تلسکوپ‌های امروزی چشم‌انداز وسوسه‌انگیزی از آنچه در وسعت بی‌کران فضا قرار دارد به ما ارائه داده‌اند و حتی نگاهی به گذشته‌ی جهان هستی ممکن کرده‌اند. با این حال، ساخت تلسکوپ‌هایی که بتوانند عمیق‌تر به اعماق کیهان نگاه کنند، کاری بسیار فنی و پرهزینه است—اما تحقیقات جدید ممکن است این روند را تغییر دهد.
در ادامه می‌خوانید که چگونه یک لنز تخت نوآورانه می‌تواند این مشکلات را برای ماهواره‌ها و تلسکوپ‌های فضایی حل کند.
درک تلسکوپ‌ها و محدودیت‌های لنزها
لنزها که عنصر اصلی تلسکوپ‌ها هستند، از نظر مهندسی چالشی بزرگ محسوب می‌شوند. لنزهای شیشه‌ای محدودیت‌های خاص خود را دارند؛ از جمله پدیده‌ی «اختلالات رنگی» که باعث ایجاد هاله‌های رنگی و تصاویر تار می‌شود و همچنین دشواری در تنظیم دقیق فوکوس. دانشمندان لنزهای آکروماتیک را بررسی کرده‌اند، اما این لنزها هم تمام مشکلات را به طور کامل حل نمی‌کنند.
با این حال، بزرگ‌ترین چالش مربوط به حجم و اندازه‌ی خود لنزها و تجهیزات جانبی‌ای است که باید درون آن‌ها نصب شوند. هرچه لنز بزرگ‌تر باشد، به فضای بیشتری داخل تلسکوپ نیاز دارد و باید سازه‌های محکم‌تری برای نگه داشتن آن طراحی شود. در نتیجه، وزن و اندازه‌ی تلسکوپ‌ها به حدی افزایش می‌یابد که ظرفیت حمل فضاپیما به یک مشکل جدی تبدیل می‌شود. هزینه‌ی پرتاب این تلسکوپ‌ها به فضا سر به فلک می‌کشد و حفظ یکپارچگی ساختاری آن‌ها در فضا نیز بسیار دشوار می‌شود.
به گفته‌ی کارشناسان دانشگاه یوتا، راه‌حل این مشکلات اساسی می‌تواند بسیار ساده‌تر از آن چیزی باشد که تصور می‌کنیم. آن‌ها پیشنهاد کرده‌اند به جای استفاده از لنزهای خمیده، از یک لنز تخت با دهانه‌ی بزرگ استفاده شود. نکته‌ی جالب اینجاست که طبق آزمایش‌های انجام‌شده، این لنزهای تخت نه‌تنها در متمرکز کردن نور به اندازه‌ی لنزهای معمولی مؤثر هستند، بلکه مشکل ذاتی اصلاح رنگ در لنزهای خمیده را هم برطرف می‌کنند.
لنز تخت چگونه کار می‌کند؟
برای ارزیابی عملکرد این لنز خاص، تیم تحقیقاتی یک پلتفرم آزمایش نوری تخصصی در محیطی کنترل‌شده ساخت تا بتواند ویژگی‌های نوری لنز را با دقت بررسی کند. سپس لنز را داخل یک پیکربندی تلسکوپ عملی قرار دادند و تصاویر واقعی از خورشید و ماه ثبت کردند. نتایج امیدوارکننده بود؛ تلسکوپ وضوح و دقت کافی برای تشخیص واضح لکه‌های خورشیدی را ارائه داد.
