Astronomer har rettet blikket mod fremtiden efter US National Academies' seneste årtiende undersøgelse af astronomi og astrofysik, som anbefalede en ny generation af rumteleskoper. Keith Cooper udforsker deres udsigter, og erfaringerne fra den problematiske udvikling af James Webb Space Telescope
Juledag 2021 var en glædelig lejlighed for de fleste astronomer rundt om i verden, som det var, da den meget forsinkede James Webb Space Telescope (JWST) blev endelig lanceret. Men fanfaren omkring dets udfoldelse i rummet i løbet af den næste måned, såvel som den efterfølgende jubel over de første billeder, har maskeret et bekymrende problem inden for observationsastronomi - som er, at meget af resten af NASA's flåde af rumbaserede kredsende observatorier ældes. Det Hubble Space Telescope har arbejdet siden 1990, mens den Chandra røntgenobservatorium blev lanceret næsten et årti senere. I mellemtiden, deres infrarøde landsmand, den Spitzer rumteleskop, lanceret i 2003, er ikke længere i drift, efter at have været lukket ned i 2020.
Det er derfor, astronomer er bekymrede for, at hvis der skulle ske noget med et eller flere af disse stadig mere vakkelvorne teleskoper, kan de blive afskåret fra hele dele af det elektromagnetiske spektrum. Med nedlukningen af Spitzer, fjerninfrarød (160 um) er allerede uden for rækkevidde, da JWST kun begiver sig ind i det mellem-infrarøde ved 26 μm. Tilsvarende JWST er ikke optimeret til at observere synlige eller ultraviolette bølgelængder, som Hubble gør. Selvfølgelig, den kommende Nancy Grace romerske rumteleskop – tidligere Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – er et optisk og nær-infrarødt teleskop, men dets synsfelt er meget bredere end Hubbles, hvilket betyder, at det ikke er gearet til nærbillede, detaljeret arbejde; den har heller ikke Hubbles ultraviolette dækning.
Store observatorier
For at sikre, at vores syn på universet på tværs af spektret forbliver lyst, er amerikanske astronomer i øjeblikket ved at udvælge og udvælge den næste kohorte af rumteleskoper. Den primære anbefaling fra den seneste astronomiske årtiende undersøgelse fra US National Academies of Sciences, Engineering and Medicine - den 614 sider lange rapport Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics for 2020'erne (Astro2020) – er for planer, der skal på plads for en ny generation af "store observatorier", der begynder at blive lanceret i 2040'erne. Dette giver genlyd, når Chandra, Hubble, Spitzer og de Compton Gamma-Ray Observatory (som fungerede mellem 1991 og 2000 og i 2008 blev efterfulgt af Fermi Space Telescope) var under udvikling, og som blev udråbt som de "store observatorier".
Disse teleskoper arbejder sammen med hinanden for at studere universet og har stået i spidsen for NASAs astrofysiske forskning i årtier. Genbrugen af denne sætning "store observatorier" i den nye tiårsundersøgelse er bevidst, siger undersøgelsens medformand, Fiona Harrison fra California Institute of Technology. "Det er for at komme på tværs af det punkt, at pankromatiske observationer, fra røntgenstråler til infrarød, er virkelig afgørende for moderne astrofysik," siger hun. "Meget af succesen med de [oprindelige] store observatorier er, at de blev udviklet og lanceret efter hinanden med overlappende observationer."
At bygge et succesfuldt rumteleskop er en lang proces, der typisk tager 25 år fra starten af udviklingen til opsendelsen. Konceptarbejdet for Hubble begyndte i 1960'erne, mens planerne for JWST først kom sammen i 1995, efter at Hubble Deep Field billeder viste, at de første galakser er inden for rækkevidde af et større teleskop. Den næste generation af sådanne rumbaserede sonder vil derfor tidligst lanceres i 2040'erne. Men de vil inkludere undersøgelsens anbefaling nummer ét: en flagskibsmission, der skal erstatte Hubble, der henter inspiration fra to koncepter – Habitable Exoplanet Observatory (HabEx) og Stort ultraviolet, optisk og infrarødt (LUVOIR) teleskop. På tegnebrættet er også en røntgenmission og et teleskop, der kan observere i det fjern-infrarøde.
Men i betragtning af det prekære helbred af vores nuværende afgrøde af rumteleskoper, og ved at vide, at de nye missioner ikke vil starte i yderligere 20 år, burde astronomer ikke være begyndt at planlægge nye store observatorier for år siden? "Sikkert," siger Steven Kahn fra Stanford University, der var formand for et af panelerne i den årtiende undersøgelse, der kiggede på fremtidige rumteleskoper. Han citerer Constellation-X-observatoriet - en røntgen-rumsonde, der blev anbefalet som en opfølgning på Chandra i 2000-årsundersøgelsen, men som aldrig blev realiseret på grund af den langsomme udvikling af JWST, som sugede alt op. det astrofysiske budget. "JWST dominerede dybest set det store observatorieprogram på NASA i to og et halvt årti," forklarer Kahn. "Som et resultat var der ikke plads til at udføre en opfølgende røntgenmission eller den slags banebrydende fjern-infrarød mission, som vi forestiller os."
Vinderen tager det hele
Faktisk oplevede JWST's udvikling mange problemer, inklusive enorme overskridelser i omkostninger og udviklingstid, hvilket næsten førte til, at projektet blev annulleret. Mindet om disse fejltagelser tårner sig op over den nye årtiende undersøgelse, hvilket påvirker nogle af de anbefalinger, der er fremsat for at genoprette balancen i astrofysikken i USA. Men det var ikke altid sådan. Kahn beklager, at det før undersøgelsen i 2000, blot at komme på listen over anbefalinger i en årtiers undersøgelse var nok til praktisk talt at garantere, at dit projekt eller din mission ville ske. Men i den moderne æra med $10 mia. teleskoper, "skal du være nummer et, ellers vil du ikke få det gjort" siger Kahn. "Problemet er, at i dette vinder-tager-alt-miljø vil alle kaste alle de klokker og fløjter, de kan, på et projekt, for hvis du tror, at du kun vil få et skud på en stor mission i de næste 50 år , du vil få det til at tælle."
Det er denne måde at tænke på, der kan føre til de problemer, JWST både stod over for og forårsagede. Jo mere komplekst et missionsdesign bliver, jo flere instrumenter og kapacitet vil du have, for at gøre det umagen værd – hvilket betyder, at det bliver dyrere og tager længere tid at udvikle. "Alt det får os tilbage i denne onde cirkel, hvor vinderen tager alt," fortsætter Kahn.
Harrison er enig og understreger, at denne nye årtiende undersøgelse er et forsøg på at prøve at ændre amerikansk astronomis tilgang. "For at en tiårsundersøgelse skal sige, er dette den vigtigste ting, vi skal gøre det, uanset hvad, uanset hvad det ender med at blive, er det ikke en ansvarlig tilgang," siger hun. I et forsøg på at imødegå dette fremsætter den seneste undersøgelse en række nye forslag. Blandt dem er ideen om, at missioner skal designes i overensstemmelse med specifikke videnskabelige prioriteter, snarere end at lade missionskonceptet løbe væk med sig selv, med alle "klokkerne og fløjten", for at citere Kahn.
For eksempel var et af de centrale videnskabelige spørgsmål, som Kahns panel så på, måden, hvorpå aktive supermassive sorte huller i fjerne, støvede galakser påvirker stjernedannelsen. Accretionen af stof på sådanne sorte huller ville kunne detekteres af et røntgenteleskop med høj vinkelopløsning, mens en fjerninfrarød spektroskopisk mission ville være i stand til at kigge gennem støvet og sondere specifikke spektrallinjer relateret til stjernedannelse og feedback fra sorthulsvinde. Håbet er, at de to missioner kan lanceres inden for et par år efter hinanden, og operere i samklang. Men hvilken form disse missioner vil tage, er stadig i luften.
Forud for tiårsundersøgelsen var der to missionsbegreber - Lynx røntgenobservatorium og Oprindelse rumteleskop – der ville fungere ved mellem- til langt infrarøde bølgelængder med et teleskopspejl mellem 6 og 9 m i diameter. Hver blev estimeret til at koste omkring $5 mia., men tiårsundersøgelsen konkluderede, at disse omkostninger blev undervurderet, og at deres videnskabelige kapaciteter ikke helt passede ind i de krav, som panelet ledte efter.
