Ett planetteleskop skulle använda jordens atmosfär som en gigantisk lins

Från artikelns figur 12 - Exempel på molnkartor gjorda av data för effektiv molnfraktion, som en funktion av höjd 'Terraskopet': om möjligheten att använda jorden som en atmosfärisk lins

Teleskop är dyra enheter. Giant Magellan Telescope, som för närvarande byggs i Atacamaöknen i Chile, kommer att ha en spegel på 25 meter till en kostnad av cirka 1 miljard dollar. Det föreslagna trettiometersteleskopet på Mauna Kea på Hawaii kommer att kosta uppskattningsvis 2 miljarder dollar.

Rymdbaserade teleskop är ännu dyrare. Det mycket försenade rymdteleskopet James Webb som ska ersätta Hubble 2021, som har en spegel på 6,5 meter, kostar över 10 miljarder dollar.

Så astronomer letar efter innovativa nya sätt att avbilda himlen som inte kostar jorden.

Skriv in David Kipping vid Columbia University i New York, som idag föreslår att man använder jordens atmosfär för att fokusera astronomiskt ljus. Hans idé är att använda hela planeten som en slags gigantisk lins och placera ett rymdteleskop i brännpunkten för att ta bilderna. Detta teleskop – terrasskopet – skulle ha ljussamlande kraften som ett 150-meters teleskop på jorden till en bråkdel av kostnaden.

Först lite bakgrund. Astronomer har länge vetat att atmosfären böjer ljus som passerar genom den. En nedgående sol är lite mer än en halv grad lägre än vad den ser ut till följd av denna effekt, skriver Kipping.

Hans idé är att dra fördel av denna effekt på planetarisk skala. En observatör på eller bortom ett avstånd av ungefär jord-måne-separationen skulle kunna utnyttja jorden som en brytningslins, skriver han.

En sådan lins skulle vara komplex. Så Kipping har ägnat lite tid åt att studera och simulera dess egenskaper och hur de kan utnyttjas i ett gigantiskt terrasskop. Utmaningarna är många.

Till att börja med böjer eller bryts atmosfären av stjärnljuset när den passerar igenom. Men mängden brytning beror på atmosfärens densitet, som varierar med höjden över ytan. Så ljus som betar den övre atmosfären bryts mindre än ljus som passerar djupare in i atmosfären.

Men olika faktorer begränsar hur djupt ljus kan sjunka ner i atmosfären. Det mest uppenbara är att ljuset måste undvika själva jorden. Men moln absorberar också ljus, så allt brytt ljus måste vara tillräckligt högt över ytan för att undvika dem.

En annan viktig faktor är att atmosfären, och de aerosoler och så vidare som den innehåller, absorberar ljus vid specifika frekvenser. Så Kipping har varit tvungen att räkna ut hur mycket som kan gå förlorat i denna process.

Atmosfären lyser också svagt, vilket kan kväva ljuset från avlägsna astrofysiska källor. Detta luftglöd, resultatet av processer som rekombination av molekyler som är disassocierade av solljus, gör att natthimlen aldrig är helt mörk.

Men Kipping påpekar att det mesta av detta ljus kan blockeras av en koronagraf - i huvudsak en liten skiva på terrasskopet som blockerar ljus från jordens kropp och till och med från de nedre delarna av atmosfären, där hjälpsam linsning inte förekommer.

En annan variabel är att atmosfären expanderar eller drar ihop sig när det är varmare eller svalare. Det skulle ändra brännvidden på terrasskopet. Så att hitta den optimala omloppsbanan för enheten skulle vara viktigt.

Kipping studerar alla dessa effekter och mer. Hans beräkningar tyder på att ett rymdteleskop på en meter som kretsar runt på ett avstånd av 360 000 kilometer - det är lite närmare än månen - skulle vara optimalt. En sådan anordning bör samla in ljus som inte har sjunkit längre än 14 kilometer i jordens atmosfär och därför förblir långt ovanför molnen.

Med planeten som en lins skulle det fokuserade ljuset förstärkas med en faktor på 45 000 under en exponeringstid på 20 timmar. Det motsvarar förstärkningen som uppnås av ett markbaserat teleskop med en diameter på 150 meter.

Kipping drar slutsatsen att ett terrasskop har betydande potential. Även om han inte beräknar kostnaden för en sådan maskin, föreslår han att ett 100-meters teleskop på jorden skulle kosta cirka 35 miljarder dollar, ett belopp som överstiger den kombinerade budgeten för NASA och National Science Foundation.

Skulle det vara möjligt att bygga, skjuta upp och använda ett enmetersteleskop på ett avstånd av 360 000 kilometer för mindre?

Förmodligen. Ett av de mest framgångsrika observatorierna de senaste åren har varit rymdteleskopet Kepler, som letade efter och hittade många jordliknande planeter som kretsade runt andra stjärnor. Detta kretsade runt solen snarare än jorden, över 150 miljoner kilometer från hemmet. Uppdraget varade i nio år, tills det tog slut på bränsle, och kostade bara 550 miljoner dollar.

Om dessa siffror är något att gå efter, kan ett terrasskop erbjuda anmärkningsvärt värde för pengarna.

Ref: arxiv.org/abs/1908.00490 : 'Terraskopet': om möjligheten att använda jorden som en atmosfärisk lins

Dölj