"المراصد العظيمة" - الجيل القادم من تلسكوبات ناسا الفضائية وتأثيرها على القرن القادم من علم الفلك الرصدي

كان يوم عيد الميلاد 2021 مناسبة سعيدة لمعظم علماء الفلك حول العالم ، كما كان عندما تأخر كثيرًا جيمس ويب تليسكوب الفضاء (JWST) أخيرًا. ومع ذلك ، فإن الضجة التي أحاطت بانتشارها في الفضاء خلال الشهر المقبل ، فضلاً عن الابتهاج اللاحق بصورها الأولى ، أخفت مشكلة مقلقة في علم الفلك الرصدي - وهي أن معظم أسطول ناسا المتبقي من المراصد الفضائية التي تدور في الفضاء. الشيخوخة. ال تلسكوب هابل الفضائي كان يعمل منذ عام 1990 ، في حين أن مرصد شاندرا للأشعة السينية تم إطلاقه بعد ما يقرب من عقد من الزمان. وفي الوقت نفسه ، مواطنهم الأشعة تحت الحمراء ، تلسكوب سبيتزر الفضائي، التي تم إطلاقها في عام 2003 ، لم تعد تعمل ، بعد أن تم إغلاقها في عام 2020.

لهذا السبب يشعر علماء الفلك بالقلق من أنه في حالة حدوث شيء ما لواحد أو أكثر من هذه التلسكوبات المتهالكة بشكل متزايد ، فقد يتم عزلهم عن مساحات كاملة من الطيف الكهرومغناطيسي. مع اغلاق سبيتزر ، الأشعة تحت الحمراء البعيدة (160 ميكرون) بعيد المنال بالفعل لأن JWST يغامر فقط في منتصف الأشعة تحت الحمراء عند 26 ميكرومتر. بصورة مماثلة، لم يتم تحسين JWST لرصد الأطوال الموجية المرئية أو فوق البنفسجية مثل هابل. بالتأكيد ، القادم تلسكوب نانسي جريس الروماني الفضائي - سابقًا تلسكوب المسح بالأشعة تحت الحمراء واسع المجال (WFIRST) - هو تلسكوب بصري وقريب من الأشعة تحت الحمراء ، لكن مجال رؤيته أوسع بكثير من تلسكوب هابل ، مما يعني أنه ليس موجهًا للعمل التفصيلي عن قرب ؛ كما أنها لا تتمتع بتغطية الأشعة فوق البنفسجية من هابل.

مراصد كبيرة

لضمان أن تظل رؤيتنا للكون عبر الطيف مشرقة ، يقوم علماء الفلك الأمريكيون حاليًا باختيار واختيار المجموعة التالية من التلسكوبات الفضائية. التوصية الرئيسية لأحدث مسح عقدي فلكي من الأكاديميات الوطنية الأمريكية للعلوم والهندسة والطب - التقرير المكون من 614 صفحة مسارات للاكتشاف في علم الفلك والفيزياء الفلكية لعشرينيات القرن الحادي والعشرين (Astro2020) - من أجل وضع خطط لجيل جديد من "المراصد العظيمة" لبدء إطلاقها في الأربعينيات. يتردد صدى هذا عند كل من Chandra و Hubble و Spitzer و مرصد كومبتون لأشعة جاما (التي عملت بين عامي 1991 و 2000 وخلفها في عام 2008 تلسكوب فيرمي الفضائي) كانت قيد التطوير ، والتي بشرت بأنها "المراصد العظيمة".

تعمل هذه التلسكوبات جنبًا إلى جنب لدراسة الكون ، وقد قادت أبحاث الفيزياء الفلكية لوكالة ناسا لعقود. إن إعادة استخدام عبارة "المراصد العظيمة" في المسح العقدي الجديد متعمدة ، كما يقول الرئيس المشارك للمسح ، فيونا هاريسون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. "إنها لتجاوز النقطة التي مفادها أن الملاحظات الشاملة ، من الأشعة السينية إلى الأشعة تحت الحمراء ، ضرورية حقًا للفيزياء الفلكية الحديثة" ، كما تقول. "الكثير من نجاح المراصد العظيمة [الأصلية] هو أنها تم تطويرها وإطلاقها واحدًا تلو الآخر ، مع ملاحظات متداخلة."

