Le laboratoire de miroirs Richard F. Caris de l'Université d'Arizona est un leader mondial dans la production des plus grands miroirs de télescope au monde. En réalité, elle fabrique actuellement des miroirs pour le télescope terrestre le plus grand et le plus avancé :le télescope géant de Magellan.

Mais il y a des contraintes de taille, allant du propre poids du miroir, qui peut déformer les images, à la taille de nos autoroutes et passages souterrains nécessaires au transport des pièces finies. De tels miroirs géants atteignent leurs limites physiques, mais quand ils le font, l'UA continuera d'être un contributeur mondial à l'art de collecter la lumière et de changer la façon dont les astronomes observent les étoiles.

"Nous développons une nouvelle technologie pour remplacer les miroirs des télescopes spatiaux, " a déclaré le professeur agrégé de l'UA Daniel Apai, de l'observatoire Steward et du laboratoire lunaire et planétaire. « Si nous réussissons, nous pourrons augmenter considérablement le pouvoir de collecte de lumière des télescopes, et entre autres sciences, étudier les atmosphères de 1, 000 planètes potentiellement semblables à la Terre pour des signes de vie."

Apai dirige la moitié des sciences spatiales de l'équipe, tandis que le professeur UA Tom Milster, du James C. Wyant College of Optical Sciences, dirige la conception optique d'un télescope spatial réplicable baptisé Nautilus. Les chercheurs entendent déployer une flotte de 35 télescopes sphériques de 14 mètres de large, chacun individuellement plus puissant que le télescope spatial Hubble.

Chaque unité contiendra une lentille de 8,5 mètres de diamètre méticuleusement conçue, qui sera utilisé pour les observations astronomiques. Une utilisation particulièrement excitante pour Apai est d'analyser la lumière des étoiles lorsqu'elle filtre à travers les atmosphères planétaires, une technique qui pourrait révéler des signatures chimiques de la vie.

Lorsqu'ils sont combinés, le réseau de télescopes sera suffisamment puissant pour caractériser 1, 000 planètes extrasolaires d'aussi loin que 1, 000 années-lumière. Même les missions de télescope spatial les plus ambitieuses de la NASA sont conçues pour étudier une poignée de planètes extrasolaires potentiellement semblables à la Terre.

"Un tel échantillon peut être trop petit pour vraiment comprendre la complexité des exo-terres, " selon l'article co-écrit d'Apai et Milster, qui a été publié le 29 juillet dans le Journal astronomique avec plusieurs autres auteurs, dont l'astronome de l'Observatoire Steward Glenn Schneider et Alex Bixel, un astronome et un étudiant diplômé de l'UA.

Pour développer Nautilus, Apai et Milster ont défini un objectif et conçu Nautilus pour l'atteindre.

"Nous voulions chercher 1, 000 planètes potentiellement semblables à la Terre pour des signes de vie. Donc, nous avons d'abord demandé, quels types d'étoiles sont les plus susceptibles d'héberger des planètes ? Puis, jusqu'où devons-nous aller dans l'espace pour avoir 1, 000 planètes semblables à la Terre en orbite autour d'eux ? Il s'est avéré que c'est plus de 1, 000 années-lumière—une grande distance, mais toujours juste une petite partie de la galaxie, " a dit Apai. " Nous avons ensuite calculé la puissance de collecte de lumière nécessaire, qui s'est avéré être l'équivalent d'un télescope de 50 mètres de diamètre."

Le miroir Hubble mesure 2,4 mètres de diamètre et le miroir du télescope spatial James Webb mesure 6,5 mètres de diamètre. Les deux ont été conçus à des fins différentes et avant même que les exoplanètes ne soient découvertes.

"Les miroirs des télescopes collectent la lumière - plus la surface est grande, plus ils peuvent attraper la lumière des étoiles, " dit Apai. " Mais personne ne peut construire un miroir de 50 mètres. Nous avons donc imaginé Nautilus, qui repose sur des lentilles, et au lieu de construire un miroir incroyablement énorme de 50 mètres, nous prévoyons de construire tout un tas de lentilles identiques plus petites pour collecter la même quantité de lumière."