Flagskibsmissioner
Og her kommer en af tiårsundersøgelsens andre innovationer ind – nemlig en ny klasse af rumteleskoper, der omtales som "probe-class", med budgetter på et par milliarder dollars. "Vi er nødt til at erkende, at hvis tingene alle skulle være lige så dyre som JWST, ville det være svært at have alle de store observatorier i drift på samme tid," siger Marcia Rieke fra University of Arizona, der ledede det andet panel om rumteleskoper med fokus på det optiske og nær-infrarøde regime. "Den bedste måde i stedet for kunne være at have en flagskibsmission og derefter få de andre dele af det elektromagnetiske spektrum dækket af sondemissioner."
Faktisk kunne enhver mulig røntgen- og fjerninfrarød sonde-klasse missioner også blive forbundet med et sonde-klasse ultraviolet teleskop. Forbedringer i spejlbelægninger og detektorer i løbet af de sidste par årtier betyder, at et 1.5 m teleskop faktisk kunne være mere følsomt end Hubble ved ultraviolette bølgelængder. "Det ville give en vis robusthed mod Hubble-ud-og-ud-fejl," siger Rieke.
For at hjælpe med at udvikle disse fremtidige rumteleskoper, uanset om de fortsætter som 10 milliarder dollars eller fortsætter som mere beskedne (men stadig ambitiøse) sondemissioner, anbefaler tiårsundersøgelsen, at NASA opretter en ny Great Observatories Mission og teknologimodningsprogram. Det ville ikke bare udvikle teknologien, men også "modne missionskoncepterne", siger Harrison. På sin side afholder NASA allerede workshops som en del af dette nye program og har udarbejdet et udkast til indkaldelse af sonderingsmissioner.
Hvis røntgen- og fjerninfrarøde missioner - med tilnavnet "Fire" og "Smoke" for nu - skal være sondeklasse, så vil flagskibets store observatorium være den længe ventede direkte erstatning for Hubble-rumteleskopet. Konceptet, der viser vejen, er LUVOIR, og to versioner af teleskopet er blevet foreslået: enten et vildt ambitiøst 15 m teleskop eller et 8 m teleskop, hvoraf sidstnævnte stadig ville være det største rumteleskop nogensinde opsendt.
Andre Jorder
Af omkostnings- og praktiske årsager anbefalede årtiersundersøgelsen, at 15 m-versionen faldt udenom, og at det endelige design forenede de bedste dele af både LUVOIR og HabEx. Det vigtigste videnskabelige mål med dette teleskop, forklarer Rieke, er, at det skal være i stand til at detektere jordmasseplaneter i stjernernes beboelige zone. Til det formål engagerede Riekes panel sig i en diskussion med exoplanetsamfundet om, hvor mange potentielt beboelige planeter, der kunne detekteres som funktion af teleskopets størrelse.
"Som gruppe spørger I: hvad er de vigtigste videnskabelige mål? Hvilken grad af følsomhed er nødvendig? Hvad er det mindste teleskop, der vil gøre arbejdet?” siger Rieke. Svaret hun fik tilbage var, at et 6-8 m-blænde teleskop er omtrent så lille, som man tør gå, hvis man vil finde potentielt beboelige exoplaneter.
Succes handler dog ikke kun om størrelsen af teleskopet; dens instrumenter skal også være op til bunden. En vellykket afbildning af planeter på størrelse med Jorden tæt på deres stjerner vil kræve en koronagraf som en del af dets design. Exoplaneter på størrelse med Jorden kan normalt ikke afbildes, fordi deres stjernes blænding er for overvældende. En koronagraf blokerer stjernens lys, hvilket gør det nemmere at se de tilstedeværende planeter. De har været en fast bestanddel af undersøgelser af Solen i årtier – deres navn kommer fra at blokere Solens skive, så astronomer kan se solkoronaen. Men at udtænke en koronagraf, der præcist kan blokere det skarpe lys fra en stjerne, der i det væsentlige fremstår som en punktkilde, og samtidig tillader planeter blot millibuesekunder fra stjernen at være synlige ved at reducere kontrasten mellem stjernens blænding og planeternes lys til 10-10, er "ganske et skridt ud over alt, hvad vi har gjort før", siger Rieke.
