Il Richard F. Caris Mirror Laboratory dell'Università dell'Arizona è leader mondiale nella produzione dei più grandi specchi per telescopi al mondo. Infatti, attualmente sta fabbricando specchi per il più grande e avanzato telescopio terrestre:il Giant Magellan Telescope.

Ma ci sono limiti di dimensione, che vanno dal peso dello specchio, che possono distorcere le immagini, alle dimensioni delle nostre autostrade e sottopassi necessarie per il trasporto dei pezzi finiti. Tali specchi giganti stanno raggiungendo i loro limiti fisici, ma quando lo fanno, l'UA continuerà a dare un contributo globale all'arte di raccogliere la luce e guidare il cambiamento nel modo in cui gli astronomi osservano le stelle.

"Stiamo sviluppando una nuova tecnologia per sostituire gli specchi nei telescopi spaziali, " ha detto il professore associato UA Daniel Apai, dell'Osservatorio Steward e del Laboratorio Lunare e Planetario. "Se ci riusciamo, saremo in grado di aumentare notevolmente il potere di raccolta della luce dei telescopi, e tra le altre scienze, studiare le atmosfere di 1, 000 pianeti potenzialmente simili alla Terra per segni di vita."

Apai guida la metà della squadra di scienze spaziali, mentre il professore dell'UA Tom Milster, del James C. Wyant College of Optical Sciences, guida la progettazione ottica di un telescopio spaziale replicabile soprannominato Nautilus. I ricercatori intendono schierare una flotta di 35 telescopi sferici larghi 14 metri, ciascuno individualmente più potente del telescopio spaziale Hubble.

Ogni unità conterrà una lente di 8,5 metri di diametro meticolosamente realizzata, che verrà utilizzato per le osservazioni astronomiche. Un uso particolarmente eccitante per Apai è l'analisi della luce delle stelle mentre filtra attraverso le atmosfere planetarie, una tecnica che potrebbe rivelare le firme chimiche della vita.

Quando combinato, l'array del telescopio sarà abbastanza potente da caratterizzare 1, 000 pianeti extrasolari da una distanza fino a 1, 000 anni luce. Anche le missioni dei telescopi spaziali più ambiziose della NASA sono progettate per studiare una manciata di pianeti extrasolari potenzialmente simili alla Terra.

"Un campione del genere potrebbe essere troppo piccolo per comprendere veramente la complessità delle eso-terre, "Secondo l'articolo di Apai e Milster, che è stato pubblicato il 29 luglio nel Giornale Astronomico insieme a molti altri autori, tra cui l'astronomo dello Steward Observatory Glenn Schneider e Alex Bixel, un astronomo e studente laureato UA.

Per sviluppare Nautilus, Apai e Milster hanno definito un obiettivo e progettato Nautilus per raggiungerlo.

"Volevamo cercare 1, 000 pianeti potenzialmente simili alla terra per segni di vita. Così, abbiamo chiesto prima, quali tipi di stelle hanno maggiori probabilità di ospitare pianeti? Quindi, quanto lontano dobbiamo andare nello spazio per avere 1, 000 pianeti simili alla Terra che orbitano intorno a loro? Si è scoperto che è più di 1, 000 anni luce, una grande distanza, ma ancora solo una piccola parte della galassia, " Ha detto Apai. "Abbiamo quindi calcolato la potenza necessaria per raccogliere la luce, che si è rivelato essere l'equivalente di un telescopio di 50 metri di diametro."

Lo specchio Hubble ha un diametro di 2,4 metri e lo specchio del telescopio spaziale James Webb ha un diametro di 6,5 metri. Entrambi sono stati progettati per scopi diversi e prima ancora che venissero scoperti gli esopianeti.

