Uppe på bergstoppen är natthimlen kristallklar. Världens största optiska teleskop, 10,4 meter stora Gran Telescopio Canarias (GTC), lägger till nya bilder i mänsklighetens astronomiska foto-
album. Med dessa bilder kan forskarna se hur universum omkring oss är uppbyggt.
Det stora teleskopet tar utan avbrott bilder av galaxer, supernovor och avlägset belägna exoplaneter.
För att kunna se avlägsna planeter eller galaxer i naturligt ljus behöver forskarna optiska teleskop, och ju större spegelns diameter är, desto längre ut i universum kan de se.
Det finns dock en hake: Optiska teleskop är dyra. GTC kostade över en miljard kronor och tog mer än sju år att bygga. Det näst största optiska teleskopet av samma typ, Southern African Large Telescope, med en diameter på 9,2 meter, kostade 350 miljoner kronor.
Nu har astronomen David Kipping vid Columbia University i USA möjligtvis hittat en lösning på problemet de dyra teleskopen. Han har presenterat en idé på ett helt annorlunda teleskop, Terrascope, med en optisk lins som skulle få de allra dyraste, mest storslagna idéerna att blekna.
Genom att dra nytta av hur ljuset böjs i jordens atmosfär vill han göra hela planeten till en enda stor lins.
Teleskopen blir allt större
Sedan år 1980 har priset för att bygga ett teleskop med en spegel i ett enda stycke beräknats som diametern upphöjt till 2,5. Om man fyrdubblar spegelns diameter blir priset 32 gånger högre. Det innebär att ett teleskop med en diameter på 100 meter skulle kosta cirka 35 miljarder dollar.
Atmosfären fungerar som en lins
Avlägset beläget objekt avger ljus
Ljuset från exempelvis en avlägset belägen stjärna, galax eller exoplanet rör sig genom rymdens vakuum i riktning mot jorden i sin maximala hastighet av 300 000 kilometer per sekund. Ljuset rör sig ungefär som parallella vågor.
Brytningen fungerar som en lins
Ljusvågorna från objektet böjs i atmosfären eftersom ljusets hastighet sänks. Refraktionen, eller brytningen, sker flera gånger under vägen genom atmosfärens lager på grund av
tryck- och temperaturförändringar.
Skiva blockerar ljusförorening
Terrascope kretsar runt jorden och dess detektor registrerar ljuset på samma sätt som en vanlig kamera. Framför detektorn placeras en så kallad koronagraf. Den blockerar ljuset från jorden så att det enbart är ljuset från objektet som fotograferas.
Under 2020-talet kommer en ny generation av optiska jätteteleskop att tas i bruk, bland annat Extremely Large Telescope (ELT), som har en spegel med en diameter på 39,3 meter – nästan fyra gånger större än den nuvarande rekordhållaren.
Ju större ett optiskt teleskops spegel är, desto mer ljus kan det fånga in. ELT kommer till exempel att kunna se universum 16 gånger skarpare än Hubbleteleskopet.
Det innebär dock ett högt pris och mycket avancerad teknik. När ELT är klart att ta i drift år 2025, efter elva år av byggande, har det kostat 1,5 miljarder dollar. Det är här David Kippings Terrascope kommer in i bilden.
Jorden fungerar som en lins
Om man har ett glas vatten och stoppar ner en sked i det ser skeden större ut.
Det är på denna enkla princip Kipping baserar Terrascope: Att ljuset bryts när det passerar från ett medium (i det här fallet rymdens vakuum) till ett annat (jordens atmosfär).
Det ger den förstorande effekt som i praktiken gör jorden till en lins i stil med dem som används i traditionella optiska teleskop.
Kippings teori är att om man beräknar en punkt där ljuset från ett avlägset beläget astronomiskt objekt samlas efter att det har passerat jordens atmosfär så är det möjligt att få en förstorad bild av källan till ljuset.
Det enda som krävs därefter är att man placerar en detektor på en satellit som kan fånga ljuset som avges, i princip motsvarande sensorn i en kamera.
Om idén håller behöver vi inte bygga allt större och alltmer avancerade teleskop för att utvidga vårt astronomiska synfält.
I stället för att hela tiden göra speglarna större skulle den här lösningen ge en lins med en diameter på 12 742 kilometer – motsvarande hela jordklotet.
