ExoLife Finder

Телескоп ExoLife Finder (ELF) — это находящийся в стадии разработки гибридный интерферометрический телескоп, который проектируется в Институте астрофизики Канарских островов (IAC) для прямого обнаружения и получения изображений экзопланет и потенциально водоносных экзопланет. Разработанный в результате сотрудничества ученых и инженеров, включая Фонд PLANETS, ELF направлен на анализ поверхностей и атмосфер экзопланет для обнаружения признаков жизни, сосредоточившись на близлежащих звездных системах в пределах 25 световых лет от Земли . ^[1] Конструкция телескопа включает в себя не избыточные круговые массивы 5-метровых зеркал и механическую опору на основе тенсегрити с внешним диаметром 35 м. Он использует несколько слоев усовершенствованного зондирования и управления волновым фронтом атмосферы. Это масштабируемая оптическая концепция, и ее можно построить в течение 10 лет. 3,5-метровый предшественник под названием Small ELF (SELF) в настоящее время строится на Канарских островах . Первыми целями ELF станут ближайшие звезды, более холодные, чем Солнце . ^{[2] [3]}

ELF включает в себя несколько новых технологий для изучения экзопланет, которые могут быть в 100 миллионов раз слабее звезд, вокруг которых они вращаются. Это сочетание технологий приводит к более гладкой и легкой оптике по сравнению с обычными зеркалами телескопа и лучшему контролю оптической дифракции и ошибок волнового фронта , создаваемых атмосферой. ^[4] По словам команды, стоящей за ELF, возможности телескопа по получению изображений и методы обнаружения, которые включают анализ планетарных энергетических сигнатур и спектроскопических химических отпечатков, улучшат наше понимание экзопланетной среды и поиск внеземной жизни . ^{[1] [5]}

Телескоп Small ExoLife Finder (SELF) представляет собой телескоп Физо с внешним диаметром 3,5 м, построенный из 15 субапертур диаметром 0,5 м, расположенных по кругу, как телескоп ELF. SELF использует опорную конструкцию телескопа, построенную из тенсегрити-структуры из кабелей и компрессионных элементов. Эта структура создает жесткую основу для оптики, которая может быть в 10 раз легче обычной ферменной конструкции . Субапертуры выровнены и тщательно фазированы с использованием небольшого вторичного зеркала для каждой из 15 субапертур. Алгоритмы машинного обучения и фотонные структуры, встроенные в оптическую систему, позволяют SELF преодолевать эффекты атмосферы для подавления яркого центрального звездного света , чтобы увидеть экзопланетную среду вокруг близлежащих ярких звезд. ^{[6] [3]}

Ключ к обнаружению жизни — измерение отраженного звездного света от экзопланеты. ELF делает это с помощью телескопа очень большого диаметра, используя оптические технологии, которые могут измерять и исправлять искажения в оптическом волновом фронте, создаваемые атмосферой над телескопом и несовершенствами телескопа. ^[7] ELF зависит от 4 инноваций: 1) новых способов создания точных легких больших зеркал без шлифования стекла, 2) масштабируемой оптической системы, которая объединяет элементы обычных телескопов с интерферометрией , 3) новых способов точной поддержки оптики без массивных механических ферм и 4) инноваций в области фотоники и машинного обучения для измерения и исправления звездного волнового фронта. IAC размещает Лабораторию инноваций в оптомеханике (LIOM), где ученые, инженеры и студенты работают над решением всех этих проблем. ^{[8] [9] [10]}

ExoLife Finder (ELF) — это специализированный большой телескоп, разработанный для экзопланетных исследований, с конечной целью обнаружения энергетических сигнатур жизни или ее оптических отпечатков на близлежащих экзопланетах. ELF — это фактически интерферометр Физо , который связывает массив дифракционно-ограниченных незатененных внеосевых субапертурных телескопов в общем григорианском фокусе . Прямое обнаружение экзопланетного света опирается на чрезвычайно большую апертуру телескопа с превосходным контролем дифракции и коррекцией искажений атмосферного волнового фронта. Базовая конструкция ELF состоит из круговых массивов 5-метровых зеркал, использующих технологию тонкой полировки кривизны , в результате чего общий диаметр составляет около 35 метров. Такой размер позволяет ELF «изображение» десятков экзопланет в пределах 25 световых лет от Земли, открывая новое окно в экзопланетную науку и поиск внеземной жизни. ^{[4] [11]}

