211service.com
Een planetaire telescoop zou de atmosfeer van de aarde gebruiken als een gigantische lens
Uit figuur 12 van het artikel - Voorbeeldwolkenkaarten gemaakt van de gegevens van de effectieve wolkenfractie, als een functie van hoogte De 'Terrascope': over de mogelijkheid om de aarde als atmosferische lens te gebruiken
Telescopen zijn dure apparaten. De Giant Magellan Telescope, die momenteel in aanbouw is in de Atacama-woestijn in Chili, zal een spiegel van 25 meter hebben voor een bedrag van ongeveer $ 1 miljard. De voorgestelde Thirty Meter Telescope op Mauna Kea in Hawaï zal naar schatting $ 2 miljard kosten.
Ruimtetelescopen zijn nog duurder. De veel vertraagde James Webb-ruimtetelescoop die in 2021 de Hubble moet vervangen, die een spiegel van 6,5 meter heeft, kost meer dan $ 10 miljard.
Daarom zoeken astronomen naar innovatieve nieuwe manieren om de hemel in beeld te brengen die de aarde niet kosten.
Betreed David Kipping van de Columbia University in New York, die vandaag voorstelt om de atmosfeer van de aarde te gebruiken om astronomisch licht onder de aandacht te brengen. Zijn idee is om de hele planeet als een soort gigantische lens te gebruiken en een ruimtetelescoop in het brandpunt te plaatsen om de beelden te maken. Deze telescoop - de terrascoop - zou tegen een fractie van de kosten het lichtverzamelende vermogen van een 150 meter lange telescoop op aarde hebben.
Eerst wat achtergrond. Astronomen weten al lang dat de atmosfeer het licht dat er doorheen gaat buigt. Een ondergaande zon staat door dit effect iets meer dan een halve graad lager dan hij lijkt, schrijft Kipping.
Zijn idee is om dit effect op planetaire schaal te benutten. Een waarnemer op of verder dan een afstand van ongeveer de aarde-maan scheiding zou de aarde kunnen benutten als een brekingslens, schrijft hij.
Zo'n lens zou ingewikkeld zijn. Dus Kipping heeft enige tijd besteed aan het bestuderen en simuleren van de eigenschappen ervan en hoe ze kunnen worden uitgebuit in een gigantische terrascoop. De uitdagingen zijn talrijk.
Om te beginnen buigt of breekt de atmosfeer het sterlicht terwijl het er doorheen gaat. Maar de hoeveelheid breking hangt af van de dichtheid van de atmosfeer, die varieert met de hoogte boven het oppervlak. Dus licht dat door de bovenste atmosfeer strijkt, wordt minder gebroken dan licht dat dieper de atmosfeer in gaat.
Maar verschillende factoren beperken hoe diep licht in de atmosfeer kan duiken. Het meest voor de hand liggende is dat het licht de aarde zelf moet vermijden. Maar wolken absorberen ook licht, dus elk gebroken licht moet hoog genoeg boven het oppervlak zijn om ze te vermijden.
Een andere belangrijke factor is dat de atmosfeer, en de aërosolen enzovoort die het bevat, licht absorberen op specifieke frequenties. Dus Kipping moest uitzoeken hoeveel er verloren zou kunnen gaan in dit proces.
De atmosfeer gloeit ook zwak, wat het licht van verre astrofysische bronnen zou kunnen verstikken. Door deze luchtgloed, het resultaat van processen zoals de recombinatie van moleculen die door zonlicht worden losgekoppeld, is de nachtelijke hemel nooit helemaal donker.
Maar Kipping wijst erop dat het meeste van dit licht kan worden geblokkeerd door een coronagraaf - in wezen een kleine schijf op de terrascoop die licht blokkeert van het lichaam van de aarde en zelfs van de lagere regionen van de atmosfeer, waar nuttige lenzen niet voorkomen.
Een andere variabele is dat de atmosfeer uitzet of krimpt wanneer het warmer of koeler is. Dat zou de brandpuntsafstand van de terrascoop veranderen. Dus het vinden van de optimale baan voor het apparaat zou belangrijk zijn.
Kipping bestudeert al deze effecten en meer. Zijn berekeningen suggereren dat een ruimtetelescoop van één meter die op een afstand van 360.000 kilometer draait - dat is iets dichterbij dan de maan - optimaal zou zijn. Zo'n apparaat zou licht moeten opvangen dat niet verder dan 14 kilometer in de atmosfeer van de aarde is gedompeld en dus ruim boven de wolken blijven.
Met de planeet als lens zou het gefocusseerde licht met een factor 45.000 worden versterkt gedurende een belichtingstijd van 20 uur. Dat komt overeen met de versterking die wordt bereikt door een telescoop op de grond met een diameter van 150 meter.
Kipping concludeert dat een terrascoop een aanzienlijk potentieel heeft. Hoewel hij de kosten van zo'n machine niet berekent, suggereert hij dat een telescoop van 100 meter op aarde ongeveer $ 35 miljard zou kosten, een bedrag dat het gecombineerde budget van NASA en de National Science Foundation overschrijdt.
Zou het mogelijk zijn om voor minder geld een telescoop van één meter te bouwen, te lanceren en te bedienen op een afstand van 360.000 kilometer?
Waarschijnlijk. Een van de meest succesvolle observatoria van de afgelopen jaren was de Kepler Space Telescope, die talloze aardachtige planeten in een baan om andere sterren zocht en vond. Deze cirkelde in een baan om de zon in plaats van om de aarde, meer dan 150 miljoen kilometer van huis. De missie duurde negen jaar, totdat de brandstof opraakte, en kostte slechts $ 550 miljoen.
Als die cijfers iets zijn om op af te gaan, kan een terrascoop een opmerkelijke prijs-kwaliteitverhouding bieden.
Referentie: arxiv.org/abs/1908.00490 : De 'Terrascope': over de mogelijkheid om de aarde als atmosferische lens te gebruiken