211service.com
Et planetarisk teleskop ville bruke jordens atmosfære som en gigantisk linse
Fra artikkelens figur 12 - Eksempler på skykart laget av data for effektiv skyfraksjon, som en funksjon av høyde 'Terraskopet': Om muligheten for å bruke jorden som en atmosfærisk linse
Teleskoper er dyre enheter. Giant Magellan Telescope, som for tiden er under bygging i Atacama-ørkenen i Chile, vil ha et 25-meters speil til en pris på rundt 1 milliard dollar. Det foreslåtte 30 meter teleskopet på Mauna Kea på Hawaii vil koste anslagsvis 2 milliarder dollar.
Rombaserte teleskoper er enda dyrere. Det mye forsinkede James Webb-romteleskopet som skal erstatte Hubble i 2021, som har et 6,5 meter stort speil, koster over 10 milliarder dollar.
Så astronomer leter etter innovative nye måter å avbilde himmelen som ikke koster jorden.
Skriv inn David Kipping ved Columbia University i New York, som i dag foreslår å bruke jordens atmosfære for å sette fokus på astronomisk lys. Ideen hans er å bruke hele planeten som en slags gigantisk linse og plassere et romteleskop i fokuspunktet for å knipse bildene. Dette teleskopet – terrasskopet – ville ha den lyssamlende kraften til et 150 meter lang teleskop på jorden til en brøkdel av prisen.
Først litt bakgrunn. Astronomer har lenge visst at atmosfæren bøyer lys som passerer gjennom den. En solnedgang er litt mer enn en halv grad lavere enn den ser ut som følge av denne effekten, skriver Kipping.
Ideen hans er å dra nytte av denne effekten på planetarisk skala. En observatør på eller utenfor en avstand på omtrent jord-måne-separasjonen ville være i stand til å utnytte jorden som en refraktiv linse, skriver han.
Et slikt objektiv ville være komplekst. Så Kipping har brukt litt tid på å studere og simulere egenskapene deres og hvordan de kan utnyttes i et gigantisk terrasskop. Utfordringene er mange.
Til å begynne med bøyer eller brytes atmosfæren av stjernelyset når den passerer gjennom. Men mengden brytning avhenger av atmosfærens tetthet, som varierer med høyde over overflaten. Så lys som beiter den øvre atmosfæren brytes mindre enn lys som passerer dypere inn i atmosfæren.
Men ulike faktorer begrenser hvor dypt lys kan dykke ned i atmosfæren. Det mest åpenbare er at lyset må unngå selve jorden. Men skyer absorberer også lys, så ethvert brutt lys må være høyt nok over overflaten til å unngå dem.
En annen viktig faktor er at atmosfæren, og aerosolene og så videre som den inneholder, absorberer lys ved bestemte frekvenser. Så Kipping har måttet finne ut hvor mye som kan gå tapt i denne prosessen.
Atmosfæren lyser også svakt, noe som kan kvele lyset fra fjerne astrofysiske kilder. Denne luftgløden, et resultat av prosesser som rekombinasjon av molekyler som er adskilt av sollys, betyr at nattehimmelen aldri er helt mørk.
Men Kipping påpeker at det meste av dette lyset kan blokkeres av en koronagraf - i hovedsak en liten skive på terrassen som blokkerer lys fra jordens kropp og til og med fra de nedre delene av atmosfæren, hvor nyttig linse ikke forekommer.
En annen variabel er at atmosfæren utvider seg eller trekker seg sammen når det er varmere eller kjøligere. Det ville endre brennvidden til teraskopet. Så å finne den optimale banen for enheten ville være viktig.
Kipping studerer alle disse effektene og mer. Beregningene hans tyder på at et romteleskop på én meter som går i bane i en avstand på 360 000 kilometer – det er litt nærmere enn månen – ville være optimalt. En slik enhet bør samle lys som ikke har dykket lenger enn 14 kilometer ned i jordens atmosfære og dermed holde seg godt over skyene.
Når planeten fungerer som en linse, vil det fokuserte lyset bli forsterket med en faktor på 45 000 i løpet av en eksponeringstid på 20 timer. Det tilsvarer forsterkningen som oppnås av et bakkebasert teleskop med en diameter på 150 meter.
Kipping konkluderer med at et terrasskop har et betydelig potensial. Selv om han ikke beregner kostnadene for en slik maskin, antyder han at et 100 meter lang teleskop på jorden vil koste rundt 35 milliarder dollar, et beløp som overstiger det samlede budsjettet til NASA og National Science Foundation.
Ville det være mulig å bygge, skyte opp og betjene et en-meters teleskop i en avstand på 360 000 kilometer for mindre?
Sannsynligvis. Et av de mest suksessrike observatoriene de siste årene har vært Kepler-romteleskopet, som søkte etter og fant mange jordlignende planeter i bane rundt andre stjerner. Dette kretset rundt solen i stedet for Jorden, over 150 millioner kilometer hjemmefra. Oppdraget varte i ni år, til det gikk tom for drivstoff, og kostet bare 550 millioner dollar.
Hvis disse tallene er noe å gå etter, kan et terrasskop tilby bemerkelsesverdig verdi for pengene.
Ref: arxiv.org/abs/1908.00490 : 'Terraskopet': Om muligheten for å bruke jorden som en atmosfærisk linse