Geimurinn er gríðarstór, og næsta reikistjarna í öðru sólkerfi, Proxima Centauri b, er 40 billjónir kílómetra í burtu. Jafnvel í gegnum stærstu og öflugustu sjónauka getum við aðeins séð hana og aðrar fjarplánetur sem litla, ískýra depla – og það gerir það nánast ómögulegt að ákvarða hvort þar sé líf að finna.
Til að svara þeirri spurningu með vissu þurfa vísindamenn að geta séð hvort hvort á þessum fjarlægu hnöttum séu úthöf og heimsálfur, og mælt nákvæmlega úr hverju lofthjúpurinn er gerður. En það krefst svo gríðarlega öflugs sjónauka að allir núverandi sjónaukar blikna í samanburðinum.
Nú hafa vísindamenn frá Technion, tæknistofnun Ísraels, og rannsóknarmiðstöðinni Ames í Bandaríkjunum kynnt áætlanir um einmitt slíkan sjónauka. Með spegil sem er 50 metrar í þvermál verður hann á stærð við hálfan fótboltavöll.
Að koma svo stórum sjónauka fyrir í geimflaug ætti að vera algerlega útilokað, en vísindamennirnir á bak við verkefnið telja sig geta leyst vandamálið með nýrri, fljótandi tækni.
Snúningur sléttar yfirborðið
Hefðbundinn spegilsjónauki notar spegil til að safna og beina ljósi frá fjarlægum himintunglum og af því er nafnið dregið. Það var sá frægi enska vísindamaður Ísak Newton sem fann upp Spegilsjónaukinn. En árið 1687 gerði hann óvænta uppgötvun:
Vökvi á snúningi í flatri skál fær af sjálfu sér það skállaga yfirborð sem spegill í spegilsjónauka þarf að hafa. Og ef um er að ræða rétta tegund vökva, t.d. kvikasilfur, endurkastar hann ljósinu jafn vel og hefðbundinn spegill.
Yfirborðið verður hins vegar aðeins alveg slétt ef snúningurinn er algjörlega jafn og stöðugur, og það var ekki tæknilega mögulegt fyrr en nokkrum öldum síðar.
Stærsti sjónaukinn með fljótandi spegli hingað til, kanadíski Large Zenith Telescope, var tekinn í notkun árið 2003 og starfaði til ársins 2016. Spegillinn, var gerður úr kvikasilfri og var sex metrar í þvermál.
Kanadíski Large Zenith Telescope, sem var lokað árið 2016, var með stærsta vökvaspegilinn til þessa, sex metra að þvermáli. Endurskinsflöturinn var úr kvikasilfri.
Fljótandi speglar hafa þó takmarkaða notkunarmöguleika í sjónaukum. Þyngdaraflið veldur því nefnilega að spegillinn er aðeins skálarlaga svo lengi sem hann vísar beint upp í loftið, frá þyngdarmiðju jarðar og því hefur tækninni hingað til ekki verið spáð mikilli framtíð.
En nú hafa nokkrir djarfir vísindamenn lagt til að smíða „fljótandi sjónauka“ með 50 metra stórum spegli. Í geimnum.
Spegillinn pússaður í 2,5 ár
Hugmyndin kann að hljóma eins og hreinn vísindaskáldskapur, en NASA hefur svo mikla trúir á henni að geimferðastofnunin hefur stutt verkefnið í fyrstu með 600.000 dollurum, sem samsvara nærri 90 milljónum króna. Það er rannsóknarteymi frá tæknistofnun Ísraels, Technion, og rannsóknarmiðstöðinni Ames í Bandaríkjunum, sem hefur fengið peningana til að vinna áfram með þessa draumsýn sína.
Stuðningurinn er veittur í gegnum rannsóknarverkefnið NIAC, (NASA Innovative Advanced Concepts) sem veitir fé til framúrstefnuverkefna og nýstárlegra hugmynda sem gætu leitt til betri, hraðari og jafnvel ódýrari könnunar á geimnum.