Turbulens försämrar synen
Anledningen till att Nasa, ESA eller Roskosmos inte skrinlägger alla övriga planer och genomför idén är bland annat att teorin har en svaghet. För enkelhetens skull antar Kipping att ljuset passerar ostört genom atmosfären.
I själva verket utsätts det för turbulens, vilket gör att det ljus som detektorn registrerar blir oskarpt. Därför krävs ytterligare beräkningar för att hitta en modell som tar hänsyn till dessa störningar.
Det behöver dock inte bli något stort problem.
Enligt Kipping krävs inga skarpa bilder för att man ska kunna göra banbrytande upptäckter: ”Till en början är det betydligt enklare att inte bekymra sig om skarpa bilder. Det räcker att fokusera på ljuspunkter. Även om de är oskarpa finns det mycket spännande information att hämta där. Tänk på det som en 200 meter stor variant av Keplerteleskopet, som kan detektera objekt på ner till en hundradel av jordens radie”, säger Kipping.
Enligt David Kipping kan rymdsonden Juno använda Jupiter som en jättelik internetantenn.
Jupiter blir en enorm antenn
Sedan år 2016 har rymdsonden Juno kretsat runt Jupiter – solsystemets största planet. Enligt astronomen David Kipping kan idén bakom Terrascope testas med Juno som huvudobjekt. Kipping vill nämligen använda Jupiters atmosfär som en antenn som Juno kan dra nytta av för att sända data till jorden i 53 megabyte per sekund i stället för i 200 kilobyte per sekund. Atmosfären kan göra att signalen från Junos kommunikationsantenn blir upp till 70 000 gånger starkare.
Primärspegeln på det nu pensionerade rymdteleskopet Kepler hade bara en diameter på 1,4 meter, men ändå upptäckte det över 2 600 exoplaneter enbart genom att mäta ljuset från avlägsna stjärnor.
Gammal idé i ny dräkt
Tanken att använda jordens atmosfär som en lins är en återgång till teleskopens tidiga historia, då pionjärerna använde glaslinser för att bryta ljuset.
Med tiden övergick astronomerna till spegelbaserade teleskop, vilket har blivit standarden för dagens stora optiska teleskop.
De gamla teleskopen, som var baserade på glaslinser, blev för tunga och tekniskt komplicerade att tillverka.
Vår tids astronomer står nu inför samma problem med de optiska teleskopen, och det är här David Kippings Terrascope kan innebära en lösning.
Världens hittills största optiska teleskop, Gran Telescopio Canarias, har en diameter på endast 10,4 meter.
Det andra alternativet, att sända ut teleskop i omloppsbana som man gjorde med Hubbleteleskopet, kostar nämligen också väldigt mycket pengar.
Hubbles efterträdare, James Webb-teleskopet, är flera år försenat och kommer vid uppsändningen att ha kostat över tio miljarder dollar.
Solsystemet kopplas upp
Det dröjer innan Kippings vision kan förverkligas, men som driftig forskare har han ett radikalt förslag för att få tillfälle att testa sin vision: Att förse solsystemet med 4G-internet.
Från sin omloppsbana runt Jupiter har rymdsonden Juno sedan år 2016 skickat hem bilder och data till jorden med sin 2,5 meter breda kommunikationsantenn – men det går sakta: Dataströmmen är så långsam som 200 kilobyte per sekund, vilket motsvarar en internetuppkoppling från 1990-talet.
Kippings förslag är att man ska använda Jupiters atmosfär för att förstärka signalen från Junos antenn och på så vis sätta fart på dataöverföringen till jorden.
Han har räknat ut att man kan låta signalen passera genom Jupiters atmosfär, och liksom i fallet med ljuset kommer även signalen från Juno att brytas när den passerar från rymdens vakuum till atmosfären.
Den stora diametern kan förstärka signalen och sända tillbaka den i en hastighet av cirka 53 megabyte per sekund, vilket motsvarar dataförbindelsen på en normal 4G-mobil.
Terrascope flyttar astronomin bort från stora, dyra teleskop och kan också ge höghastighetsinternet åt hela solsystemet. Om Kippings vision håller kommer den att förändra astronomin i grunden.
Kipping förklarar Terrascope
David Kipping är extremt aktiv på Youtube, där han gör djupdykningar i alla möjliga astronomiska fenomen. Se här hur han själv förklarar konceptet bakom Terrascope: