På fjelltoppen er nattehimmelen krystallklar, og verdens største optiske teleskop, som heter Gran Telescopio Canarias (GTC) på 10,4 meter, legger til nye bilder i menneskehetens astronomiske fotoalbum.
Med de bildene kan forskerne se hvordan universet omkring oss er bygget opp, og det store teleskopet fanger hele tiden inn bilder av galakser, supernovaer og fjerne eksoplaneter.
Hvis forskerne vil se fjerne planeter eller galakser i naturlig lys, må de bruke optiske teleskoper. Og jo større speildiameter, jo lenger ut i universet kan forskerne se.
Men det har en begrensning, for optiske teleskoper er dyre, og GTC kostet nesten en milliard kroner og tok over sju år å bygge. Det nest største optiske teleskopet av samme type, på 9,2 meter, Southern African Large Telescope, kostet bare 350 millioner kroner.
Nå har astronomen David Kipping fra Columbia University kanskje funnet en løsning på problemet. Han har lagt fram en idé til et radikalt annerledes teleskop, Terrascope, med en optisk linse som vil få selv de aller dyreste og største ideene til å blekne: Ved å utnytte hvordan lyset bøyes i atmosfæren vil han gjøre hele jorda om til én stor linse.
Teleskoper svulmer i størrelse
Siden 1980 har prisen for å konstruere et teleskop med et speil bygget i ett stykke kunnet regnes ut som diameteren i en potens på 2,5.
Hvis man firedobler speilets diameter, blir prisen 32 ganger høyere. Det innebærer at et teleskop med en diameter på 100 meter koster om lag 35 milliarder dollar.
Atmosfæren virker som en enorm linse
Fjernt objekt sender ut lys
Lyset fra for eksempel en fjern stjerne, galakse eller eksoplanet beveger seg mot jorda med en hastighet på 300 000 kilometer per sekund gjennom vakuumet i verdensrommet. Lyset beveger seg her tilnærmelsesvis som parallelle bølger.
Brytningen virker som en linse
Lysbølgene fra himmellegemet blir avbøyd i atmosfæren fordi lyset bremses ned. Refraksjonen – eller brytningen – skjer flere ganger gjennom lagene i atmosfæren fordi trykk og
temperatur endrer seg.
Skive blokkerer lysforurensning
Terrascope går i bane rundt jorda, og detektoren fanger opp lyset på samme måte som i et vanlig kamera. Foran detektoren plasseres en såkalt koronagraf som blokkerer lyset fra jorda slik at det kun er lyset fra himmellegemet som fotograferes.
I løpet av 2020-tallet står en ny generasjon av optiske kjempeteleskoper klare til bruk, blant annet det såkalte Extremely Large Telescope (ELT), som har et speil på 39,3 meter – nesten fire ganger så stort som dagens rekordholder.
Og jo større speilet på et optisk teleskop er, jo mer lys kan det fange inn. For eksempel vil ELT kunne se universet 16 ganger skarpere enn Hubble-teleskopet.
Men straffen for de skarpe bildene kommer i form av en skyhøy pris og ytterst kompleks teknologi.
Når ELT er klar til bruk i 2025, etter 11 års byggearbeid, blir den samlede prisen 1,5 milliarder dollar. Det er her David Kippings Terrascope kommer inn i bildet.
Jorda blir en linse
Hvis du har et glass vann, og du for eksempel putter skjeen din ned i det, ser det ut som om skjeen forstørres.
Det er dette enkle prinsippet Kipping baserer Terrascope på, for når lys passerer fra ett medium, i dette tilfellet vakuumet i verdensrommet, og til et annet, her jordas atmosfære, brytes det.
Og det gir den forstørrende effekten som i praksis vil gjøre jorda til en linse i stil med de som brukes i tradisjonelle optiske teleskoper.
Kippings teori er at hvis man beregner et punkt der lyset fra et fjernt astronomisk himmellegeme samles etter at det har reist gjennom jordas atmosfære, er det i praksis mulig å få et forstørret bilde av kilden til lyset.
Alt som kreves, er å plassere en detektor på en satellitt som kan fange opp det lyset som blir sendt ut – i prinsippet noe som svarer til den sensoren som sitter i et kamera.
Hvis ideen holder vann, kan det bryte med det gjennomgående prinsippet om å bygge teleskoper større og mer komplekse for å utvide vårt astronomiske synsfelt.
I stedet for hele tiden å oppskalere speilene vil denne løsningen gi en linse på 12 742 kilometer i diameter – som svarer til hele jordkloden.
