一种新的薄透镜望远镜设计可能远远超过詹姆斯韦伯------再见镜子，你好衍射透镜

Daniel Apai, Associate Dean for Research and Professor of Astronomy and Planetary Sciences, University of Arizona

Wed, July 12, 2023 at 8:39 PM GMT+8

一种轻型、廉价的太空望远镜设计将有可能同时将许多单独的单元放入太空。 Katie Yung, Daniel Apai /University of Arizona and AllThingsSpace /SketchFab, CC BY-ND

迄今为止，天文学家已经在太阳系外发现了5000多颗行星。最大的问题是是否这些行星中的任何一颗是生命的家园。为了找到答案，天文学家可能需要比今天存在的更强大的望远镜。

我是一名研究天体生物学和遥远恒星周围的行星的天文学家。在过去的七年里，我一直在共同领导一个正在开发一种新型的可以收集比从来建造的最大的太空望远镜詹姆斯韦伯太空望远镜多一百倍光的太空望远镜的团队。

几乎所有的太空望远镜包括哈勃和韦伯都用镜子收集光线。我们提议的鹦鹉螺空间天文台望远镜将用一种新颖的远更薄、更便宜和更容易来产生的透镜取代大而重的镜子。由于这些差异，有可能将许多单独的单元发射进轨道并创建一个强大的望远镜网络。

系外行星如这位艺术家的概念显示的TOI-700d是我们太阳系以外的行星，是寻找生命的首要候选。 NASA's Goddard Space Flight Center

需求更大的望远镜

    系外行星------围绕太阳以外恒星运行的行星------是寻找生命中的主要目标。天文学家需要用收集大量光的巨型太空望远镜来研究这些微弱和遥远的天体。

詹姆斯韦伯太空望远镜几乎不能够搜索系外行星的生命迹象. NASA

现有的望远镜能探测到像地球一样小的系外行星。然而，要来开始了解关于这些行星的化学成分需要更多的敏感性。甚至韦伯几乎刚好足以强大来在某些系外行星上寻找生命的线索------即大气层中的气体。

詹姆斯韦伯太空望远镜耗资超过80亿美元，耗时20多年来建造。下一个旗舰望远镜预计不会在2045年之前飞行，被估计耗资110亿美元。这些雄心勃勃的望远镜项目总是昂贵的、费力的、并且产生一个单一强大但非常专业的天文台。

一种新型的望远镜

 2016年，航空航天巨头诺斯罗普·格鲁曼公司邀请我和其他14位教授以及美国宇航局科学家------都是系外行星和寻找外星生命的专家------到洛杉矶来回答一个问题：在50年中系外行星太空望远镜看起来会是什么样子？

在我们的讨论中，我们意识到阻碍建造更强大望远镜的一个主要瓶颈是制造更大的镜子并将它们送入轨道的挑战。为绕过这个瓶颈，我们中的一些人想出了重新审视一种叫衍射透镜的旧技术的想法。

衍射透镜（左）比同样强大的折射透镜（右）远更薄。 Pko/Wikimedia Commons

传统透镜使用折射来聚焦光。折射是当光随它从一种介质到另一种介质改变方向时------这就是光当进入水时弯曲的原因。相反，衍射是当光围绕拐角和障碍物弯曲时。在一个玻璃表面上巧妙排列的台阶和角度图案能形成一个衍射透镜。

第一个这样的透镜被法国科学家奥古斯丁-让·菲涅耳于1819年发明来为灯塔提供轻重量透镜。如今，类似的衍射透镜能被发现在许多小尺寸消费光学器件中------从相机镜头到虚拟现实耳机。

薄、简单的衍射透镜因它们的模糊的图像是臭名昭著的，因此它们已经从未被用于天文台。但如果你能改进它们的清晰度，用衍射透镜而不是镜子或折射透镜将允许一台太空望远镜是远更便宜、更轻和更大。

衍射透镜的优点之一是它们能在增加直径的同时仍然薄的。 Daniel Apai/University of Arizona, CC BY-ND

一个薄的高分辨率镜头

会议结束后，我回到亚利桑那大学，决定来探索是否现代技术可以生产更好图像质量的衍射透镜。对我幸运的，世界领先的衍射透镜设计专家之一托马斯·米尔斯特（Thomas Milster）在隔壁的大楼里工作。我们形成了一个团队并开始了工作。

在接下来的两年里，我们的团队发明了一种新型衍射透镜，需要新的制造技术来将微小凹槽的复杂图案蚀刻在一片透明玻璃或塑料上。切口的特定图案和形状将入射光聚焦到一个透镜后面的单个点。新设计产生一个近乎完美的图像质量，远远好于以前的衍射透镜。

衍射透镜用在它的表面上蚀刻和图案来弯曲光线。Daniel Apai/University of Arizona, CC BY-ND

因为它是做这个聚焦镜头的表面纹理，而不是厚度，你能容易的使镜头更大，同时保持它非常薄和轻重量。更大的透镜收集更多的光，重量更轻意味着更便宜发射到轨道 ------这两者都是一台太空望远镜的重要特征。

2018 年 8 月，我们的团队生产了第一个原型，一个直径为 2 英寸（5 厘米）的镜头。在接下来的五年中，我们进一步改进了图像质量并增加了尺寸。我们现在正在完成一个直径为10英寸（24厘米）的透镜，它将比传统的折射透镜更轻10倍以上。

一个衍射太空望远镜的力量

这种新的透镜设计使来重新思考一台太空望远镜可能怎样被建造是可能的。2019年，我们的团队发布了一个叫鹦鹉螺太空天文台的概念。

用这种新技术，我们的团队认为来建造一台直径为29.5英尺（8.5米）厚度仅为约0.2英寸（0.5厘米）的镜头是有可能的。我们的新望远镜的透镜和支撑结构可能重约1100磅（500公斤）。这比一个类似尺寸的韦伯式镜子更轻三倍多，比韦伯直径21英尺（6.5米）的镜子更大。

薄透镜允许团队来设计一个更轻、更便宜的望远镜，他们将其命名为鹦鹉螺太空天文台。. Daniel Apai/University of Arizona, CC BY-ND

镜片还有其他好处。首先，它们比镜子远更容易、更快来制造，并且能整体制造。其次，基于透镜的望远镜甚至当没有完美对齐时很好的工作，使这些望远镜比基于镜子的望远镜更容易组装和在太空中飞行，后者需要极端精确的对准。

最后，因为单个鹦鹉螺单元会是轻的且生产成本相对较低，来将数十个鹦鹉螺送入轨道是有可能的。我们目前的设计事实上不是一个单个望远镜，而是一个由35个独立望远镜单元组成的星座。

每个单独望远镜都将是一个独立的、高度敏感的天文台，能够来收集比韦伯更多的光。但鹦鹉螺号的真正威力来自将所有单个望远镜转向一个单一目标。

通过结合来自所有单元的数据，鹦鹉螺号的光收集能力将相当于比韦伯更大近10倍的望远镜。用这个强大的望远镜，天文学家可以为可能表明地外生命的大气层气体搜索数百颗系外行星。

虽然鹦鹉螺太空天文台距离发射还有很长的路要走，但我们的团队已经取得了很大的进展。我们已经证明该技术的各个方面都在小尺寸原型中工作，现在正集中在构建一个直径为3.3英尺（1米）的镜头上。我们的下一步是用一个高空气球将小型望远镜发送到太空边缘。

对这个，我们将准备向美国宇航局提出一种革命性的新太空望远镜，并希望为生命的签名探索在数百个世界征程上。

本文转载自The Conversation,一个独立的非营利新闻网站，致力于分享学术专家的想法。喜欢这篇文章吗？Subscribe to our weekly newsletter.

由: Daniel Apai, University of Arizona撰写.

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达涅尔阿派（Daniel Apai）接收来自NASA、NSF以及Gordon和Betty Moore基金会的资助。他工作在亚利桑那大学。