Телескоп ExoLife Finder (ELF) — это гибридный интерферометрический телескоп , находящийся в стадии разработки , который разрабатывается в Институте астрофизики Канарских островов (IAC) для прямого обнаружения и получения изображений экзопланет и потенциально водосодержащих экзопланет. Разработанный в сотрудничестве ученых и инженеров, включая Фонд PLANETS Foundation, ELF направлен на анализ поверхностей и атмосфер экзопланет на наличие доказательств жизни, уделяя особое внимание близлежащим звездным системам в пределах 25 световых лет от Земли . [1] В конструкции телескопа предусмотрены неизбыточные круговые массивы зеркал размером 5 метров и механическая опора на основе тенсегрити с внешним диаметром 35 метров. Он использует несколько уровней передового зондирования и контроля атмосферного волнового фронта. Это масштабируемая оптическая концепция, которая может быть создана в течение 10 лет. 3,5-метровый предшественник под названием Small ELF (SELF) в настоящее время строится на Канарских островах . Первыми целями ELF будут близлежащие звезды, холоднее Солнца . [2] [3]
ELF использует несколько новых технологий для изучения экзопланет, которые могут быть в 100 миллионов раз тусклее звезд, вокруг которых они вращаются. Такое сочетание технологий приводит к более плавной и легкой оптике по сравнению с обычными зеркалами телескопов, а также к лучшему контролю оптической дифракции и ошибок волнового фронта , создаваемых атмосферой. [4] По мнению команды, стоящей за ELF, возможности телескопа по визуализации и методы обнаружения, которые включают в себя анализ энергетических сигнатур планет и спектроскопических химических отпечатков пальцев, будут способствовать нашему пониманию экзопланетной среды и поиску внеземной жизни . [1] [5]
Телескоп Small ExoLife Finder (SELF) представляет собой телескоп Физо с внешним диаметром 3,5 метра, построенный из 15 субапертур диаметром 0,5 метра, расположенных по кругу, как в телескопе ELF. SELF использует опорную конструкцию телескопа, построенную из тенсегрити-структуры из тросов и элементов сжатия . Эта конструкция создает жесткую основу для оптики, которая может быть в 10 раз легче обычной ферменной конструкции . Субапертуры выравниваются и тщательно фазируются с использованием небольшого вторичного зеркала для каждой из 15 субапертур. Алгоритмы машинного обучения и фотонные структуры, встроенные в оптическую систему, позволяют SELF преодолевать влияние атмосферы, подавлять яркий свет центральных звезд и видеть экзопланетную среду вокруг близлежащих ярких звезд. [6] [3]
Ключом к обнаружению жизни является измерение отраженного звездного света от экзопланеты. ELF делает это с помощью телескопа очень большого диаметра, используя оптические технологии, которые могут измерять и корректировать искажения оптического волнового фронта, создаваемые атмосферой над телескопом и несовершенствами телескопа. [7] ELF зависит от 4 инноваций: 1) новых способов создания точных легких больших зеркал без шлифовки стекла, 2) масштабируемой оптической системы, которая сочетает в себе элементы обычных телескопов с интерферометрией , 3) новых способов точной поддержки оптики без массивные механические фермы и 4) инновации в области фотоники и машинного обучения для измерения и коррекции звездного волнового фронта. В IAC находится Лаборатория инноваций в оптомеханике (ЛИОМ), где ученые, инженеры и студенты работают над решением всех этих проблем. [8] [9] [10]
ExoLife Finder (ELF) — это специализированный большой телескоп, предназначенный для экзопланетных исследований, основной задачей которого является обнаружение энергетических признаков жизни или ее оптических отпечатков пальцев на близлежащих экзопланетах. ELF по сути представляет собой интерферометр Физо , который объединяет массив незатененных внеосевых субапертурных телескопов с дифракционным ограничением 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 круглых массивов зеркал размером 5 метров, в которых используется технология полировки тонкой кривизны , в результате чего общий диаметр составляет около 35 метров. Такой размер позволяет ELF «изображать» десятки экзопланет в радиусе 25 световых лет от Земли, открывая новое окно в экзопланетную науку и поиск внеземной жизни. [4] [11]
Стоимость сильно зависит от массы системы, и в ELF используется 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 придумал Бакминстер Фуллер 50 лет назад. Каждое из зеркал ELF имеет отдельное вторичное внеосевое зеркало. Внеосевые телескопы часто используются в радиоприемниках , но их использование в оптических телескопах стало возможным благодаря новой технологии полировки. Эта конструкция уменьшает рассеянный свет, который может мешать слабому оптическому сигналу, получаемому от экзопланет. [4]
ELF должен быть масштабируемым, доступным и быстро разрабатываемым в течение десятилетия. Его необычная конструкция позволяет телескопу достичь чувствительности, необходимой для восстановления изображений экзопланет, что делает его самым ранним и наиболее экономически эффективным способом поиска и описания жизни на близлежащих экзопланетах. [11]
Одной из ключевых инноваций телескопа ELF является технология зеркал, которая значительно отличается от технологии традиционных телескопов, основанных на концепции формирования абразивного стекла, впервые предложенной Исааком Ньютоном 500 лет назад. Такие традиционные зеркала телескопов имеют толщину в несколько сантиметров, и для достижения высококачественной оптической поверхности может потребоваться несколько десятков циклов протирания и измерения. Большие оптические зеркала, подобные этим, обычно стоят 0,5 миллиона долларов за м 2 . Комбинация полировки кривизны и опорных структур тенсегрити может снизить стоимость и время изготовления оптики больших телескопов более чем на порядок. Динамическое поддержание формы таких тонких зеркал против изменений направления гравитации и сил ветра достигается 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 пальцев, указывающих на наличие жизни. Основное внимание телескопа уделяется обнаружению таких молекул, как вода , кислород , метан , углекислый газ и озон , которые обычно связаны с жизнью на Земле. [13] Кроме того, ELF способен обнаруживать фотосинтезирующие биопигменты на поверхности экзопланет, что может указывать на присутствие фотосинтезирующих организмов . [14]
Полезные возможности визуализации ELF простираются на расстояние 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 , в обитаемой зоне которой находятся многообещающие миры, такие как Проксима B. [14] [15]
Для достижения своих целей визуализации и обнаружения ELF использует так называемые свойства обнуления вихрей своей интерферометрии Физо. Эта оптика создает то, что называется коронографом , только на основе первичной оптики телескопа. Использование сложных алгоритмов инверсии, которые зависят от многократных наблюдений экзопланетных систем в течение нескольких месяцев, затем производит выборку экзопланетного вращения и орбиты, чтобы выявить детали структуры ее поверхности, такие как океаны, континенты, леса, пустыни или даже городские комплексы. [16]
Небольшой предшественник ELF расположен на горе Тейде на острове Тенерифе , а предлагаемое место для полного телескопа ELF может быть на Канарских островах, чтобы увидеть северное небо , или в пустыне Атакама в Чили, чтобы увидеть южные экзопланеты, такие как Проксима B. [1] [ 17] Удаленная и засушливая пустыня Атакама обеспечивает оптимальные условия для астрономических наблюдений , сводя к минимуму световое загрязнение и атмосферные возмущения. [18]