50 metra breiður verður spegill FLUTE-sjónaukans eða ríflega 75 sinnum stærri en James Webb-sjónukinn.
Á hverju ári sækja hundruð vísindamanna um styrk frá NIAC, og í þetta sinn var FLUTE (Fluidic Telescope), sem sjónaukaverkefnið hefur verið nefnt, ein af aðeins sex hugmyndum sem komust áfram í aðra umferð þróunarferlis.
Það er gild ástæða fyrir því: Stjörnufræðingar þrá stærri geimsjónauka sem geta stækkað myndir af fjarlægum fjarplánetum, stjörnum og stjörnuþokum. Stóra vandamálið er einfaldlega að sjónaukinn þarf að komast fyrir í farmrými eldflaugar. Það setur stærðinni þröng takmörk.
Spegillinn á stærsta geimsjónauka til þessa og flaggskipi NASA, James Webb, er 6,5 metrar í þvermál. Til að senda svo stóran spegil út í geiminn var nauðsynlegt að framleiða spegilinn í 18 minni sexhyrndum einingum, svo hægt væri að brjóta hann saman fyrir geimskotið.
James Webb er dvergur við hliðina á FLUTE
Í samanburði við risavaxinn FLUTE-sjónaukann er stærsti geimsjónauki nútímans ekki stór. Speglayfirborðið verður 77 sinnum stærra en á James Webb-sjónaukanum og það gerir kleift að þysja alveg inn að fjarreikistjörnum.
Stærsti sjónaukinn nær ekki að greina líf
James Webb-sjónaukinn er sérhannaður til að nema ljós frá fjarlægum stjörnuþokum og er einnig mikið notaður til að kanna fjarplánetur. Hann getur numið og greint stjörnuljós sem hefur borist í gegnum lofthjúp reikistjörnu, en mun líklega ekki geta sagt vísindamönnum hvort líf sé á reikistjörnunni.
Spegill: 18 einingar
Þvermál: 6,5 metrar
Flatarmál: 25,4 fermetrar
Risastjörnusjónauki getur fundið örugg merki um líf
FLUTE-stjörnusjónaukinn getur numið beint ljós frá hnöttum á stærð við jörðina sem eru á sporbaug um stjörnur eins og sólina. Með sjónaukanum geta stjörnufræðingar komist að því hvaða lofttegundir eru í lofthjúpi hnattarins og hugsanlega hvernig yfirborð hans er. Það gæti skorið úr um hvort þar sé líf.
Spegill: Fljótandi salt
Þvermál: 50 metrar
Flatarmál: 1.963 fermetrar
Webb-sjónaukinn er afar dýr og flókin smíði sem kostaði tíu milljarða dollara, en samsvarar hátt í 1.500 milljörðum króna. Það tók níu ár að framleiða speglana og einungis það að pússa þá og fægja krafðist tveggja og hálfs árs vinnu.
Spegilarnir þurfa nefnilega að hafa alveg nákvæmlega rétta lögun og vera algerlega sléttir til að virka sem skyldi.
Með fljótandi spegli þurfa verkfræðingar ekki að hafa minnstu áhyggjur af sléttleikanum, og þeir þurfa ekki að eyða einni sekúndu í að pússa og fægja.
Vökvinn dreifir sér í geimnum
Áætlunin með FLUTE-verkefninu er að skjóta upp hringlaga ramma, sem fellur út og fyllist af vökva í geimnum. Sjónaukinn þarf ekki að snúast – það er aðeins nauðsynlegt á jörðinni, þar sem þyngdaraflið reynir að gera vökvann alveg flatan. Í geimnum dreifir hann sér í rammanum og myndar þá kúptu lögun sem óskað er eftir, óháð því í hvaða átt sjónaukanum er beint.
Vökvinn festist við innanverðan gríðarstóran hring, nákvæmlega eins og þegar regndropi situr fastur á rúðu. Yfirborðsspennan er næg til að halda vökvanum saman, og hún tryggir jafnframt að spegillinn er algerlega sléttur – innan við milljónasta hluta úr millimetra.
