Et planetarisk teleskop ville bruge Jordens atmosfære som en kæmpe linse

Fra artiklens figur 12 - Eksempler på skykort lavet ud fra dataene for effektiv skyfraktion som funktion af højden 'Terraskopet': Om muligheden for at bruge jorden som en atmosfærisk linse

Teleskoper er dyre apparater. Det gigantiske Magellan-teleskop, der i øjeblikket er under konstruktion i Atacama-ørkenen i Chile, vil have et 25-meter spejl til en pris på omkring 1 mia. Det foreslåede 30 meter teleskop på Mauna Kea på Hawaii vil koste anslået 2 milliarder dollars.

Rumbaserede teleskoper er endnu dyrere. Det meget forsinkede James Webb-rumteleskop, der skal erstatte Hubble i 2021, som har et 6,5 meter spejl, koster over 10 milliarder dollars.

Så astronomer leder efter innovative nye måder at forestille sig himlen, der ikke koster jorden.

Indtast David Kipping på Columbia University i New York, som i dag foreslår at bruge Jordens atmosfære til at bringe astronomisk lys i fokus. Hans idé er at bruge hele planeten som en slags kæmpe linse og placere et rumteleskop i brændpunktet for at tage billederne. Dette teleskop - terrasskopet - ville have den lyssamlende kraft som et 150 meter teleskop på Jorden til en brøkdel af prisen.

Først lidt baggrund. Astronomer har længe vidst, at atmosfæren bøjer lys, der passerer gennem den. En solnedgang er lidt mere end en halv grad lavere, end den ser ud som følge af denne effekt, skriver Kipping.

Hans idé er at drage fordel af denne effekt på planetarisk skala. En observatør på eller uden for en afstand på cirka Jord-Måne-adskillelsen ville være i stand til at udnytte Jorden som en refraktiv linse, skriver han.

En sådan linse ville være kompleks. Så Kipping har brugt noget tid på at studere og simulere dens egenskaber, og hvordan de kan udnyttes i et gigantisk terrasskop. Udfordringerne er mange.

Til at begynde med bøjer eller bryder atmosfæren stjernelys, når den passerer igennem. Men mængden af ​​brydning afhænger af atmosfærens tæthed, som varierer med højden over overfladen. Så lys, der græsser den øvre atmosfære, brydes mindre end lys, der passerer dybere ned i atmosfæren.

Men forskellige faktorer begrænser, hvor dybt lys kan dykke ned i atmosfæren. Det mest åbenlyse er, at lyset skal undgå selve Jorden. Men skyer absorberer også lys, så ethvert brudt lys skal være højt nok over overfladen til at undgå dem.

En anden vigtig faktor er, at atmosfæren, og de aerosoler og så videre, den indeholder, absorberer lys ved bestemte frekvenser. Så Kipping har måttet regne ud, hvor meget der kan gå tabt i denne proces.

Atmosfæren lyser også svagt, hvilket kan kvæle lyset fra fjerne astrofysiske kilder. Denne luftglød, resultatet af processer såsom rekombinationen af ​​molekyler, der adskilles af sollys, betyder, at nattehimlen aldrig er helt mørk.

Men Kipping påpeger, at det meste af dette lys kunne blokeres af en koronagraf - i det væsentlige en lille skive på terrassen, der blokerer lys fra Jordens krop og endda fra de nedre dele af atmosfæren, hvor hjælpsom linse ikke forekommer.

En anden variabel er, at atmosfæren udvider sig eller trækker sig sammen, når det er varmere eller køligere. Det ville ændre brændvidden på terrasseskopet. Så det ville være vigtigt at finde den optimale bane for enheden.

Kipping studerer alle disse effekter og mere. Hans beregninger tyder på, at et rumteleskop på én meter, der kredser i en afstand af 360.000 kilometer - det er lidt tættere på end månen - ville være optimalt. En sådan enhed bør opsamle lys, der ikke er dykket længere end 14 kilometer ned i Jordens atmosfære og derfor forbliver et godt stykke over skyerne.

Med planeten, der fungerer som en linse, ville det fokuserede lys blive forstærket med en faktor på 45.000 i løbet af en eksponeringstid på 20 timer. Det svarer til forstærkningen opnået af et jordbaseret teleskop med en diameter på 150 meter.

Kipping konkluderer, at et terrasskop har et betydeligt potentiale. Selvom han ikke beregner omkostningerne ved en sådan maskine, foreslår han, at et 100 meter teleskop på Jorden ville koste omkring 35 milliarder dollars, et beløb, der overstiger det samlede budget for NASA og National Science Foundation.

Ville det være muligt at bygge, opsende og betjene et en-meter teleskop i en afstand af 360.000 kilometer for mindre?

Sandsynligvis. Et af de mest succesrige observatorier i de senere år har været Kepler-rumteleskopet, som søgte efter og fandt adskillige jordlignende planeter, der kredsede om andre stjerner. Dette kredsede om solen i stedet for Jorden, over 150 millioner kilometer fra hjemmet. Missionen varede i ni år, indtil den løb tør for brændstof og kostede blot 550 millioner dollars.

Hvis disse tal er noget at gå efter, kan et terrasskop tilbyde bemærkelsesværdig værdi for pengene.

Ref: arxiv.org/abs/1908.00490 : 'Terraskopet': Om muligheden for at bruge jorden som en atmosfærisk linse

skjule