Comment une nouvelle lentille de télescope pourrait réécrire les règles de l'astronomie

Des télescopes d'âge moderne nous ont offert une vision alléchante de ce qui réside dans la vaste étendue de l'espace, tout en nous donnant des aperçus du passé de l'univers. Cependant, faire des télescopes qui peuvent jeter un œil profondément dans le cosmos est une tâche incroyablement technique et coûteuse, mais grâce à de nouvelles recherches, qui pourraient changer.

Voici comment une lentille plate innovante pourrait résoudre ces problèmes pour les satellites et les télescopes spatiaux.

Comprendre les télescopes et les limites des lentilles

Les lentilles, l'élément fondamental des télescopes, sont particulièrement difficiles du point de vue de l'ingénierie. Les lentilles en verre sont livrées avec leur ensemble inhérent de limitations telles que les aberrations chromatiques, ce qui entraîne des problèmes de franges de couleur et des images floues en raison de la complexité d'ajustement de la mise au point. Les scientifiques ont exploré des objectifs achromatiques, mais ils ne résolvent pas entièrement les problèmes.

La plus grande préoccupation, cependant, est la majeure partie et la taille des lentilles, ainsi que le kit d'accompagnement dans lequel ils sont installés à l'intérieur. À mesure que l'objectif s'agrandit, il a besoin de plus d'espace à bord d'un télescope et de structures de soutien plus fortes. En conséquence, le poids et la taille de ces télescopes atteignent un niveau où la capacité de charge utile devient encore un autre problème. Le coût du lancement de ces télescopes monte en boucle, tout comme le défi de maintenir leur intégrité structurelle dans l'espace.

La solution à ces problèmes fondamentaux pourrait être assez simple, selon les experts de l'Université de l'Utah. Leur proposition consiste à remplacer les lentilles incurvées par une grande lentille plate d'ouverture. Notamment, selon leurs tests, ces lentilles plates sont non seulement aussi efficaces pour concentrer les données lumineuses, mais aussi résoudre les problèmes de correction des couleurs inhérents des lentilles incurvées.

Comment fonctionne une lentille plate?

Pour évaluer les performances de leur objectif unique, l'équipe a créé une plate-forme de test optique spécialisée dans un environnement contrôlé où il pourrait évaluer avec précision ses propriétés optiques. Ensuite, les chercheurs ont installé l'objectif dans une configuration de télescope fonctionnelle et ont capturé des images réelles du soleil et de la lune. Les résultats étaient encourageants, car le télescope a donné suffisamment de netteté et de résolution pour distinguer clairement les taches solaires.

Juste pour éliminer tout doute ici, ce ne sont pas les endroits que vous voyez sur le soleil pendant une éclipse. Au lieu de cela, les taches solaires sont les zones sombres de la surface du soleil causées par l'activité magnétique affectant l'écoulement des gaz chauds. Les taches solaires ne sont pas faciles à capturer car l'immense luminosité nécessite un étalonnage d'exposition minutieux et un filtrage pour distinguer les taches sombres. De plus, en raison de la distance entre les télescopes et le soleil, un kit d'imagerie avec un grossissement élevé et une forte résolution est nécessaire.

En plus des taches solaires, le télescope à objectif plat a également pu capturer les détails de surface uniques de la lune. Ce haut niveau de détail a soutenu la capacité de l'objectif à se rassembler et à concentrer la lumière avec une haute précision, un signe encourageant qu'il peut être déployé pour les observations astronomiques.

«En cas de succès, ces lentilles plates pourraient conduire à des systèmes d'imagerie aéroportés et plus chers plus simples et plus chers pour l'astronomie et l'observation de la Terre», explique Rajesh Menon, auteur principal de l'article publié dans l'Applied Physics Letters Journal. Menon a en outre mis en évidence l'immense potentiel de leur objectif plat pour réduire le coût des télescopes, grâce à la réduction significative du poids et de la taille qu'il aide à atteindre.