Vökvi veitir risasjónauka ofursýn
FLUTE-sjónaukinn á samkvæmt áætlun að fara ósamsettur út í geimminn þar sem bæði rammi vökvaspegilsins og tilheyrandi sólhlíf fella sig. Ramminn fyllist af vökva sem endurkastar ljósi.
1. Sólhlífin heldur hitastigi stöðugu
Vökvaspegillinn virkar best við stöðugt hitastig. Mikill hiti getur valdið því að vökvinn gufar upp, og breytilegt hitastig getur skapað smáar bylgjur á yfirborðinu. Þess vegna er nauðsynlegt að hafa stóra hlíf til verndar gegn sólarhitanum.
2. Hringlaga rammi heldur vökvanum
Hringur með 50 metra þvermáli fellir sig út í geimnum. Hringurinn einn er nægur til að vökvinn myndi skálarlögun, en ef verkfræðingarnir velja að dýpka skálina, þarf vökvinn aðeins að vera örfárra millimetra þykkur.
3. Endurskinsvökvinn myndar fullkomin spegil
Hringurinn er fylltur með nokkur þúsund lítrum af fljótandi salti. Þunnt lag af málmkenndum nanóögnum gerir yfirborð vökvans að spegli. Yfirborðsspenna og viðloðun við ytri hringinn gefur speglinum rétta sveigju.
4. Svífandi myndavél myndar plánetur
Spegillinn nemur ljósið frá fjarlægum reikistjörnum og beinir því að myndavél sem svífur nákvæmlega í réttri fjarlægð frá speglinum. Litrófsgreinar greina ljósið til að ákvarða úr hverju lofthjúpar reikistjarnanna eru samsettir.
Vökvi veitir risasjónauka ofursýn
FLUTE-sjónaukinn á samkvæmt áætlun að fara ósamsettur út í geimminn þar sem bæði rammi vökvaspegilsins og tilheyrandi sólhlíf fella sig. Ramminn fyllist af vökva sem endurkastar ljósi.
1. Sólhlíf heldur hitastigi stöðugu
Vökvaspegillinn virkar best við stöðugt hitastig. Mikill hiti getur valdið því að vökvinn gufar upp, og breytilegt hitastig getur skapað smáar bylgjur á yfirborðinu. Þess vegna er nauðsynlegt að hafa stóra hlíf til verndar gegn sólarhitanum.
2. Hringlaga rammi heldur vökvanum
Hringur með 50 metra þvermáli fellir sig út í geimnum. Hringurinn einn er nægur til að vökvinn myndi skálarlögun, en ef verkfræðingarnir velja að dýpka skálina, þarf vökvinn aðeins að vera örfárra millimetra þykkur.
3. Endurskinsvökvinn myndar fullkomin spegil
Hringurinn er fylltur með nokkur þúsund lítrum af fljótandi salti. Þunnt lag af málmkenndum nanóögnum gerir yfirborð vökvans að spegli. Yfirborðsspenna og viðloðun við ytri hringinn gefur speglinum rétta sveigju.
4. Svífandi myndavél myndar plánetur
Spegillinn nemur ljósið frá fjarlægum reikistjörnum og beinir því að myndavél sem svífur nákvæmlega í réttri fjarlægð frá speglinum. Litrófsgreinar greina ljósið til að ákvarða úr hverju lofthjúpar reikistjarnanna eru samsettir.
Kúptri lögun spegilsins er hægt að breyta einfaldlega með því að auka eða minnka vökvamagnið. Þannig getur sjónaukinn hvort heldur kannað stóran hluta himingeimsins með gleiðu sjónarhorni, til dæmis til að finna smástirni í sólkerfinu, eða stækkað mynd af fjarlægri fjarplánetu.
Með fljótandi spegli fá stjörnufræðingar því ýmsa dýrmæta kosti í upp í hendurnar. En á hinn bóginn er nauðsynlegt að byggja inn einhvers konar hitara í rammann, svo vökvinn geti haldist fljótandi í ísköldu frosti geimsins.