يعد بناء تلسكوب فضائي ناجح عملية طويلة ، وعادة ما تستغرق 25 عامًا من بداية التطوير حتى الإطلاق. بدأ العمل المبدئي لتلسكوب هابل في ستينيات القرن الماضي ، في حين تم تجميع خطط JWST لأول مرة في عام 1960 ، بعد صور مجال هابل العميق أظهر أن المجرات الأولى في متناول تلسكوب أكبر. لذلك لن يتم إطلاق الجيل التالي من هذه المجسات الفضائية حتى عام 2040 ، على أقرب تقدير. لكنها ستتضمن التوصية الأولى للاستطلاع: مهمة رائدة لتحل محل هابل ، مستوحاة من مفهومين - مرصد الكواكب الخارجية الصالحة للسكن (HabEx) و الأشعة فوق البنفسجية الكبيرة والبصرية والأشعة تحت الحمراء (LUVOIR) تلسكوب. يوجد أيضًا على لوحة الرسم مهمة أشعة سينية وتلسكوب يمكنه المراقبة في الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

ولكن بالنظر إلى الحالة الصحية المحفوفة بالمخاطر لمحصولنا الحالي من التلسكوبات الفضائية ، ومعرفة أن البعثات الجديدة لن تنطلق لمدة 20 عامًا أخرى ، ألا ينبغي أن يبدأ علماء الفلك التخطيط لمراصد جديدة كبيرة منذ سنوات؟ يقول "بالتأكيد" ستيفن كان من جامعة ستانفورد، الذي ترأس إحدى اللوحات في المسح العقدي الذي يبحث في تلسكوبات الفضاء المستقبلية. يستشهد بمرصد Constellation-X - وهو مسبار فضائي للأشعة السينية أوصي به كمتابعة لشاندرا في المسح العقدى لعام 2000 ، لكنه لم يؤت ثماره أبدًا بسبب التطور الطويل لـ JWST ، والذي امتص كل شيء. ميزانية الفيزياء الفلكية. يوضح كان: "سيطر JWST بشكل أساسي على برنامج المرصد العظيم في وكالة ناسا لمدة عقدين ونصف العقد". "نتيجة لذلك ، لم يكن هناك مجال للقيام بمهمة متابعة الأشعة السينية ، أو نوع مهمة الأشعة تحت الحمراء البعيدة الرائدة التي نتصورها."

الفائز يأخذ كل شيء 

في الواقع ، شهد تطوير JWST العديد من المشكلات ، بما في ذلك التجاوزات الضخمة في التكلفة ووقت التطوير ، والتي كادت أن تُلغى المشروع. تلوح ذكرى هذه الأخطاء بشكل كبير في المسح العقدي الجديد ، مما يؤثر على بعض التوصيات المقدمة لإعادة التوازن إلى الفيزياء الفلكية في الولايات المتحدة. لكن الأمر لم يكن دائمًا على هذا النحو. يأسف كان كيف ، قبل استطلاع عام 2000 ، كان مجرد الحصول على قائمة التوصيات في استطلاع عقدي كافياً لضمان عملياً أن مشروعك أو مهمتك ستحدث. ولكن في العصر الحديث الذي يبلغ حجمه 10 مليارات دولار من التلسكوبات ، "يجب أن تكون رقم واحد وإلا فلن تنجزه" يقول كان. "المشكلة هي أنه في بيئة الفائز يأخذ كل شيء ، يريد الجميع إلقاء كل الأجراس والصفارات التي يمكنهم القيام بها في مشروع لأنك إذا كنت تعتقد أنك ستحصل على فرصة واحدة فقط في مهمة كبيرة خلال الخمسين عامًا القادمة ، فأنت تريد أن تجعله ذا قيمة ".

إن طريقة التفكير هذه هي التي يمكن أن تؤدي إلى المشاكل التي واجهها وسببها JWST. كلما أصبح تصميم المهمة أكثر تعقيدًا ، زادت الأدوات والإمكانيات التي تريدها لجعلها ذات قيمة - مما يعني أنها تزداد تكلفة وتستغرق وقتًا أطول لتطويرها. "كل هذا يعيدنا إلى هذه الحلقة المفرغة للفوز يأخذ كل شيء" ، يتابع كان.

يوافقه هاريسون ، مؤكداً أن هذا المسح العقدي الجديد هو محاولة لمحاولة تغيير نهج الفلك الأمريكي. وتقول: "لكي يقول المسح العقدي ، هذا هو الشيء الأول ، نحتاج إلى القيام به بغض النظر عن أي تكلفة ، وبغض النظر عن التكلفة التي ينتهي بها الأمر ، ليس نهجًا مسؤولاً". في محاولة لمواجهة هذا ، يقدم الاستطلاع الأخير عددًا من المقترحات الجديدة. من بينها فكرة أن المهمات يجب أن تصمم بما يتوافق مع أولويات علمية محددة ، بدلاً من السماح لمفهوم المهمة بالهرب مع نفسه ، بكل "الأجراس والصفارات" ، على حد تعبير خان.

