Teleskop planetarny wykorzystałby ziemską atmosferę jako gigantyczną soczewkę

Z rysunku 12 w artykule - Przykładowe mapy chmur wykonane z danych efektywnego ułamka chmur w funkcji wysokości „Terraskop”: o możliwości wykorzystania Ziemi jako soczewki atmosferycznej

Teleskopy to drogie urządzenia. Olbrzymi Teleskop Magellana, budowany obecnie na pustyni Atakama w Chile, będzie miał 25-metrowe lustro, które będzie kosztować około 1 miliarda dolarów. Proponowany Teleskop Trzydziestometrowy na Mauna Kea na Hawajach będzie kosztował około 2 miliardy dolarów.

Teleskopy kosmiczne są jeszcze droższe. Znacznie opóźniony Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który ma zastąpić Hubble'a w 2021 roku, który ma 6,5-metrowe lustro, kosztuje ponad 10 miliardów dolarów.

Dlatego astronomowie szukają innowacyjnych nowych sposobów na obrazowanie nieba, które nie kosztują Ziemi.

Wchodzi David Kipping z Columbia University w Nowym Jorku, który dzisiaj proponuje wykorzystanie ziemskiej atmosfery do skupienia światła astronomicznego. Jego pomysł polega na wykorzystaniu całej planety jako rodzaju gigantycznej soczewki i umieszczenie teleskopu kosmicznego w ognisku, aby zrobić zdjęcia. Ten teleskop – terraskop – miałby moc zbierania światła 150-metrowego teleskopu na Ziemi za ułamek kosztów.

Najpierw trochę tła. Astronomowie od dawna wiedzą, że atmosfera ugina przechodzące przez nią światło. Zachodzące Słońce jest nieco o ponad pół stopnia niższe niż wydaje się w wyniku tego efektu, pisze Kipping.

Jego pomysł polega na wykorzystaniu tego efektu na skalę planetarną. Pisze, że obserwator znajdujący się w odległości mniej więcej separacji Ziemi od Księżyca lub poza nią byłby w stanie wykorzystać Ziemię jako soczewkę refrakcyjną.

Taki obiektyw byłby złożony. Dlatego Kipping poświęcił trochę czasu na badanie i symulację jego właściwości oraz sposobu, w jaki można je wykorzystać w gigantycznym terraskopie. Wyzwań jest wiele.

Po pierwsze, atmosfera ugina się lub załamuje pod wpływem światła gwiazd. Ale stopień załamania zależy od gęstości atmosfery, która zmienia się wraz z wysokością nad powierzchnią. Tak więc światło, które ociera się o górną warstwę atmosfery, jest załamywane w mniejszym stopniu niż światło, które wnika głębiej w atmosferę.

Jednak różne czynniki ograniczają to, jak głęboko światło może zanurzyć się w atmosferze. Najbardziej oczywiste jest to, że światło musi unikać samej Ziemi. Ale chmury również pochłaniają światło, więc każde załamane światło musi znajdować się wystarczająco wysoko nad powierzchnią, aby ich uniknąć.

Innym ważnym czynnikiem jest to, że atmosfera i zawarte w niej aerozole pochłaniają światło o określonych częstotliwościach. Więc Kipping musiał obliczyć, ile może stracić w tym procesie.

Atmosfera również słabo świeci, co może zdusić światło z odległych źródeł astrofizycznych. Ta poświata, będąca wynikiem procesów, takich jak rekombinacja cząsteczek, które są rozdzielone przez światło słoneczne, oznacza, że ​​nocne niebo nigdy nie jest całkowicie ciemne.

Kipping zwraca jednak uwagę, że większość tego światła mogłaby zostać zablokowana przez koronograf – zasadniczo mały dysk na terraskopie, który blokuje światło z ciała Ziemi, a nawet z dolnych partii atmosfery, gdzie nie występuje pomocne soczewkowanie.

Inną zmienną jest to, że atmosfera rozszerza się lub kurczy, gdy jest cieplej lub chłodniej. To zmieniłoby ogniskową terraskopu. Dlatego ważne byłoby znalezienie optymalnej orbity dla urządzenia.

Kipping bada wszystkie te efekty i nie tylko. Jego obliczenia sugerują, że metrowy teleskop kosmiczny krążący w odległości 360 000 kilometrów – czyli trochę bliżej niż Księżyc – byłby optymalny. Takie urządzenie powinno zbierać światło, które zanurzyło się nie dalej niż 14 kilometrów w ziemską atmosferę, a więc pozostawać znacznie ponad chmurami.

Gdy planeta działa jak soczewka, skupione światło zostanie wzmocnione 45 000 razy w czasie 20 godzin ekspozycji. Odpowiada to wzmocnieniu uzyskanemu przez teleskop naziemny o średnicy 150 metrów.

Kipping doszedł do wniosku, że terraskop ma duży potencjał. Chociaż nie oblicza kosztu takiej maszyny, sugeruje, że 100-metrowy teleskop na Ziemi kosztowałby około 35 miliardów dolarów, czyli kwotę, która przekracza łączny budżet NASA i National Science Foundation.

Czy byłoby możliwe zbudowanie, wystrzelenie i eksploatowanie jednometrowego teleskopu na odległość 360 000 kilometrów za mniej?

Prawdopodobnie. Jednym z najbardziej udanych obserwatoriów w ostatnich latach był Teleskop Kosmiczny Keplera, który poszukiwał i znalazł wiele podobnych do Ziemi planet krążących wokół innych gwiazd. To krążyło wokół Słońca, a nie Ziemi, ponad 150 milionów kilometrów od domu. Misja trwała dziewięć lat, aż zabrakło jej paliwa i kosztowała zaledwie 550 milionów dolarów.

Jeśli te liczby są czymś, przez co można przejść, terraskop może oferować niezwykły stosunek jakości do ceny.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1908.00490 : „Terraskop”: o możliwości wykorzystania Ziemi jako soczewki atmosferycznej

ukryć