Il nuovo concetto di telescopio potrebbe essere infinitamente più potente di James Webb, l’attuale star degli strumenti di osservazione spaziale

Finora gli astronomi hanno scoperto più di 5.000 pianeti al di fuori del sistema solare. La grande domanda è se qualcuno di questi pianeti ospita la vita. Per trovare la risposta, gli astronomi avranno probabilmente bisogno di telescopi molto più potenti di quelli attuali.

Sono un astronomo che studia astrobiologia e pianeti attorno a stelle lontane. Per sette anni ho co-guidato un team che sviluppa un nuovo tipo di telescopio spaziale in grado di raccogliere 100 volte più luce del James Webb Space Telescope, il più grande telescopio spaziale mai costruito.

Quasi tutti i telescopi spaziali, inclusi Hubble e Webb, raccolgono la luce utilizzando specchi. Il nostro telescopio proposto, il Nautilus Space Observatory, sostituirebbe specchi grandi e pesanti con una nuova lente sottile che è molto più leggera, più economica e più facile da produrre rispetto ai telescopi a specchio. A causa di queste differenze, sarà possibile lanciare in orbita molti singoli moduli e creare un potente gruppo di telescopi.

La necessità di telescopi più grandi

Gli esopianeti – pianeti in orbita attorno a stelle diverse dal Sole – sono i primi obiettivi nella ricerca della vita. Gli astronomi devono utilizzare giganteschi telescopi spaziali che raccolgono enormi quantità di luce per studiare questi oggetti deboli e distanti.

Gli attuali telescopi possono rilevare piccoli esopianeti come la Terra. Tuttavia, ci vuole molta sensibilità per iniziare a conoscere la composizione chimica di questi pianeti. Anche Webb è appena abbastanza potente da cercare su alcuni esopianeti segni di vita, vale a dire i gas nelle loro atmosfere.

Il James Webb Space Telescope è costato più di 8 miliardi di dollari e ci sono voluti più di 20 anni per costruirlo. Il prossimo grande telescopio non dovrebbe volare fino al 2045 e si stima che costerà 11 miliardi di dollari. Questi ambiziosi progetti di telescopi sono sempre costosi e ardui e si traducono in un osservatorio potente ma altamente specializzato.

Un nuovo tipo di telescopio

Nel 2016, il gigante aerospaziale Northrop Grumman ha invitato me e altri 14 professori e scienziati della NASA, tutti esperti di esopianeti e ricerca di vita extraterrestre, a Los Angeles per rispondere alla domanda: cosa faranno i telescopi spaziali agli esopianeti nel prossimo futuro? Anni?

Durante le nostre discussioni, ci siamo resi conto che il principale collo di bottiglia che impediva la costruzione di telescopi più potenti era la sfida di realizzare specchi più grandi e metterli in orbita. Per aggirare questo collo di bottiglia, alcuni di noi hanno avuto l’idea di rivisitare una vecchia tecnologia chiamata lenti rifrangenti.

Le lenti convenzionali usano la rifrazione per mettere a fuoco la luce. La rifrazione si verifica quando la luce cambia direzione mentre passa da un mezzo all’altro: ecco perché la luce si piega quando entra nell’acqua. Al contrario, la diffrazione si verifica quando la luce si piega intorno agli angoli e agli ostacoli. Il modello di gradini e angoli sapientemente disposti su una superficie di vetro può formare una lente rifrattiva.

Lo scienziato francese Augustin-Jean Fresnel ha inventato le prime lenti di questo tipo nel 1819 per fornire lenti leggere per i fari. Oggi, obiettivi reflex simili possono essere trovati in molte piccole ottiche di consumo, dagli obiettivi delle fotocamere ai visori per realtà virtuale.

Le lenti rifrangenti sottili e semplici sono note per le loro immagini opache, quindi non sono mai state utilizzate negli osservatori astronomici. Ma se puoi migliorare la loro nitidezza, l’uso di lenti rifrangenti invece di specchi o lenti rifrangenti renderà un telescopio spaziale molto più economico, leggero e più grande.

Obiettivo sottile e ad alta risoluzione

Dopo l’incontro, sono tornato all’Università dell’Arizona e ho deciso di esplorare se la tecnologia moderna potesse produrre lenti rifrattive di migliore qualità dell’immagine. Fortunatamente per me, Thomas Milster, uno dei massimi esperti mondiali nella progettazione di lenti rifrattive, lavora nell’edificio accanto alla mia postazione. Abbiamo formato una squadra e ci siamo messi al lavoro.