"Gli specchi del telescopio raccolgono la luce:più grande è la superficie, più luce delle stelle riescono a catturare, " Ha detto Apai. "Ma nessuno può costruire uno specchio di 50 metri. Così abbiamo pensato a Nautilus, che si basa su lenti, e invece di costruire uno specchio incredibilmente grande di 50 metri, abbiamo in programma di costruire un intero gruppo di obiettivi più piccoli identici per raccogliere la stessa quantità di luce."

Le lenti sono state ispirate dalle lenti del faro, grandi ma leggere, e includono ulteriori modifiche come l'intaglio di precisione con strumenti con punta di diamante. Il design brevettato, che è un ibrido tra lenti rifrattive e diffrattive, renderli più potenti e adatti alla caccia al pianeta, ha detto Milster.

Perché le lenti sono più leggere degli specchi, sono meno costosi da lanciare nello spazio e possono essere realizzati in modo rapido ed economico utilizzando uno stampo. Sono anche meno sensibili ai disallineamenti, rendendo i telescopi costruiti con questa tecnologia molto più economici. Proprio come Ford ha fatto per le auto, Ikea ha fatto per i mobili, e SpaceX per i razzi, Nautilus utilizzerà nuove tecnologie, un design più semplice, e componenti leggeri per fornire telescopi più economici ed efficienti con una maggiore capacità di raccolta della luce.

Inoltre, i telescopi Nautilus non richiedono alcuna tecnica di osservazione fantasiosa.

"Non abbiamo bisogno di immagini a contrasto estremamente elevato. Non abbiamo bisogno di un'astronave separata con un'ombra stellare gigante per occultare le stelle ospiti del pianeta. Non abbiamo bisogno di andare nell'infrarosso, " Ha detto Apai. "Ciò di cui abbiamo bisogno è raccogliere molta luce in modo efficiente ed economico".

Negli ultimi decenni, computer, l'elettronica e gli strumenti di raccolta dati sono diventati tutti più piccoli, più economico, più veloce ed efficiente. Specchi, d'altra parte, sono eccezioni a questa crescita in quanto non hanno visto grandi riduzioni dei costi.

"Attualmente, gli specchi sono costosi perché ci vogliono anni per molarli, polacco, cappotto e prova, " Ha detto Apai. Il loro peso li rende anche costosi da lanciare. "Ma la nostra tecnologia Nautilus inizia con uno stampo, e spesso ci vogliono solo ore per realizzare un obiettivo. Abbiamo anche un maggiore controllo sul processo, quindi se commettiamo un errore, non abbiamo bisogno di ricominciare tutto da capo come potrebbe essere necessario fare con uno specchio."

Inoltre, rischio sarebbe distribuito su molti telescopi, quindi se qualcosa va storto, la missione non viene scartata. Rimangono molti telescopi.

"Tutto è semplice, economico e replicabile, e possiamo raccogliere molta luce, " ha detto Apai.

Apai e Milster hanno un'altra visione se ci riescono:"Usando il basso costo, tecnologia del telescopio spaziale replicato, le università potrebbero lanciare il proprio piccolo, Telescopi per l'osservazione della Terra o dello spazio. Invece di competere per un po' di tempo su Hubble, avrebbero avuto il loro telescopio, controllati dalle proprie squadre, " ha detto Apai.

A gennaio, Apai e la squadra di Milster, insieme all'assistente professore dell'UA Dae Wook Kim e al professor Ronguang Liang del College of Optical Sciences e Jonathan Arenberg della Northrop Grumman Aerospace Systems, ha ricevuto 1,1 milioni di dollari dalla Moore Foundation per creare un prototipo di un singolo telescopio e testarlo sul telescopio Kuiper da 61 pollici sul Monte Bigelow entro dicembre 2020.

"L'Università dell'Arizona è solo uno dei pochi posti al mondo, e di solito il primo al mondo, per generare tali sistemi di telescopi pionieristici, " ha detto Milster. "E si adatta perfettamente alla nostra storia e alla nostra importanza nelle scienze ottiche e nell'astronomia che sviluppiamo questa tecnologia".