على سبيل المثال ، كان أحد الأسئلة العلمية الرئيسية التي نظرت فيها لجنة كان هو الطريقة التي تؤثر بها الثقوب السوداء النشطة فائقة الكتلة في المجرات البعيدة والمغبرة على تكوين النجوم. سيكون تراكم المادة على هذه الثقوب السوداء قابلاً للاكتشاف من خلال تلسكوب الأشعة السينية عالي الدقة الزاوي ، في حين أن مهمة التحليل الطيفي للأشعة تحت الحمراء البعيدة ستكون قادرة على النظر من خلال الغبار واستكشاف خطوط طيفية محددة تتعلق بتكوين النجوم وردود الفعل من رياح الثقب الأسود. الأمل هو أن يتم إطلاق البعثتين في غضون بضع سنوات من بعضهما البعض ، والعمل في انسجام تام. ومع ذلك ، فإن الشكل الذي ستتخذه تلك المهام لا يزال في الهواء.

قبل المسح العقدى كان هناك مفهومان للبعثة - ال مرصد الوشق للأشعة السينية و أصول تلسكوب الفضاء - تعمل بأطوال موجية متوسطة إلى بعيدة من الأشعة تحت الحمراء ، مع مرآة تلسكوب يتراوح قطرها بين 6 و 9 أمتار. قدرت تكلفة كل منها بحوالي 5 مليارات دولار ، لكن الاستطلاع العقدي خلص إلى أن هذه التكاليف تم التقليل من شأنها وأن قدراتهم العلمية لا تتناسب تمامًا مع المتطلبات التي كانت اللجنة تبحث عنها.

البعثات الرائدة

وهنا يدخل أحد الابتكارات الأخرى للمسح العقدى - وبالتحديد ، فئة جديدة من تلسكوب الفضاء يشار إليه باسم "فئة المسبار" ، بميزانيات تبلغ بضعة مليارات من الدولارات. "علينا أن نعترف بأنه إذا كانت كل الأشياء ستكون باهظة الثمن مثل JWST ، فسيكون من الصعب تشغيل جميع المراصد الكبيرة في نفس الوقت" ، كما يقول مارسيا ريكي من جامعة أريزونا، الذي قاد اللوحة الثانية عن التلسكوبات الفضائية ، مع التركيز على نظام الأشعة تحت الحمراء والبصرية. "أفضل طريقة بدلاً من ذلك قد تكون أن تكون هناك مهمة رئيسية واحدة ، ثم تغطية الأجزاء الأخرى من الطيف الكهرومغناطيسي بواسطة مهمات المسبار."

في الواقع ، يمكن أيضًا الانضمام إلى أي مهمات محتملة من فئة مسبار الأشعة السينية والأشعة تحت الحمراء البعيدة بواسطة تلسكوب فوق بنفسجي من فئة المسبار. تعني التحسينات في طلاءات المرآة وأجهزة الكشف على مدى العقود القليلة الماضية أن تلسكوبًا بطول 1.5 متر يمكن أن يكون في الواقع أكثر حساسية من تلسكوب هابل في الأطوال الموجية فوق البنفسجية. يقول ريكي: "من شأن ذلك أن يوفر بعض القوة ضد فشل هابل المتقطع".

للمساعدة في تطوير هذه التلسكوبات الفضائية المستقبلية ، سواء أكانت تعمل كمقاريب عملاقة بقيمة 10 مليارات دولار أو تمضي قدمًا كمهام مسبار أكثر تواضعًا (لكنها لا تزال طموحة) ، يوصي المسح العقدى بأن تقوم ناسا بإنشاء بعثة جديدة. مهمة المراصد الكبرى وبرنامج نضج التكنولوجيا. يقول هاريسون إنه لن يطور فقط التكنولوجيا ، ولكن أيضًا "ينضج مفاهيم المهمة". من جانبها ، تعقد ناسا بالفعل ورش عمل كجزء من هذا البرنامج الجديد وأصدرت مسودة دعوة لمهام التحقيق.

إذا كانت مهمات الأشعة السينية والأشعة تحت الحمراء البعيدة - المسماة "النار" و "الدخان" في الوقت الحالي - ستكون من فئة المسبار ، فإن المرصد الرائد العظيم سيكون البديل المباشر الذي طال انتظاره لتلسكوب هابل الفضائي. المفهوم الذي يقود الطريق هو LUVOIR ، وقد تم اقتراح نسختين من التلسكوب: إما تلسكوب طموح للغاية يبلغ طوله 15 مترًا ، أو تلسكوبًا بطول 8 أمتار ، وسيظل الأخير أكبر تلسكوب فضائي تم إطلاقه على الإطلاق.

كائنات أخرى

لأسباب تتعلق بالتكلفة والعملية ، أوصى المسح العقدى بأن يسقط الإصدار 15 مترًا جانبًا ، وأن التصميم النهائي يدمج أفضل أجزاء كل من LUVOIR و HabEx. يشرح ريكي أن الهدف العلمي الرئيسي لهذا التلسكوب هو أنه يجب أن يكون قادرًا على اكتشاف الكواكب ذات الكتلة الأرضية في المنطقة الصالحة للسكن من النجوم. تحقيقا لهذه الغاية ، انخرط فريق Rieke في مناقشة مع مجتمع الكواكب الخارجية حول عدد الكواكب الصالحة للسكن التي يمكن اكتشافها كدالة لحجم التلسكوب.

