På bjergtoppen er nattehimlen krystalklar, og verdens største optiske teleskop, Gran Telescopio Canarias (GTC) på blot 10,4 m, lægger nye billeder i menneskehedens astronomiske fotoalbum. Med de billeder kan forskerne se, hvordan universet omkring os er bygget op, og det store teleskop indfanger konstant billeder af galakser, supernovaer og fjerne exoplaneter.
Ønsker forskerne at se fjerne planeter eller galakser i naturligt lys, skal de bruge optiske teleskoper. Og jo større spejldiameter, jo længere ud i universet kan forskerne se. Men det har en begrænsning, for optiske teleskoper er dyre, og GTC kostede næsten en mia. kr. og tog over syv år at konstruere. Det næststørste optiske teleskop af samme type på 9,2 m, Southern African Large Telescope, kostede blot 250 mio. kr.
Nu har astronomen David Kipping fra Columbia University måske fundet en løsning på problemet. Han har fremlagt en idé til et radikalt anderledes teleskop, Terrascope, med en optisk linse, der vil få selv de allerdyreste og -største idéer til at blegne: Ved at udnytte, hvordan lyset bøjer i Jordens atmosfære vil han lave hele Jorden om til én stor linse.
Teleskoper svulmer i størrelse
Siden 1980 har prisen for at konstruere et teleskop med et spejl bygget ud i ét stykke kunnet udregnes som diameteren opløftet til en potens af 2,5. Hvis man firedobler spejlets diameter, bliver prisen 32 gange højere. Det betyder, at et teleskop med en diameter på 100 meter koster ca. 35 mia. dollars.
Atmosfæren virker som en linse
Fjernt objekt udsender lys
Lyset fra eksempelvis en fjern stjerne, galakse eller exoplanet bevæger sig mod Jorden ved dets maksimale hastighed på 300.000 km/s gennem rummets vakuum. Lyset bevæger sig her tilnærmelsesvis som parallelle bølger.
Brydningen virker som en linse
Lysbølgerne fra objektet bliver bøjet i atmosfæren, fordi lyset bremses ned i hastighed. Refraktionen – eller brydningen – sker flere gange ned igennem atmosfærens lag, fordi tryk og temperatur ændrer sig.
Skive blokerer lysforurening
Terrascope kredser om Jorden, og dets detektor opfanger lyset på samme måde som i et almindeligt kamera. Foran detektoren placeres en såkaldt koronagraf, som blokerer Jordens lys, så det udelukkende er lyset fra objektet, der fotograferes.
I løbet af 2020’erne står en ny generation af optiske kæmpeteleskoper klar til brug, blandt andet det såkaldte Extremely Large Telescope (ELT), som har et spejl på 39,3 m – næsten fire gange så stort som den nuværende rekordholder. Og jo større spejlet på et optisk teleskop er, jo mere lys kan det indfange. Fx vil ELT kunne se universet 16 gange skarpere end Hubbleteleskopet.
Men straffen for det gode udsyn kommer i form af en skyhøj pris og yderst kompleks teknologi. Når ELT er klar til drift i 2025 efter 11 års byggearbejde, bliver den samlede pris 1,5 mia. dollars. Det er her, David Kippings Terrascope kommer ind i billedet.
Jorden bliver en linse
Hvis du har et glas vand, og du eksempelvis putter din ske ned i det, ser det ud, som om skeen forstørres. Det er dette simple princip, som Kipping baserer Terrascope på, for når lys passerer fra ét medium, i dette tilfælde rummets vakuum, og til et andet, her Jordens atmosfære, brydes det. Og det giver den forstørrende effekt, der i praksis vil gøre Jorden til en linse i stil med dem, der bruges i traditionelle optiske teleskoper.
Kippings teori er, at hvis man beregner et punkt, hvor lyset fra et fjernt astronomisk objekt samles, efter at det har rejst gennem Jordens atmosfære, er det reelt muligt at få et forstørret billede af kilden til lyset. Alt, det kræver derfra, er at placere en detektor på en satellit, som kan opfange det lys, der bliver udsendt – i princippet svarende til den sensor, der sidder i et kamera.
Hvis idéen holder vand, kan det skubbe til det gennemgående princip om at bygge teleskoper større og mere komplekse for at udvide vores astronomiske synsfelt. Frem for hele tiden at opskalere spejlene vil
denne løsning give en linse på 12.742 km i diameter – svarende til hele jordkloden.