Ud over rummet, teleskoper på jorden
Ikke alle tiårsundersøgelsens anbefalinger er relateret til gigantiske teleskoper i rummet. Faktisk er nogle af dem gigantiske teleskoper solidt forankret på Jorden. For eksempel det kontroversielle XNUMX meter teleskop skal bygges på Mauna Kea på Hawaii, trods protester fra nogle indfødte hawaiianere, fortsætter med at bevæge sig fremad. Sådan er det også Grand Magellan Teleskop, som er under konstruktion i Chile og vil indeholde syv 8.4 m teleskoper for at give en effektiv diameter på 24.5 m.
Undersøgelsen anbefaler også, at Næste generation af meget stort array – 244 radioskåle med en diameter på 18 m og 19 fade med en diameter på 6 m fordelt over det sydvestlige USA – skulle begynde at blive bygget i slutningen af årtiet. Det vil erstatte det aldrende Very Large Array i New Mexico og det Very Long Baseline Array af retter i hele USA. Opgraderinger til Stort interferometer gravitationsbølgeobservatorium (LIGO) og planer for en eventuel efterfølger anbefales også.
I mellemtiden vil kosmologer være opmuntrede over at høre, at undersøgelsen også kræver et nyt jordbaseret observatorium, kaldet CMB Stage 4-observatoriet, til at detektere polarisering i den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling for at søge efter beviser for primordiale gravitationsbølger, der er et resultat af kosmisk inflation i universets tidligste øjeblikke.
Endelig, tilbage i rummet, er den højeste prioritet for mellemstore missioner et tidsdomæne- og multimessenger-program med hurtig respons til at erstatte NASAs Swift-rumfartøjer og detektere supernovaer, gammastråleudbrud, kilonovaer og forskellige andre former for astronomiske transienter. Det er afgørende, at missionerne i dette nye program skal kunne arbejde med og understøtte de jordbaserede observationer af LIGO, Cherenkov Telescope Array og Isterning neutrino detektor, hvortil der også er anbefalet en “Generation 2” detektor.
Tilstrækkeligt finansieret?
Det generelle svar på anbefalingerne fra decadalundersøgelsen har for det meste været positivt, med NASA, den National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab) og National Radio Astronomy Observatory (NRAO) alle giver det deres stempel. Næste skridt, siger Harrison, er at overbevise politikere om at skille sig af med de midler, der vil være nødvendige for at gøre de store observatorier mulige.
Næste skridt er at overbevise politikerne om at skille sig af med de midler, der skal til for at gøre de store observatorier mulige
Fiona Harrison, California Institute of Technology
"Sikkert et fokus nu for mig selv og Robert Kennicutt [Harrisons medformand fra University of Arizona og Texas A&M University] er at forsøge at formulere spændingen over for kongressen over de overbevisende projekter, som undersøgelsen anbefaler," siger hun. "Det var et positivt svar fra NASA, og det ønsker at få anbefalingerne til at ske, men budgettet skal være der."
Skulle de penge komme, så vurderer Rieke, at den nødvendige finansiering for at modne teknologien til det optiske teleskop til at være omkring en halv milliard dollars. "Vi ville da være klar til, nær slutningen af dette årti, at have alle teknologiænderne siddende på række, og vi vil være i stand til at gå ind i byggefasen," siger hun.
De involverede tidsskalaer er fænomenale. Hvis Hubble og Chandra er noget at gå efter, kan næste generations teleskoper, der blev opsendt i 2040'erne, stadig være operationelle i 2070'erne eller senere. Årtieundersøgelsens anbefalinger er derfor ikke kun vigtige for de næste 10 års astronomi, men for deres indflydelse på store dele af dette århundrede. Der var derfor et enormt pres på undersøgelsen for at få det rigtigt.
"Det er her, det er vigtigt at vælge ambitiøse mål," siger Rieke. "Du er nødt til at identificere noget, der er så vigtigt, at alle er enige, og er et skridt fremad nok til, at noget andet ikke kommer til at overhale dig, mens du gør det." Historien vil bedømme, om denne årtiende undersøgelse fik sine nøglebeslutninger korrekte, men fra nutidens perspektiv lover astrofysikkens fremtid at blive spændende.