برای شفافیت بیشتر، منظور از لکه‌های خورشیدی، نقاطی نیست که هنگام کسوف روی خورشید دیده می‌شوند. بلکه این لکه‌ها نواحی تیره‌ای روی سطح خورشید هستند که به دلیل فعالیت‌های مغناطیسی و تأثیر آن‌ها بر جریان گازهای داغ به وجود می‌آیند. ثبت این لکه‌ها کار ساده‌ای نیست، زیرا نور شدید خورشید نیاز به تنظیم دقیق نوردهی و فیلترهای خاص دارد تا بتوان این نواحی تاریک را تشخیص داد. علاوه بر این، به دلیل فاصله زیاد تلسکوپ‌ها تا خورشید، تجهیزات تصویربرداری با بزرگ‌نمایی بالا و وضوح قوی لازم است.
علاوه بر لکه‌های خورشیدی، تلسکوپ مجهز به لنز تخت توانست جزئیات منحصربه‌فرد سطح ماه را نیز ثبت کند. این سطح بالای جزئیات، نشان‌دهنده توانایی بالای این لنز در جمع‌آوری و متمرکز کردن نور با دقت بسیار بالا بود؛ نشانه‌ای امیدوارکننده که نشان می‌دهد این لنز قابلیت استفاده در رصدهای نجومی را دارد.
راجش منون، نویسنده اصلی این پژوهش که در مجله Applied Physics Letters منتشر شده، می‌گوید:
«اگر این لنزهای تخت موفق باشند، می‌توانند راه را برای ساخت سیستم‌های تصویربرداری هوایی و فضایی ساده‌تر و ارزان‌تر در حوزه نجوم و پایش زمین هموار کنند.»
منون همچنین تأکید کرد که این لنز تخت پتانسیل بسیار بالایی برای کاهش هزینه ساخت تلسکوپ‌ها دارد؛ چرا که با کاهش چشمگیر وزن و اندازه، هزینه‌ها را به طرز قابل توجهی پایین می‌آورد.
لنزهای خمیده در برابر آینه‌های تخت
به طور کلی، تلسکوپ‌ها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: دسته‌ای که بر پایه لنز کار می‌کنند و دسته دوم که پیشرفته‌تر هستند و از آینه بهره می‌برند. هرکدام از این دو نوع تلسکوپ، روش متفاوتی برای تعامل با نور دارند.
برای مثال، تلسکوپ فضایی هابل که یکی از معروف‌ترین تلسکوپ‌های جهان است، در دسته تلسکوپ‌های آینه‌ای قرار می‌گیرد. آینه اصلی این تلسکوپ که در فضا شناور است، یک دیسک شیشه‌ای مخصوص با قطر ۷.۹ فوت (حدود ۲.۴ متر) و وزن ۱,۸۲۵ پوند (حدود ۸۲۷ کیلوگرم) است.
در مقابل، تلسکوپ‌هایی که از لنز استفاده می‌کنند، بر پایه فرآیندی به نام شکست نور (Refraction) عمل می‌کنند؛ یعنی خم شدن نور هنگام عبور از یک محیط متفاوت. زمانی که لنزی داخل تلسکوپ قرار می‌گیرد، شکست نور باعث می‌شود اجسام بسیار دور نزدیک‌تر دیده شوند. هرچه بخواهید فاصله دورتری را ببینید، باید از لنز ضخیم‌تری استفاده کنید.
در نتیجه، برای تلسکوپ‌های زمینی با برد بلند، لنزها خیلی سریع بزرگ و سنگین می‌شوند. علاوه بر این، سطح و جنس لنز باید تقریباً بدون نقص باشد؛ در غیر این صورت، تصاویر تار و با خطاهای رنگی ثبت می‌شوند.
تلسکوپ‌های آینه‌ای از مفهوم بازتاب نور استفاده می‌کنند. برخلاف لنزها، آینه‌ها می‌توانند حتی با وجود داشتن سطح بزرگ، نازک و سبک باشند. به همین دلیل، تلسکوپ‌های مبتنی بر آینه مانند هابل و جیمز وب توانسته‌اند انقلابی در دنیای نجوم ایجاد کنند.
