronomi att vi utvecklar denna teknik."