Lentille incurvée par rapport aux miroirs plats

Il existe principalement deux types de télescopes: ceux qui reposent sur les lentilles et la deuxième classe plus avancée qui dépendent des miroirs. Les deux types de télescopes suivent une approche différente de la façon dont elles interagissent avec la lumière.

Par exemple, l'emblématique télescope spatial Hubble entre dans cette dernière catégorie. Le miroir principal de ce télescope spatial flottant est un disque de verre spécialisé avec un diamètre de 7,9 pieds et un poids d'une valeur de 1 825 livres.

Un télescope à base de lentille repose sur un processus appelé réfraction, qui est essentiellement la flexion de la lumière lorsqu'elle passe par un support différent. Lorsqu'un objectif est monté à l'intérieur d'un télescope, la réfraction fait que des objets lointains apparaissent plus près. Plus vous voulez voir, plus l'épaisseur est plus épaisse. En conséquence, pour les télescopes au sol à longue portée, les objectifs deviennent rapidement énormes et lourds. Il doit également être pratiquement exempt de défauts de surface ou de matériau, ou il produira des images floues avec des inexactitudes de couleurs.

Les télescopes à base de miroir utilisent le concept de réflexion de la lumière. Par rapport aux lentilles, les miroirs peuvent être minces et légers, malgré leur grande empreinte. En raison de ces avantages fondamentaux, des variantes basées sur des miroirs telles que les télescopes spatiaux Hubble et James Webb ont révolutionné l'astronomie. Mais ils ne sont pas sans limites. Les miroirs nécessitent un nettoyage et un entretien cohérents pour éviter la dégradation du revêtement de surface et de l'accumulation de poussière en raison de facteurs de pollution atmosphérique, qui affectent également les étoiles au sol.

Leur alignement doit également être fixé périodiquement afin qu'ils ne produisent pas d'images floues. Ils sont également plus sensibles aux facteurs environnementaux, tels que des températures élevées modifiant la forme de leur surface, comme le télescope Hubble, qui a été développé pour environ 2 milliards de dollars, mais a coûté jusqu'à présent l'équivalent de 16 milliards de dollars en fonctionnement total et en entretien.

Prêt pour la capture des couleurs à longue portée

L'objectif plat développé par les experts de l'Université de l'Utah vise à frapper un terrain d'entente entre l'objectif incurvé traditionnel et le système miroir pour la construction de télescopes. La lentille plate, qui est techniquement appelée une lentille diffractive à plusieurs niveaux (MDL), a un diamètre de 100 millimètres et offre une distance focale native de 200 mm.

Contrairement aux tentatives précédentes de créer une lentille plate avec des anneaux concentriques, qui ont échoué à produire des couleurs précises, la nouvelle lentille plate MDL peut concentrer des signaux légers couvrant la gamme de couleurs visibles aux yeux humains et fournir des images plus claires. Les anneaux de surface ont été créés en utilisant une technique appelée lithographie en niveaux de gris. L'épaisseur de cette lentille plate n'est que de 2,4 microns, mais sa plus grande réussite est qu'elle peut couvrir les longueurs d'onde dans la gamme de 400 à 800 nanomètres.

«Notre démonstration est un tremplin vers la création d'objectifs plats légers à très grande ouverture avec la capacité de capturer des images en couleur pour une utilisation dans des télescopes basés sur l'air et l'espace», explique Apratim Majumder, membre du corps professoral du département de génie électrique et informatique de l'université.

L'équipe a également expérimenté l'intégration du MDL avec un autre objectif pour créer une conception de télescope hybride. Selon le document de recherche, l'appareil a pu capturer et résoudre les détails sur le soleil, la lune et les scènes terrestres à longue portée. L'équipe pousse maintenant son concept de lentilles plates en tant que substitut léger pour les systèmes de réfraction conventionnels dans les systèmes d'astrophotographie à longue portée.

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Cette percée d'objectif plat a le potentiel non seulement d'accélérer le déploiement de missions spatiales à faible coût, mais aussi une immense promesse pour une analyse au sol. Il serait intéressant de voir combien de temps ce projet soutenu par Darpa fait sentir sa présence dans le paysage scientifique.