Стоимость сильно зависит от массы системы, и ELF использует структурный принцип, называемый тенсегрити, который использует активно контролируемое растяжение и сжатие для значительного снижения веса. ^[12] Тенсегрити часто используется в конструкциях мостов, но этот термин был введен Бакминстером Фуллером 50 лет назад. Каждое из зеркал ELF имеет специальное вторичное внеосевое зеркало. Внеосевые телескопы часто используются в радиоприемниках , но их использование в оптических телескопах стало возможным благодаря новой технологии полировки. Такая конструкция уменьшает рассеянный свет, который может мешать слабому оптическому сигналу, полученному от экзопланет. ^[4]

ELF должен быть масштабируемым, доступным и быстро строимым в течение десятилетия. Его необычная конструкция позволяет телескопу достигать чувствительности, необходимой для реконструкции изображений экзопланет, что делает его самым ранним и наиболее экономически эффективным путем для поиска и характеристики жизни на близлежащих экзопланетах. ^[11]

Одной из ключевых инноваций телескопа ELF является его зеркальная технология, которая существенно отличается от традиционных телескопов, которые произошли от концепции абразивной обработки стекла, впервые предложенной Исааком Ньютоном 500 лет назад. Такие традиционные зеркала телескопа имеют толщину в несколько сантиметров и могут потребовать многих десятков циклов шлифовки и измерения для достижения высококачественной оптической поверхности. Большие оптические зеркала, такие как эти, обычно стоят 0,5 млн долларов за м2 ^. Сочетание полировки кривизны и опорных структур тенсегрити может снизить стоимость и время изготовления большой оптики телескопа более чем на порядок. Динамическое поддержание формы таких тонких зеркал против изменения направления гравитации и ветровых сил осуществляется с помощью электроактивных полимеров, напечатанных на 3D-принтере . ^[4]

ELF предназначен для косвенного получения изображений поверхности экзопланет и обнаружения энергетических сигнатур и спектроскопических химических отпечатков, которые указывают на жизнь. Основное внимание телескопа сосредоточено на обнаружении молекул, таких как вода , кислород , метан , углекислый газ и озон , которые обычно связаны с жизнью на Земле. ^[13] Кроме того, ELF способен обнаруживать фотосинтетические биопигменты на поверхности экзопланет, которые могут указывать на присутствие фотосинтетических организмов . ^[14]

Полезные возможности ELF по получению изображений простираются до 120 триллионов миль, или 24 световых лет, от Земли с особой чувствительностью к экзопланетам вокруг звезд, более холодных, чем Солнце. ^{[1] [12]} Этот диапазон позволяет ему нацеливаться на десятки экзопланет в пределах 25 световых лет от нашей солнечной системы, включая близлежащую звездную систему Альфа Центавра , которая содержит многообещающие миры, такие как Проксима B в обитаемой зоне . ^{[14] [15]}

Для достижения своих целей по визуализации и обнаружению ELF использует так называемые свойства обнуления вихрей интерферометрии Физо. Эта оптика создает то, что называется коронографом из одной только первичной оптики телескопа. Использование сложных алгоритмов инверсии, которые зависят от повторных наблюдений экзопланетных систем в течение месяцев, затем делает выборки вращения и орбиты экзопланеты, чтобы выявить детали ее поверхностной структуры, такие как океаны, континенты, леса, пустыни или даже городские комплексы. ^[16]

Предшественник малого ELF расположен на горе Тейде на острове Тенерифе , а предлагаемое место для полного телескопа ELF может быть на Канарских островах для наблюдения за северным небом или в чилийской пустыне Атакама для наблюдения за южными экзопланетами, такими как Проксима B. ^{[1] [17]} Удаленная и сухая среда пустыни Атакама обеспечивает оптимальные условия для астрономических наблюдений , сводя к минимуму световое загрязнение и атмосферные возмущения. ^[18]