كمجموعة ، أنت تسأل: ما هي الأهداف العلمية الرئيسية؟ ما هو مستوى الحساسية المطلوب؟ ما هو أصغر تلسكوب يقوم بهذه المهمة؟ " يقول ريكي. كانت الإجابة التي حصلت عليها هي أن التلسكوب ذو الفتحة 6-8 أمتار صغير بقدر ما تجرؤ على الذهاب إذا كنت تريد العثور على كواكب خارجية يمكن أن تكون صالحة للسكن.

النجاح لا يقتصر فقط على حجم التلسكوب ؛ يجب أن تكون أدواتها قابلة للخدش أيضًا. يتطلب التصوير الناجح للكواكب بحجم الأرض القريبة من نجومها فقرة من التاج كجزء من تصميمها. لا يمكن تصوير الكواكب الخارجية التي بحجم الأرض في المعتاد لأن وهج نجمها يغلبه بشدة. يحجب التاج ضوء النجم ، مما يسهل رؤية أي كواكب في الحضور. لقد كانت عنصرًا أساسيًا في دراسات الشمس لعقود - اسمها يأتي من حجب قرص الشمس حتى يتمكن علماء الفلك من رؤية الهالة الشمسية. لكن ابتكار فقرة تاجية يمكنها أن تحجب بدقة الضوء الساطع للنجم ، والذي يظهر كمصدر أساسي للنقطة ، مع السماح للكواكب على بعد مللي ثانية فقط من النجم بالظهور عن طريق تقليل التباين بين وهج النجم وضوء الكواكب إلى 10^-10، "خطوة إلى حد بعيد أبعد من أي شيء قمنا به من قبل" ، كما يقول Rieke.

تمويل كاف؟

كانت الاستجابة العامة لتوصيات المسح العقدى إيجابية في الغالب ، مع وكالة ناسا و المعمل الوطني لبحوث الفلك البصري والأشعة تحت الحمراء (NOIRLab) و المرصد الوطني لعلم الفلك الراديوي (NRAO) كل ما يعطيها ختم موافقتهم. يقول هاريسون إن الخطوة التالية هي إقناع السياسيين بالتخلي عن الأموال اللازمة لجعل المراصد العظيمة ممكنة.

الخطوة التالية هي إقناع السياسيين بالتخلي عن الأموال اللازمة لجعل المراصد الكبيرة ممكنة

فيونا هاريسون ، معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا

وتقول: "من المؤكد أن التركيز الآن بالنسبة لي ولروبرت كينيكوت (زميل هاريسون الرئيس المشارك من جامعة أريزونا وجامعة تكساس إيه آند إم) هو محاولة توضيح إثارة المشروعات الجذابة التي أوصى بها الاستطلاع للكونجرس". "لقد كانت استجابة إيجابية من وكالة ناسا ، وهي تريد تنفيذ التوصيات ، لكن الميزانية يجب أن تكون موجودة."

إذا كانت هذه الأموال وشيكة ، فإن Rieke يقدر التمويل المطلوب لنضج تكنولوجيا التلسكوب البصري بحوالي نصف مليار دولار. وتقول: "سنكون مستعدين بعد ذلك ، قرب نهاية هذا العقد ، لجعل كل البط التكنولوجي يجلس في صف واحد وسنكون قادرين على الدخول في مرحلة البناء".

النطاقات الزمنية المتضمنة استثنائية. إذا كان هابل وشاندرا أي شيء يمكن أن يمر به ، فإن الجيل التالي من التلسكوبات التي تم إطلاقها في الأربعينيات من القرن الماضي يمكن أن يظل قيد التشغيل في سبعينيات القرن العشرين أو ما بعده. لذلك ، فإن توصيات المسح العقدى ليست مهمة فقط للسنوات العشر القادمة من علم الفلك ، ولكن لتأثيرها على جزء كبير من هذا القرن. لذلك كان هناك ضغط هائل على الاستطلاع لتصحيحه.

يقول ريكي: "من المهم هنا اختيار أهداف طموحة". "عليك أن تحدد شيئًا مهمًا للغاية بحيث يوافق عليه الجميع ، وهو ما يكفي لخطوة للأمام بحيث لا يتفوق عليك شيء آخر أثناء قيامك بذلك." سيحكم التاريخ على ما إذا كان هذا المسح العقدي قد حصل على قراراته الرئيسية صحيحة ، ولكن من منظور اليوم ، يعد مستقبل الفيزياء الفلكية بأن يكون مثيراً.