Turbulens svækker visionen
Når NASA, ESA eller Roskosmos ikke smider alt, hvad de har i hænderne, og søsætter idéen, skyldes det blandt andet, at teorien har en svaghed: For enkelhedens skyld antager Kipping, at lyset passerer gennem atmosfæren uforstyrret.
I virkeligheden bliver det udsat for turbulens, og derfor vil det lys, detektoren modtager, være uskarpt. Derfor kræver det yderligere beregninger at finde en model, som tager højde for forstyrrelser.
Det er dog ikke nødvendigvis noget stort problem, for ifølge Kipping er skarpe billeder ikke essentielle for at kunne gøre banebrydende opdagelser:
“Det er langt nemmere i første omgang ikke at bekymre sig om skarpe billeder, men bare hente gnidrede punkter af lys ud. Selvom det er uskarpt, er der meget spændende videnskab at hente. Tænk på det som en 200 meter stor udgave af Keplerteleskopet, som vil kunne detektere objekter på ned til 1/100 af Jordens radius,” forklarer Kipping.
Ifølge David Kipping kan rumsonden Juno bruge Jupiter som en kæmpe internetantenne.
Jupiter bliver én stor antenne
Siden 2016 har rumsonden Juno kredset omkring Solsystemets største planet, Jupiter. Ifølge astronomen David Kipping kan Terrascope-idéen allerede nu testes med Juno som hovedperson. Kipping vil bruge Jupiters atmosfære som en kraftig antenne, som Juno kan udnytte til at sende data hjem til Jorden med 53 MB/s i stedet for 200 kB/s. Atmosfæren kan forstærke det svage signal fra Junos kommunikationsantenne med op til 70.000 gange.
Det nu pensionerede rumteleskop Kepler havde et primærspejl på kun 1,4 meter. Alligevel opdagede teleskopet flere end 2600 exoplaneter, udelukkende ved måling af lyset fra fjerne stjerner.
Gammel idé i nye klæder
Idéen om at bruge Jordens atmosfære som en linse er en tilbagevenden til teleskophistoriens begyndelse. Dengang brugte pionererne linser af glas til at bryde lyset. Med tiden gik astronomerne over til teleskoper baseret på spejle, som er blevet standarden for store optiske teleskoper i dag.
De gamle teleskoper baseret på glaslinser blev nemlig for tunge og teknisk vanskelige at fremstille. Det er den samme problematik, som nutidens astronomer har nået med de optiske teleskoper, og det er her, Kippings Terrascope kan være en løsning.
Det indtil nu største optiske teleskop, Gran Telescopio Canarias, har en diameter på blot 10,4 meter.
For det andet alternativ, at sende teleskoper i kredsløb, som det kendes fra Hubbleteleskopet, er også en bekostelig affære. Hubbles afløser, James Webb-teleskopet, er flere år forsinket og runder ved opsendelsen en pris på mere end 10 mia. dollars.
Solsystemet kommer på nettet
Der er endnu et stykke vej, før Kippings vision kan blive en realitet, men som mere eller mindre “gal” forsker har han naturligvis et radikalt forslag til at teste sin vision – nemlig at levere 4G-internet til hele Solsystemet.
Fra sit kredsløb om Jupiter har rumsonden Juno siden 2016 sendt billeder og data hjem til Jorden med sin 2,5 meter brede kommunikationsantenne, men det går langsomt. Faktisk sender den data afsted med blot 200 kB/s, hvilket svarer til en internetforbindelse fra 1990’erne.
Kipping foreslår at bruge Jupiters atmosfære til at forstærke signalet fra Junos antenne og dermed sætte fart på dataoverførslen til Jorden. Han har regnet ud, at man kan lade signalet passere gennem Jupiters atmosfære. Og ligesom det er tilfældet med lyset, vil signaet fra Juno også brydes, når det går fra rummets vakuum til atmosfæren.
Den store diameter kan forstærke signalet og sende det tilbage med en hastighed på omkring 53 MB/s. Det svarer til dataforbindelsen på en almindelig 4G-telefon.
Ikke nok med, at Terrascope bevæge astronomien væk fra store, dyre teleskoper, idéen kan også skabe højhastighedsinternet på tværs af Solsystemet. Hvis idéen holder, går astronomien store forandringer i møde.
Kipping forklarer Terrascope
David Kipping er yderst aktiv på Youtube, hvor han dykker ned i alskens astronomiske fænomener. Se her, hvordan han selv forklarer konceptet bag Terrascope: