Astronomen haben ihren Blick in die Zukunft gerichtet, nachdem die US National Academies die letzte zehnjährige Studie über Astronomie und Astrophysik durchgeführt haben, die eine neue Generation von Weltraumteleskopen empfahl. Keith Cooper untersucht ihre Aussichten und die Lehren aus der schwierigen Entwicklung des James-Webb-Weltraumteleskops
Der Weihnachtstag 2021 war für die meisten Astronomen auf der ganzen Welt ein glücklicher Anlass, genau wie damals, als sich der Termin stark verzögerte James Webb Weltraumteleskop (JWST) wurde schließlich gestartet. Die Fanfare, die seine Entfaltung im Weltraum im nächsten Monat umgibt, sowie der anschließende Jubel über seine ersten Bilder haben jedoch ein beunruhigendes Problem in der beobachtenden Astronomie verschleiert – das betrifft einen Großteil der übrigen NASA-Flotte von weltraumgestützten umlaufenden Observatorien altert. Das Hubble Weltraumteleskop arbeitet seit 1990, während die Chandra Röntgenobservatorium wurde fast ein Jahrzehnt später ins Leben gerufen. Inzwischen ist ihr Infrarot-Landsmann, die Spitzer-Weltraumteleskop, das 2003 ins Leben gerufen wurde, ist nicht mehr in Betrieb, da es 2020 geschlossen wurde.
Deshalb befürchten Astronomen, dass, sollte einem oder mehreren dieser immer klappriger werdenden Teleskope etwas zustoßen, sie von ganzen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums abgeschnitten werden könnten. Mit der Abschaltung von Spitzer wurde das ferne Infrarot (160 & mgr; m) ist bereits außer Reichweite, da sich der JWST erst bei 26 in das mittlere Infrarot wagt μm. Ähnlich, Das JWST ist nicht für die Beobachtung sichtbarer oder ultravioletter Wellenlängen optimiert, wie es Hubble tut. Klar, das Kommende Nancy Grace Römisches Weltraumteleskop – früher Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – ist ein optisches und Nahinfrarot-Teleskop, aber sein Sichtfeld ist viel breiter als das von Hubble, was bedeutet, dass es nicht für detaillierte Arbeiten im Nahbereich geeignet ist; Es hat auch keine UV-Abdeckung von Hubble.
Tolle Observatorien
Um sicherzustellen, dass unser Blick auf das Universum über das gesamte Spektrum hell bleibt, wählen US-Astronomen derzeit die nächste Kohorte von Weltraumteleskopen aus. Die wichtigste Empfehlung der neuesten astronomischen Dekadenumfrage der US National Academies of Sciences, Engineering and Medicine – der 614-seitige Bericht Wege zur Entdeckung in Astronomie und Astrophysik für die 2020er Jahre (Astro2020) – sieht Pläne für eine neue Generation „großer Observatorien“ vor, die in den 2040er Jahren mit dem Start beginnen sollen. Dies hallt wider, wenn Chandra, Hubble, Spitzer und die Compton Gammastrahlen-Observatorium (das zwischen 1991 und 2000 in Betrieb war und 2008 vom Fermi-Weltraumteleskop abgelöst wurde) entwickelt wurden und als „große Observatorien“ bezeichnet wurden.
Diese Teleskope, die Seite an Seite arbeiten, um das Universum zu erforschen, sind seit Jahrzehnten führend in der astrophysikalischen Forschung der NASA. Die Wiederverwendung dieses Ausdrucks „große Observatorien“ in der neuen dekadischen Umfrage ist absichtlich, sagt der Co-Vorsitzende der Umfrage, Fiona Harrison vom California Institute of Technology. „Es soll deutlich machen, dass panchromatische Beobachtungen, von Röntgenstrahlen bis Infrarot, für die moderne Astrophysik wirklich unerlässlich sind“, sagt sie. „Ein großer Teil des Erfolgs der [ursprünglichen] großen Observatorien besteht darin, dass sie nacheinander entwickelt und gestartet wurden, mit sich überschneidenden Beobachtungen.“
Der Bau eines erfolgreichen Weltraumteleskops ist ein langer Prozess, der normalerweise 25 Jahre vom Beginn der Entwicklung bis zum Start dauert. Die Konzeptarbeit für Hubble begann in den 1960er Jahren, während die Pläne für das JWST erstmals 1995 zusammenkamen, nachdem die Hubble Deep Field-Bilder zeigte, dass die ersten Galaxien in Reichweite eines größeren Teleskops sind. Die nächste Generation solcher weltraumgestützten Sonden wird daher frühestens in den 2040er Jahren starten. Aber sie werden die wichtigste Empfehlung der Umfrage enthalten: eine Flaggschiff-Mission, die Hubble ersetzen soll und sich von zwei Konzepten inspirieren lässt – dem Bewohnbares Exoplaneten-Observatorium (HabEx) und für Groß Ultraviolett, optisch und Infrarot (LUVOIR) Teleskop. Auf dem Reißbrett befinden sich außerdem eine Röntgenmission und ein Teleskop, das im fernen Infrarot beobachten kann.
Aber angesichts des prekären Zustands unserer derzeitigen Weltraumteleskope und des Wissens, dass die neuen Missionen erst in 20 Jahren starten werden, hätten Astronomen nicht schon vor Jahren mit der Planung neuer großer Observatorien beginnen sollen? „Sicher“, sagt er Steven Kahn von der Stanford University, der einem der Gremien in der zehnjährigen Umfrage vorsaß, die sich mit zukünftigen Weltraumteleskopen befasste. Er zitiert das Constellation-X-Observatorium – eine Röntgen-Raumsonde, die in der zehnjährigen Umfrage von 2000 als Nachfolger von Chandra empfohlen wurde, aber wegen der langwierigen Entwicklung des JWST, die alles aufsaugte, nie zum Tragen kam das Astrophysik-Budget. „Das JWST hat im Wesentlichen zweieinhalb Jahrzehnte lang das große Observatoriumsprogramm der NASA dominiert“, erklärt Kahn. „Infolgedessen gab es keinen Platz für eine nachfolgende Röntgenmission oder die Art von bahnbrechender Ferninfrarotmission, die wir uns vorstellen.“
Der Gewinner nimmt alles
Tatsächlich gab es bei der Entwicklung des JWST viele Probleme, darunter enorme Kosten- und Entwicklungszeitüberschreitungen, die das Projekt fast zum Abbruch brachten. Die Erinnerung an diese Fehler schwebt über der neuen dekadischen Umfrage und beeinflusst einige der Empfehlungen zur Wiederherstellung des Gleichgewichts in der Astrophysik in den USA. Aber es war nicht immer so. Kahn beklagt, dass es vor der Umfrage von 2000 ausreichte, nur auf die Liste der Empfehlungen in einer zehnjährigen Umfrage zu kommen, um praktisch zu garantieren, dass Ihr Projekt oder Ihre Mission durchgeführt wird. Aber in der modernen Ära der 10-Milliarden-Dollar-Teleskope „muss man die Nummer eins sein, sonst schafft man es nicht“, sagt Kahn. „Das Problem ist, dass in diesem Winner-Takes-All-Umfeld jeder alles geben möchte, was er für ein Projekt tun kann, denn wenn Sie glauben, dass Sie in den nächsten 50 Jahren nur eine Chance auf eine große Mission haben werden , du willst es zählen lassen.“
Es ist diese Denkweise, die zu den Problemen führen kann, mit denen der JWST konfrontiert war und die er verursacht hat. Je komplexer ein Missionsdesign wird, desto mehr Instrumente und Fähigkeiten sollte es haben, damit es sich lohnt – was bedeutet, dass es teurer wird und seine Entwicklung länger dauert. „All das bringt uns wieder in diesen Teufelskreis des Gewinners, der alles nimmt“, fährt Kahn fort.
Harrison stimmt zu und betont, dass diese neue dekadische Umfrage ein Versuch ist, den Ansatz der US-Astronomie zu ändern. „Für eine zehnjährige Umfrage zu sagen, das ist die Nummer eins, wir müssen es tun, egal was, zu welchen Kosten es letztendlich auch sein mag, ist kein verantwortungsvoller Ansatz“, sagt sie. Um dem entgegenzuwirken, macht die jüngste Umfrage eine Reihe neuer Vorschläge. Dazu gehört die Idee, dass Missionen im Einklang mit bestimmten wissenschaftlichen Prioritäten gestaltet werden sollten, anstatt das Missionskonzept mit allem „Schnickschnack“ durchgehen zu lassen, um Kahn zu zitieren.
Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Fragen, mit denen sich Kahns Panel befasste, war beispielsweise die Art und Weise, wie aktive supermassereiche Schwarze Löcher in entfernten Staubgalaxien die Sternentstehung beeinflussen. Die Ansammlung von Materie auf solchen Schwarzen Löchern wäre mit einem Röntgenteleskop mit hoher Winkelauflösung nachweisbar, während eine spektroskopische Mission im fernen Infrarot in der Lage wäre, durch den Staub zu blicken und spezifische Spektrallinien im Zusammenhang mit der Sternentstehung und deren Rückkopplung zu untersuchen Winde von schwarzen Löchern. Die Hoffnung ist, dass die beiden Missionen innerhalb weniger Jahre gestartet und gemeinsam betrieben werden können. Welche Form diese Missionen annehmen werden, steht jedoch noch in den Sternen.
Vor der dekadischen Erhebung gab es zwei Missionskonzepte – die Lynx-Röntgenobservatorium und für Ursprünge Weltraumteleskop – das bei Wellenlängen im mittleren bis fernen Infrarot arbeiten würde, mit einem Teleskopspiegel zwischen 6 und 9 m Durchmesser. Jeder wurde auf etwa 5 Milliarden US-Dollar geschätzt, aber die zehnjährige Umfrage kam zu dem Schluss, dass diese Kosten unterschätzt wurden und dass ihre wissenschaftlichen Fähigkeiten nicht ganz zu den Anforderungen passten, die das Gremium suchte.
Flaggschiff-Missionen
Und hier tritt eine der anderen Innovationen der dekadischen Umfrage ein – nämlich eine neue Klasse von Weltraumteleskopen, die als „Sondenklasse“ bezeichnet wird und ein Budget von einigen Milliarden Dollar hat. „Wir müssen anerkennen, dass es schwierig wäre, alle großen Observatorien gleichzeitig in Betrieb zu haben, wenn alles so teuer wäre wie JWST“, sagt er Marcia Rieke von der University of Arizona, der das zweite Panel zu Weltraumteleskopen leitete und sich auf das optische und Nahinfrarot-Regime konzentrierte. „Der beste Weg könnte stattdessen sein, eine Flaggschiff-Mission zu haben und dann die anderen Teile des elektromagnetischen Spektrums durch Sondenmissionen abzudecken.“
Tatsächlich könnten alle möglichen Röntgen- und Ferninfrarot-Missionen der Sondenklasse auch durch ein Ultraviolett-Teleskop der Sondenklasse ergänzt werden. Verbesserungen bei Spiegelbeschichtungen und Detektoren in den letzten Jahrzehnten bedeuten, dass ein 1.5-m-Teleskop bei ultravioletten Wellenlängen tatsächlich empfindlicher sein könnte als Hubble. „Das würde eine gewisse Robustheit gegen einen kompletten Ausfall von Hubble bieten“, sagt Rieke.
Um bei der Entwicklung dieser zukünftigen Weltraumteleskope zu helfen, egal ob sie als 10-Milliarden-Dollar-Giganten oder als bescheidenere (aber immer noch ehrgeizige) Sondenmissionen vorankommen, empfiehlt die zehnjährige Umfrage, dass die NASA eine neue erstellt Great Observatories Mission and Technology Reifungsprogramm. Es würde nicht nur die Technologie entwickeln, sondern auch „die Missionskonzepte reifen lassen“, sagt Harrison. Die NASA hält ihrerseits bereits Workshops im Rahmen dieses neuen Programms ab und hat einen Entwurf für eine Ausschreibung für Sondenmissionen erstellt.
Wenn die Röntgen- und Ferninfrarot-Missionen – vorläufig „Feuer“ und „Rauch“ genannt – Sondenklasse sein sollen, dann wird das Flaggschiff der großen Sternwarte der lang erwartete direkte Ersatz für das Hubble-Weltraumteleskop sein. Das wegweisende Konzept ist LUVOIR, und es wurden zwei Versionen des Teleskops vorgeschlagen: entweder ein ehrgeiziges 15-m-Teleskop oder ein 8-m-Teleskop, wobei letzteres immer noch das größte jemals gestartete Weltraumteleskop wäre.
Andere Erden
Aus Kosten- und Praktikabilitätsgründen empfahl die zehnjährige Umfrage, die 15-m-Version auf der Strecke zu lassen und das endgültige Design die besten Teile von LUVOIR und HabEx zu vereinen. Das zentrale wissenschaftliche Ziel dieses Teleskops, erklärt Rieke, ist, dass es in der Lage sein muss, erdmassereiche Planeten in der habitablen Zone von Sternen zu entdecken. Zu diesem Zweck diskutierte Riekes Gremium mit der Exoplaneten-Gemeinschaft darüber, wie viele potenziell bewohnbare Planeten in Abhängigkeit von der Größe des Teleskops entdeckt werden könnten.
„Als Gruppe fragen Sie: Was sind die wichtigsten wissenschaftlichen Ziele? Welches Maß an Sensibilität ist erforderlich? Welches ist das kleinste Teleskop, das diese Aufgabe erfüllt?“ sagt Rieke. Die Antwort, die sie zurückbekam, war, dass ein Teleskop mit einer Öffnung von 6 bis 8 m ungefähr so klein ist, wie Sie es sich trauen, wenn Sie potenziell bewohnbare Exoplaneten finden wollen.
Erfolg hängt jedoch nicht nur von der Größe des Teleskops ab; Auch seine Instrumente müssen auf dem neuesten Stand sein. Die erfolgreiche Abbildung von erdgroßen Planeten in der Nähe ihrer Sterne erfordert einen Koronographen als Teil seines Designs. Exoplaneten von der Größe der Erde können normalerweise nicht abgebildet werden, weil die Blendung ihres Sterns zu überwältigend ist. Ein Koronograph blockiert das Licht des Sterns und macht es einfacher, anwesende Planeten zu sehen. Sie sind seit Jahrzehnten ein fester Bestandteil von Studien der Sonne – ihr Name kommt von der Blockierung der Sonnenscheibe, damit Astronomen die Sonnenkorona sehen können. Aber die Entwicklung eines Koronographen, der das helle Licht eines Sterns, der im Wesentlichen als Punktquelle erscheint, präzise blockieren kann, während Planeten nur Millibogensekunden vom Stern entfernt sichtbar sind, indem der Kontrast zwischen der Blendung des Sterns und dem Licht der Planeten auf 10 reduziert wird-10, ist „ein ganzes Stück weiter als alles, was wir bisher gemacht haben“, sagt Rieke.
Jenseits des Weltraums, Teleskope auf der Erde
Nicht alle Empfehlungen der dekadischen Umfrage beziehen sich auf Riesenteleskope im Weltraum. Tatsächlich sind einige von ihnen riesige Teleskope, die fest auf der Erde verwurzelt sind. Zum Beispiel die umstrittene XNUMX-Meter-Teleskop auf dem Mauna Kea in Hawaii gebaut werden soll, geht trotz der Proteste einiger einheimischer Hawaiianer weiter voran. So auch die Großes Magellan-Teleskop, das in Chile im Bau ist und sieben 8.4-m-Teleskope mit einem effektiven Durchmesser von 24.5 m umfassen wird.
Die Umfrage empfiehlt auch, dass die Very Large Array der nächsten Generation – 244 Funkschüsseln mit 18 m Durchmesser und 19 Schüsseln mit 6 m Durchmesser, verteilt über den Südwesten der USA – sollen bis Ende des Jahrzehnts mit dem Bau beginnen. Es wird das alternde Very Large Array in New Mexico und das Very Long Baseline Array von Gerichten in den USA ersetzen. Upgrades auf die Großes Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) und Pläne für einen möglichen Nachfolger werden ebenfalls empfohlen.
In der Zwischenzeit werden Kosmologen erfreut sein zu hören, dass die Vermessung auch ein neues bodengestütztes Observatorium namens CMB Stage 4-Observatorium fordert, um die Polarisation in der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung zu erkennen und nach Beweisen für ursprüngliche Gravitationswellen zu suchen, die aus der kosmischen Inflation resultieren in den frühesten Momenten des Universums.
Zurück im Weltraum schließlich ist die höchste Priorität für mittelgroße Missionen ein reaktionsschnelles Zeitbereichs- und Multimessenger-Programm, um die NASA-Raumsonde Swift zu ersetzen und Supernovae, Gammastrahlenausbrüche, Kilonovae und verschiedene andere Arten von astronomischen Transienten zu erkennen. Entscheidend ist, dass die Missionen in diesem neuen Programm in der Lage sein müssen, mit den bodengestützten Beobachtungen von LIGO zu arbeiten und diese zu unterstützen Cherenkov-Teleskop-Array und für Eiswürfel Neutrino-Detektor, für den auch ein „Generation 2“-Detektor empfohlen wird.
Ausreichend finanziert?
Die allgemeine Reaktion auf die Empfehlungen der dekadischen Umfrage war überwiegend positiv, wobei die NASA die Nationales Forschungslabor für optisch-infrarote Astronomie (NOIRLab) und für Nationales Radioastronomie-Observatorium (NRAO) alle geben ihm ihr Gütesiegel. Der nächste Schritt, sagt Harrison, besteht darin, die Politiker davon zu überzeugen, sich von den Mitteln zu trennen, die benötigt werden, um die großen Observatorien zu ermöglichen.
Der nächste Schritt besteht darin, die Politiker davon zu überzeugen, sich von den Mitteln zu trennen, die benötigt werden, um die großen Observatorien zu ermöglichen
Fiona Harrison, California Institute of Technology
„Sicher liegt ein Fokus jetzt für mich und Robert Kennicutt [Harrisons Mitvorsitzender der University of Arizona und der Texas A&M University] darauf, dem Kongress die Begeisterung für die von der Umfrage empfohlenen überzeugenden Projekte zu vermitteln“, sagt sie. „Es war eine positive Antwort von der NASA, und sie möchte die Empfehlungen umsetzen, aber das Budget muss da sein.“
Sollte dieses Geld zur Verfügung stehen, schätzt Rieke die erforderlichen Mittel, um die Technologie für das optische Teleskop auszureifen, auf etwa eine halbe Milliarde Dollar. „Wir wären dann bereit, gegen Ende dieses Jahrzehnts alle Technologie-Enten in einer Reihe zu haben, und wir könnten in die Bauphase eintreten“, sagt sie.
Die damit verbundenen Zeitskalen sind phänomenal. Wenn man von Hubble und Chandra ausgeht, könnten die in den 2040er Jahren gestarteten Teleskope der nächsten Generation noch in den 2070er Jahren oder darüber hinaus in Betrieb sein. Die Empfehlungen der dekadischen Umfrage sind daher nicht nur wichtig für die nächsten 10 Jahre der Astronomie, sondern auch wegen ihrer Auswirkungen auf einen Großteil dieses Jahrhunderts. Es bestand daher ein enormer Druck auf die Umfrage, es richtig gemacht zu haben.
„Da ist es wichtig, sich ehrgeizige Ziele zu setzen“, sagt Rieke. „Du musst etwas identifizieren, das so wichtig ist, dass alle zustimmen, und das einen Schritt nach vorne ausreicht, damit dich nicht etwas anderes überholt, während du es tust.“ Die Geschichte wird beurteilen, ob diese zehnjährige Umfrage ihre wichtigsten Entscheidungen richtig getroffen hat, aber aus heutiger Sicht verspricht die Zukunft der Astrophysik eine spannende zu werden.
