Ända sedan astronomer först började använda teleskop för att få en bättre titt på himlen, har de kämpat med en grundläggande gåta. Förutom förstoring behöver teleskop också kunna lösa de små detaljerna i ett föremål för att hjälpa oss att få en bättre förståelse av dem. Att göra detta kräver att man bygger större och större ljussamlande speglar, vilket kräver instrument av större storlek, kostnad och komplexitet.
Men forskare som arbetar vid NASA Goddards Space Flight Center arbetar på ett billigt alternativ. Istället för att förlita sig på stora och opraktiska teleskop med stor bländare har de föreslagit en enhet som kan lösa små detaljer samtidigt som den är en bråkdel av storleken. Det är känt som fotonsikt , och den utvecklas speciellt för att studera solens korona i ultraviolett ljus.
I grund och botten är fotonsikten en variant av Fresnel-zonplattan, en form av optik som består av tätt åtskilda uppsättningar ringar som alternerar mellan det transparenta och det ogenomskinliga. Till skillnad från teleskop som fokuserar ljus genom brytning eller reflektion, får dessa plattor ljus att diffraktera genom genomskinliga öppningar. På andra sidan överlappar ljuset och fokuseras sedan på en specifik punkt – vilket skapar en bild som kan spelas in.
Bild som visar fotonsikten som bringar rött laserljus till ett exakt fokus på sin optiska axel och producerar exotiska diffraktionsmönster. Kredit: NASA/W. Hrybyk
Fotonsikten fungerar på samma grundprinciper, men med en lite mer sofistikerad twist. Istället för tunna öppningar (dvs Fresnel-zoner) består silen av en cirkulär kisellins som är prickad med miljontals små hål. Även om en sådan anordning skulle vara potentiellt användbar på alla våglängder, utvecklar Goddard-teamet specifikt fotonsikten för att svara på en 50 år gammal fråga om solen.
I huvudsak hoppas de kunna studera solens korona för att se vilken mekanism som värmer den. Under en tid har forskare vetat att koronan och andra lager i solens atmosfär (kromosfären, övergångsregionen och heliosfären) är betydligt varmare än dess yta. Varför detta är har förblivit ett mysterium. Men kanske inte så länge till.
Som Doug Rabin, ledaren för Goddard-teamet, sa i en NASA pressmeddelande :
'Detta är redan en framgång... I mer än 50 år har den centrala obesvarade frågan inom solkoronalvetenskapen varit att förstå hur energi som transporteras underifrån kan värma koronan. Nuvarande instrument har rumslig upplösning ungefär 100 gånger större än de funktioner som måste observeras för att förstå denna process.'
Med stöd från Goddards forsknings- och utvecklingsprogram har teamet redan tillverkat tre siktar, som alla mäter 7,62 cm (3 tum) i diameter. Varje enhet innehåller en kiselskiva med 16 miljoner hål, vars storlekar och placeringar bestämdes med hjälp av en tillverkningsteknik som kallas fotolitografi – där ljus används för att överföra ett geometriskt mönster från en fotomask till en yta.
Goddard-teamet under ledning av Doug Rabin (till vänster) arbetar på en ny optisk enhet som drastiskt kommer att minska storleken på teleskop. Kredit: NASA/W. Hrybyk
Men på sikt hoppas de kunna skapa en såll som kommer att mäta 1 meter (3 fot) i diameter. Med ett instrument av denna storlek tror de att de kommer att kunna uppnå upp till 100 gånger bättre vinkelupplösning i ultraviolett ljus än NASA:s högupplösta rymdteleskop – Solar Dynamics Observatory . Detta skulle vara precis tillräckligt för att börja få några svar från solens korona.
Under tiden planerar teamet att börja testa för att se om sållen kan fungera i rymden, en process som bör ta mindre än ett år. Detta kommer att inkludera om den kan överleva de intensiva g-krafterna från en rymduppskjutning eller inte, såväl som den extrema miljön i rymden. Andra planer inkluderar att koppla ihop tekniken med en serie CubeSats så att ett flygande uppdrag med två rymdfarkoster kan monteras för att studera solens korona.
Förutom att kasta ljus över solens mysterier kan en framgångsrik fotonsikt revolutionera optiken som vi känner den. Istället för att tvingas skicka massiva och dyra apparater ut i rymden (som Rymdteleskopet Hubble eller den James Webb-teleskopet ), kunde astronomer få alla högupplösta bilder de behöver från enheter som är små nog att fästa ombord på en satellit som inte mäter mer än några kvadratmeter.
Detta skulle öppna upp nya arenor för rymdforskning, vilket ger privata företag och forskningsinstitutioner möjlighet att ta detaljerade bilder av avlägsna stjärnor, planeter och andra himmelska objekt. Det skulle också utgöra ytterligare ett avgörande steg mot att göra rymdutforskning överkomligt och tillgängligt.
Vidare läsning: NASA