Nei due anni successivi, il nostro team ha inventato un nuovo tipo di lente reflex che richiedeva nuove tecniche di produzione per incidere un intricato motivo di minuscole scanalature in un pezzo di vetro trasparente o plastica. Il modello specifico e la forma delle coppe concentrano la luce in arrivo in un unico punto dietro l’obiettivo. Il nuovo design produce una qualità dell’immagine quasi perfetta, molto migliore rispetto ai precedenti obiettivi reflex.

Poiché è la struttura della superficie dell’obiettivo che esegue la messa a fuoco, non lo spessore, è possibile ingrandire facilmente l’obiettivo mantenendolo molto sottile e leggero. Oculari più grandi e peso più leggero significano lanci in orbita più economici, due caratteristiche interessanti di un telescopio spaziale.

Nell’agosto 2018, il nostro team ha prodotto il primo prototipo, una lente con un diametro di 2 pollici (5 cm). Nei cinque anni successivi, abbiamo migliorato la qualità dell’immagine e aumentato le dimensioni. Stiamo ora completando una lente di 10 pollici (24 cm) di diametro che sarà 10 volte più leggera di una lente rifrangente convenzionale.

Potenza del telescopio a diffrazione spaziale

Questo nuovo design dell’obiettivo ripensa il modo in cui è costruito un telescopio spaziale. Nel 2019, il nostro team ha rilasciato un concetto chiamato Nautilus Space Observatory.

Utilizzando la nuova tecnologia, il nostro team ritiene che sia possibile costruire una lente che misura 29,5 piedi (8,5 metri) di diametro, ovvero circa 0,2 pollici (0,5 cm) di diametro. La lente e la struttura di supporto del nostro nuovo telescopio possono pesare circa 500 chilogrammi. È tre volte più leggero di uno specchio in stile Webb di dimensioni simili e sarà più grande di uno specchio Webb di 21 piedi (6,5 m) di diametro.

La lente sottile ha permesso al team di progettare un telescopio più leggero ed economico, che hanno chiamato Nautilus Space Observatory. Daniel Abay/Università dell’Arizona, CC BY-ND

Le lenti a contatto hanno anche altri vantaggi. Innanzitutto, è più facile e veloce da produrre rispetto agli specchi e può essere prodotto in serie. Deuxièmement, telescopi alla base delle lenticchie funzionanti bien même lorsqu’ils ne sont pas parfaitement alignés, che qui rend ces telescopi plus faciles à assembler et à faire voler dans l’espace che les telescopi alla base degli specchi, che necessita un termine di allineamento specifico.

Infine, poiché un singolo Nautilus sarebbe leggero e relativamente poco costoso da produrre, sarebbe possibile metterne in orbita dozzine. Il nostro progetto attuale non è in realtà un singolo telescopio, ma piuttosto una costellazione di 35 singoli moduli del telescopio.

Ogni singolo telescopio sarà un osservatorio indipendente e altamente sensibile in grado di raccogliere più luce di Webb. Ma il vero potere di Nautilus verrà dal puntare tutti i singoli telescopi verso un singolo bersaglio.

Incorporando i dati di tutti i moduli, il potere di raccolta della luce di Nautilus sarebbe equivalente a un telescopio circa 10 volte più grande di quello di Webb. Con questo potente telescopio, gli astronomi possono cercare centinaia di esopianeti alla ricerca di gas atmosferici che potrebbero indicare la presenza di vita extraterrestre.

Sebbene il Nautilus Space Observatory sia ancora molto lontano dal lancio, il nostro team ha fatto molti progressi. Abbiamo dimostrato che tutti gli aspetti della tecnologia funzionano in prototipi su piccola scala e ora siamo concentrati sulla costruzione di una lente con un diametro di 1 metro. I nostri prossimi passi consistono nell’inviare una versione ridotta del telescopio ai confini più remoti dello spazio su un pallone alto.

Con ciò, saremo pronti a portare un nuovo rivoluzionario telescopio spaziale alla NASA e, si spera, esplorare centinaia di mondi per le impronte digitali della vita.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation: clicca qui