با این حال، این تلسکوپ‌ها نیز محدودیت‌هایی دارند. آینه‌ها نیازمند تمیزکاری و نگهداری مداوم هستند تا از خراب شدن پوشش سطحی و تجمع گرد و غبار جلوگیری شود. این مشکل به‌ویژه در تلسکوپ‌های زمینی به دلیل آلودگی‌های جوی بیشتر نمود پیدا می‌کند و کیفیت رصد آسمان را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
هم‌ترازی (Alignment) آینه‌ها نیز باید به‌طور دوره‌ای تنظیم شود تا تصاویر تار و بی‌کیفیت تولید نکنند. علاوه بر این، آینه‌ها بیشتر تحت تاثیر عوامل محیطی مانند دمای بالا قرار می‌گیرند که می‌تواند شکل سطح آن‌ها را تغییر دهد—درست مثل تلسکوپ هابل که با بودجه‌ای حدود ۲ میلیارد دلار ساخته شد اما تا امروز با احتساب عملیات و نگهداری، هزینه‌ای معادل ۱۶ میلیارد دلار داشته است.
آماده برای ثبت تصاویر رنگی در فواصل طولانی
لنز تختی که توسط پژوهشگران دانشگاه یوتا توسعه یافته، تلاش می‌کند میان‌راهی میان لنزهای خمیده سنتی و سیستم‌های آینه‌ای برای ساخت تلسکوپ‌ها باشد. این لنز تخت که از نظر فنی با عنوان لنز دیفرکتیو چندلایه (MDL) شناخته می‌شود، ۱۰۰ میلی‌متر قطر دارد و طول فوکوس طبیعی آن ۲۰۰ میلی‌متر است.
برخلاف تلاش‌های قبلی برای ساخت لنز تخت با حلقه‌های هم‌مرکز که در نمایش دقیق رنگ‌ها ناکام ماندند، لنز دیفرکتیو چندلایه (MDL) جدید می‌تواند سیگنال‌های نوری در طیف رنگ‌های قابل مشاهده برای چشم انسان را به‌خوبی متمرکز کند و تصاویر واضح‌تری ارائه دهد.
حلقه‌های روی سطح این لنز با استفاده از فناوری لیتوگرافی سطح خاکستری (Grayscale Lithography) ایجاد شده‌اند. ضخامت این لنز تخت تنها ۲.۴ میکرون است، اما مهم‌ترین دستاورد آن این است که قادر است طول موج‌هایی در بازه‌ی ۴۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر را پوشش دهد.
«نمایش ما گامی مهم در مسیر ساخت لنزهای تخت سبک‌وزن با دیافراگم بسیار بزرگ است که بتوانند تصاویر تمام‌رنگی را برای تلسکوپ‌های هوایی و فضایی ثبت کنند»، آپراتیم ماجومدر، عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه یوتا می‌گوید.
تیم تحقیقاتی همچنین ترکیب لنز دیفرکتیو چندلایه (MDL) با یک لنز دیگر را آزمایش کرد تا یک طراحی تلسکوپ هیبریدی ایجاد کند. طبق گزارش مقاله پژوهشی، این دستگاه توانست جزئیات خورشید، ماه و مناظر زمینی دوردست را ثبت و تفکیک کند.
اکنون این تیم در حال گسترش ایده‌ی لنزهای تخت به عنوان جایگزینی سبک برای سیستم‌های شکست‌دهنده نور سنتی در تجهیزات عکاسی نجومی برد بلند است.
این پیشرفت در ساخت لنز تخت می‌تواند نه تنها باعث تسریع در اجرای مأموریت‌های فضایی کم‌هزینه شود، بلکه ظرفیت بسیار بالایی برای تحلیل‌های زمینی نیز دارد.
جالب خواهد بود ببینیم این پروژه که با حمایت دارپا (DARPA) پیش می‌رود، چه زمانی تأثیر خود را در دنیای علم نشان خواهد داد.