Les lentilles ont été inspirées par les lentilles de phare - grandes mais légères - et incluent des ajustements supplémentaires tels que la sculpture de précision avec des outils à pointe de diamant. La conception brevetée, qui est un hybride entre les lentilles réfractives et diffractives, les rendre plus puissants et adaptés à la chasse aux planètes, dit Milster.

Parce que les lentilles sont plus légères que les miroirs, ils sont moins coûteux à lancer dans l'espace et peuvent être fabriqués rapidement et à moindre coût à l'aide d'un moule. Ils sont également moins sensibles aux désalignements, rendant les télescopes construits avec cette technologie beaucoup plus économiques. Tout comme Ford l'a fait pour les voitures, Ikea a fait pour les meubles, et SpaceX pour les fusées, Nautilus utilisera une nouvelle technologie, une conception plus simple, et des composants légers pour fournir des télescopes moins chers et plus efficaces avec plus de puissance de collecte de lumière.

Les télescopes Nautilus ne nécessitent pas non plus de technique d'observation sophistiquée.

"Nous n'avons pas besoin d'imagerie à contraste extrêmement élevé. Nous n'avons pas besoin d'un vaisseau spatial séparé avec une ombre stellaire géante pour occulter les étoiles hôtes de la planète. Nous n'avons pas besoin d'aller dans l'infrarouge, " a déclaré Apai. " Ce dont nous avons besoin, c'est de collecter beaucoup de lumière de manière efficace et bon marché. "

Au cours des dernières décennies, des ordinateurs, l'électronique et les instruments de collecte de données sont tous devenus plus petits, moins cher, plus rapide et plus efficace. Miroirs, d'autre part, sont des exceptions à cette croissance car ils n'ont pas vu de grandes réductions de coûts.

"Actuellement, les miroirs sont chers parce qu'il faut des années pour les rectifier, polonais, enduire et tester, " A déclaré Apai. Leur poids les rend également coûteux à lancer. " Mais notre technologie Nautilus commence par un moule, et souvent, il ne faut que quelques heures pour fabriquer une lentille. Nous avons également plus de contrôle sur le processus, donc si on se trompe, nous n'avons pas besoin de tout recommencer comme vous pourriez avoir besoin de le faire avec un miroir."

En outre, le risque serait réparti sur de nombreux télescopes, donc si quelque chose ne va pas, la mission n'est pas abandonnée. De nombreux télescopes subsistent.

« Tout est simple, bon marché et reproductible, et nous pouvons recueillir beaucoup de lumière, " dit Apai.

Apai et Milster ont une autre vision s'ils réussissent :« En utilisant le low-cost, technologie de télescope spatial répliquée, les universités seraient en mesure de lancer leur propre petit Télescopes d'observation de la Terre ou de l'espace. Au lieu de rivaliser pour des bouts de temps sur Hubble, ils auraient leur propre télescope, contrôlés par leurs propres équipes, " dit Apai.

En janvier, L'équipe d'Apai et Milster, avec le professeur assistant UA Dae Wook Kim et le professeur Ronguang Liang du Collège des sciences optiques et Jonathan Arenberg de Northrop Grumman Aerospace Systems, a reçu 1,1 million de dollars de la Fondation Moore pour créer un prototype d'un seul télescope et le tester sur le télescope Kuiper de 61 pouces sur le mont Bigelow d'ici décembre 2020.

"L'Université de l'Arizona n'est que l'un des rares endroits au monde, et généralement le premier au monde, pour générer de tels systèmes de télescopes pionniers, " a déclaré Milster. " Et cela correspond parfaitement à notre histoire et à notre importance dans les sciences optiques et l'astronomie que nous développions cette technologie. "