NASA:s optikexperter är på god väg att välta en barriär som har hindrat forskare från att uppnå en långvarig ambition:att bygga ett ultrastabilt teleskop som lokaliserar och avbildar dussintals jordliknande planeter bortom solsystemet och sedan granskar deras atmosfärer för tecken på liv.

Babak Saif och Lee Feinberg vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, har för första gången visat att de dynamiskt kan upptäcka subatomära eller pikometerstora distorsioner – förändringar som är mycket mindre än en atom – över en femfots segmenterad teleskopspegel och dess stödstruktur. Samarbetar med Perry Greenfield vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, teamet planerar nu att använda nästa generations verktyg och termisk testkammare för att ytterligare förfina sina mätningar.

Mätningen är goda nyheter för forskare som studerar framtida uppdrag för att hitta och karakterisera extrasolära jordliknande planeter som potentiellt skulle kunna stödja liv.

För att hitta livet, dessa observatorier skulle behöva samla och fokusera tillräckligt med ljus för att skilja planetens ljus från det från dess mycket ljusare moderstjärna och sedan kunna dissekera ljuset för att urskilja olika atmosfäriska kemiska signaturer, som syre och metan. Detta skulle kräva ett superstabilt observatorium vars optiska komponenter rör sig eller förvränger inte mer än 12 picometer, ett mått som är ungefär en tiondel av storleken på en väteatom.

Hittills, NASA har inte byggt ett observatorium med så krävande stabilitetskrav.

Hur förskjutningar uppstår

Förskjutningar och rörelser uppstår när material som används för att bygga teleskop krymper eller expanderar på grund av kraftigt fluktuerande temperaturer, som de som upplevs när man reser från jorden till rymdens iskalla, eller när de utsätts för hårda uppskjutningskrafter mer än sex och en halv gånger tyngdkraften.

Forskare säger att till och med nästan omärkligt, Rörelser i atomstorlek skulle påverka ett framtida observatoriums förmåga att samla och fokusera tillräckligt med ljus för att avbilda och analysera planetens ljus. Följaktligen, uppdragsplanerare måste designa teleskop för att pikometer noggrannhet och sedan testa det på samma nivå över hela strukturen, inte bara mellan teleskopets reflekterande speglar. Rörelser som sker vid en viss position kanske inte exakt återspeglar vad som faktiskt händer på andra platser.

"Dessa framtida uppdrag kommer att kräva ett otroligt stabilt observatorium, sa Azita Valinia, biträdande programchef för avdelningen Astrophysics Projects. "Detta är en av de högsta tekniska höga stolparna som framtida observatorier av den här kalibern måste övervinna. Teamets framgångar har visat att vi stadigt slänger iväg vid just det hindret."

Det första testet

För att genomföra testet, Saif och Feinberg använde High-Speed ​​Interferometer, eller HSI – ett instrument som den Arizona-baserade 4D Technology utvecklat för att mäta nanometerstora dynamiska förändringar i James Webb Space Telescopes optiska komponenter – inklusive dess 18 spegelsegment, fästen, och andra stödjande strukturer - under termiska, vibrationer och andra typer av miljötester.

Som alla interferometrar, instrumentet delar ljus och kombinerar det sedan för att mäta små förändringar, inklusive rörelse. HSI kan snabbt mäta dynamiska förändringar över spegeln och andra strukturella komponenter, ge forskare insikter i vad som händer över hela teleskopet, inte bara på en speciell plats.

Även om HSI designades för att mäta nanometer- eller molekylstora förvrängningar – vilket var designstandarden för Webb – ville teamet se att det kunde använda samma instrument, i kombination med specialutvecklade algoritmer, för att upptäcka ännu mindre förändringar över ytan av ett extra femfots Webb-spegelsegment och dess stödhårdvara.

Testet visade att det kunde, mäter dynamisk rörelse så liten som 25 pikometer – ungefär dubbelt så mycket som det önskade målet, Saif sa.

Nästa steg

Dock, Goddard och 4D Technology har designat ett nytt höghastighetsinstrument, kallas en fläckinterferometer, som tillåter mätningar av både reflekterande och diffusa ytor med picometernoggrannhet. 4D Technology har byggt instrumentet och Goddard-teamet har börjat karakterisera dess prestanda i en ny termisk-vakuum-testkammare som kontrollerar interna temperaturer till en frostig 1-millikelvin.

Saif och Feinberg planerar att placera testobjekt inuti kammaren för att se om de kan uppnå målnoggrannheten på 12 pikometer.

"Jag tycker att vi har gjort stora framsteg. Vi närmar oss dit, sa Saif.