Spegillinn gerður úr fljótandi salti
Spurningin er þá hvaða vökvi sé heppilegastur til að nota sem spegil. Vísindamenn hafa fyrirfram útilokað kvikasilfur, sem er of þungt og erfitt í meðförum.
Þeir hafa í staðinn gert tilraunir með skaðlausan málm, gallíum, sem er mun léttari og bráðnar við 30 gráðu hita, en hallast nú helst að því að nota fljótandi salt, sem vegur ekki mikið meira en vatn.
Í geimnum er fljótandi salt afar stöðugt og gufar ekki upp. Þar sem til eru margar mismunandi gerðir af fljótandi salti geta efnafræðingar fínstillt vökvann þannig að hann fái nákvæmlega þá vökvaeiginleika, yfirborðsspennu og viðloðunarhæfni sem virkar best.
Hins vegar hefur fljótandi salt þann galla að það endurkastar ekki ljósi frá alheiminum. Til að virka sem spegill þarf að bera þunnt, málmkennt yfirborðslag á vökvann, til dæmis með því að bæta við silfri eða áli og þá í formi nanaóagna, sem dreifa sér sjálfar á yfirborðinu.
Fjarpláneta í nærmynd
Í grundvallaratriðum eru engin efri mörk fyrir því hversu stór fljótandi spegill getur orðið. Það er aðeins plássið í farmrými eldflaugarinnar sem setur mörkin.
40 billjónir kílómetra í burtu er næsta fjarpláneta. Með FLUTE getum við rannsakað yfirborð hennar töluvert náið.
Vísindamennirnir á bak við FLUTE-verkefnið hafa ákveðið 50 metra, því það er nokkurn veginn sú hámarksstærð sem hægt er að skjóta upp með stærstu geimflaugum sem við höfum í dag.
Vísindamennirnir hafa þó ekki aðeins skoðað vökvamökuleikann með fræðilegum gleraugum. Þeir hafa þegar framkvæmt fjölda vísindalegra tilrauna, bæði í rannsóknarstofum á jörðu niðri og í þyngdarleysi.
Árið 2022 flaug ísraelski geimfarinn Eytan Stibbe til Alþjóðlegu geimstöðvarinnar, ISS, þar sem hann framkvæmdi tilraunir með fljótandi linsur.
Eftir það hafa ísraelskir og bandarískir vísindamenn gert tilraunir með að framleiða litla spegla úr málminum gallíum og fljótandi salti í svokölluðum parabóluflugi, þar sem farþegar upplifa þyngdarleysi í 20-25 sekúndur í senn.
Vökvar haga sér öðruvísi í geimnum en á jörðinni. Ísraelski geimfarinn Eytan Stibbe framkvæmdi tilraunir með fljótandi linsur á Alþjóðlegu geimstöðinni, ISS, árið 2022.
Niðurstöður tilraunanna hafa hingað til verið jákvæðar og það hefur gefið vísindamönnunum kjark til að þróa lítinn geimsjónauka með fljótandi spegli sem er einn metri í þvermál. Ef þeir fá stuðning frá NASA til að halda áfram með verkefnið, gæti það verið tilbúið til geimskots árið 2030. Þar á eftir kæmi svo röðin að fyrirhuguðum 50 metra stóra sjónauka.
Þetta er gríðarleg verkfræðileg áskorun og verður varla að veruleika fyrr en einhvern tímann á fimmta áratug þessarar aldar. En þá fá stjörnufræðingar einnig tækifæri til að beina sjónum sínum til dæmis að Proxima Centauri b, sem með fjarlægð upp á 4,2 ljósár, eða 40 billjónir kílómetra, er næsta fjarpláneta.
Í dag vitum við aðeins að þessi litli hnöttur snýst einmitt svo langt frá stjörnu sinni að í þar gæti mögulega fundist fljótandi vatn á yfirborðinu. Með FLUTE væri unnt að skapa nærmynd og leita af umtalsverðri nákvæmni.