Turbulens svekker visjonen
Grunnen til at ikke Nasa, Esa eller Roskosmos kaster alt de har i hendene for å iverksette ideen, er blant annet at teorien har en svakhet: For enkelhets skyld antar Kipping at lyset passerer uforstyrret gjennom atmosfæren
I virkeligheten blir det utsatt for turbulens, og derfor vil det lyset detektoren mottar, være uskarp. Derfor krever det ytterligere beregninger å finne en modell som tar høyde for forstyrrelser.
Det er imidlertid ikke nødvendigvis noe stort problem, for ifølge Kipping er ikke skarpe bilder avgjørende for å kunne gjøre banebrytende oppdagelser:
«Det er mye lettere hvis vi i første omgang ikke bekymrer oss for skarpe bilder, men bare henter ut utflytende punkter av lys. Selv om det er uskarpt, er det veldig spennende vitenskap å hente. Tenk på det som en 200 meter stor utgave av Kepler-teleskopet, som vil kunne oppdage objekter på ned til 1/100 av jordas radius», forklarer Kipping.
Ifølge David Kipping kan romsonden Juno bruke Jupiter som en enorm internettantenne.
Jupiter blir én stor antenne
Siden 2016 har romsonden Juno gått i bane rundt solsystemets største planet, Jupiter. Ifølge astronomen David Kipping kan Terrascope-ideen allerede nå testes med Juno som hovedperson. Kipping vil bruke Jupiters atmosfære som en kraftig antenne, noe Juno kan utnytte til å sende data hjem til jorda med 53 MB per sekund i stedet for 200 kB per sekund. Atmosfæren kan forsterke det svake signalet fra Junos kommunikasjonsantenne med opptil 70 000 ganger.
Det nå pensjonerte romteleskopet Kepler hadde et primærspeil på bare 1,4 meter. Likevel oppdaget teleskopet mer enn 2600 eksoplaneter, utelukkende ved måling av lyset fra fjerne stjerner.
Gammel idé i nye klær
Ideen om å bruke jordas atmosfære som en linse er å vende tilbake til teleskophistoriens begynnelse. Den gang brukte pionerene linser av glass til å bryte lyset.
Med tiden gikk astronomene over til teleskoper basert på speil, som har blitt standarden for store optiske teleskoper i dag.
De gamle teleskopene basert på glasslinser ble nemlig for tunge, og det ble teknisk vanskelig å produsere dem.
Det er den samme problematikken som dagens astronomer møter med de optiske teleskopene, og det er her Kippings Terrascope kan være en løsning.
Det så langt største optiske teleskopet, Gran Telescopio Canarias, har en diameter på bare 10,4 meter.
For det andre alternativet – å sende teleskoper ut i verdensrommet, metoden vi blant annet kjenner fra Hubble-teleskopet – er også en dyr affære.
Hubbles avløser, James Webb-teleskopet, er forsinket med flere år. Den vil til slutt ende opp med en pris på mer enn ti milliarder dollar.
Solsystemet kommer på nettet
Det er fortsatt et stykke vei før Kippings visjon kan bli en realitet, men som mer eller mindre «gal» forsker har han naturligvis et radikalt forslag til å teste visjonen sin – nemlig å levere 4G-internett til hele solsystemet.
Fra sitt kretsløp rundt Jupiter har romsonden Juno siden 2016 sendt hjem bilder og data til jorda med sin 2,5 meter brede kommunikasjonsantenne, men det går sakte.
Faktisk sender den av gårde data med bare 200 kB per sekund, noe som svarer til en internettforbindelse fra 1990-tallet.
Kipping foreslår å bruke Jupiters atmosfære til å forsterke signalet fra Junos antenne og dermed sette fart på dataoverføringen til jorda.
Han har regnet ut at man kan la signalet passere gjennom Jupiters atmosfære. Og akkurat som det er tilfellet med lyset, vil signalet fra Juno også brytes når det går fra verdensrommets vakuum til atmosfæren.
Den store diameteren kan forsterke signalet og sende det tilbake med en hastighet på omkring 53 MB per sekund. Det svarer til dataforbindelsen på en vanlig 4G-telefon.
Ikke nok med at Terrascope beveger astronomien vekk fra store, dyre teleskoper, ideen kan også skape høyhastighetsinternett på tvers av solsystemet. Hvis ideen holder, går astronomien store endringer i møte.
Kipping forklarer Terrascope
David Kipping er svært aktiv på Youtube, der han utforsker i alskens astronomiske fenomener. Her kan du se hvordan han forklarer konseptet bak Terrascope: