Los astrónomos han vuelto su mirada hacia el futuro luego de la última encuesta decada de astronomía y astrofísica de las Academias Nacionales de EE. UU., que recomendó una nueva generación de telescopios espaciales. keith cooper explora sus perspectivas y las lecciones aprendidas del problemático desarrollo del Telescopio Espacial James Webb
El día de Navidad de 2021 fue una ocasión feliz para la mayoría de los astrónomos de todo el mundo, como lo fue cuando el tan retrasado Telescopio espacial James Webb (JWST) finalmente se lanzó. Sin embargo, la fanfarria en torno a su despliegue en el espacio durante el próximo mes, así como el subsiguiente júbilo por sus primeras imágenes, ha enmascarado un problema preocupante en la astronomía observacional, que es que gran parte del resto de la flota de observatorios en órbita basados en el espacio de la NASA está envejeciendo los telescopio espacial Hubble ha estado trabajando desde 1990, mientras que el Observatorio de rayos X Chandra se lanzó casi una década después. Mientras tanto, su compatriota infrarrojo, el Telescopio espacial Spitzer, lanzado en 2003, ya no está operativo, ya que se cerró en 2020.
Es por eso que a los astrónomos les preocupa que si algo le sucede a uno o más de estos telescopios cada vez más destartalados, podrían quedar aislados de franjas enteras del espectro electromagnético. Con el cierre de Spitzer, el infrarrojo lejano (160 micras) ya está fuera de alcance ya que el JWST solo se aventura en el infrarrojo medio a los 26 micras Similarmente, el JWST no está optimizado para observar longitudes de onda visibles o ultravioleta como lo hace el Hubble. Claro, el próximo Telescopio espacial romano Nancy Grace – anteriormente el Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – es un telescopio óptico y de infrarrojo cercano, pero su campo de visión es mucho más amplio que el del Hubble, lo que significa que no está diseñado para trabajos detallados y de cerca; ni tiene la cobertura ultravioleta del Hubble.
Grandes observatorios
Para garantizar que nuestra visión del universo en todo el espectro siga siendo brillante, los astrónomos estadounidenses están seleccionando y eligiendo la próxima cohorte de telescopios espaciales. La recomendación principal de la última encuesta astronómica decadal de las Academias Nacionales de Ciencias, Ingeniería y Medicina de EE. UU.: el informe de 614 páginas Caminos hacia el descubrimiento en astronomía y astrofísica para la década de 2020 (Astro2020) – es para que se establezcan planes para una nueva generación de “grandes observatorios” que comenzarán a lanzarse en la década de 2040. Esto hace eco cuando Chandra, Hubble, Spitzer y el Observatorio de rayos gamma de Compton (que operó entre 1991 y 2000 y fue sucedido en 2008 por el Telescopio Espacial Fermi) y que fueron anunciados como los “grandes observatorios”.
Trabajando juntos para estudiar el universo, estos telescopios han encabezado la investigación astrofísica de la NASA durante décadas. La reutilización de esta frase "grandes observatorios" en la nueva encuesta decenal es deliberada, dice el copresidente de la encuesta, Fiona Harrison del Instituto de Tecnología de California. “Es para transmitir el punto de que las observaciones pancromáticas, desde los rayos X hasta el infrarrojo, son realmente esenciales para la astrofísica moderna”, dice. "Gran parte del éxito de los grandes observatorios [originales] es que fueron desarrollados y lanzados uno tras otro, con observaciones superpuestas".
Construir un telescopio espacial exitoso es un proceso largo, que suele tardar 25 años desde el inicio del desarrollo hasta el lanzamiento. El trabajo conceptual del Hubble comenzó en la década de 1960, mientras que los planes para el JWST se concretaron por primera vez en 1995, después de la Imágenes de campo profundo del Hubble mostró que las primeras galaxias están al alcance de un telescopio más grande. Por lo tanto, la próxima generación de tales sondas espaciales no se lanzará hasta la década de 2040, como muy pronto. Pero incluirán la recomendación número uno de la encuesta: una misión emblemática para reemplazar el Hubble, inspirándose en dos conceptos: el Observatorio de Exoplanetas Habitables (HabEx) y del Ultravioleta, óptico e infrarrojo grande (LUVOIR) telescopio. También en el tablero de dibujo hay una misión de rayos X y un telescopio que puede observar en el infrarrojo lejano.
Pero dada la precaria salud de nuestra cosecha actual de telescopios espaciales, y sabiendo que las nuevas misiones no se lanzarán hasta dentro de 20 años, ¿no deberían los astrónomos haber comenzado a planificar nuevos grandes observatorios hace años? "Seguro", dice Steven Kahn de la Universidad de Stanford, quien presidió uno de los paneles en la encuesta decadal que analiza los futuros telescopios espaciales. Cita el observatorio Constellation-X, una sonda espacial de rayos X que se recomendó como seguimiento de Chandra en la encuesta decenal de 2000, pero que nunca llegó a buen término debido al prolongado desarrollo del JWST, que absorbió todo el presupuesto de la astrofísica. “El JWST básicamente dominó el gran programa de observatorios de la NASA durante dos décadas y media”, explica Kahn. “Como resultado, no había espacio para realizar una misión de rayos X de seguimiento, o el tipo de misión pionera en el infrarrojo lejano que estamos imaginando”.
El ganador se lo lleva todo
De hecho, el desarrollo de JWST experimentó muchos problemas, incluidos enormes sobrecostos y tiempo de desarrollo, que casi provocaron la cancelación del proyecto. El recuerdo de estos errores ocupa un lugar preponderante en la nueva encuesta decenal, lo que influye en algunas de las recomendaciones formuladas para restaurar el equilibrio de la astrofísica en los EE. UU. Pero no siempre fue así. Kahn lamenta cómo, antes de la encuesta de 2000, el simple hecho de estar en la lista de recomendaciones en una encuesta decadal era suficiente para garantizar virtualmente que su proyecto o misión se llevaría a cabo. Pero en la era moderna de los telescopios de 10 millones de dólares, “tienes que ser el número uno o no lo vas a lograr”, dice Kahn. “El problema es que en este entorno en el que el ganador se lo lleva todo, todo el mundo quiere poner todas las campanas y silbatos que pueda en un proyecto porque si crees que solo tendrás una oportunidad para una gran misión en los próximos 50 años , quieres que cuente”.
Es esta forma de pensar la que puede conducir a los problemas que enfrentó y causó el JWST. Cuanto más complejo se vuelve el diseño de una misión, más instrumentos y capacidades desea que tenga para que valga la pena, lo que significa que se vuelve más costosa y lleva más tiempo desarrollarla. “Todo lo cual nos devuelve a este círculo vicioso en el que el ganador se lo lleva todo”, continúa Kahn.
Harrison está de acuerdo y enfatiza que esta nueva encuesta decadal es un intento de intentar cambiar el enfoque de la astronomía estadounidense. “Que una encuesta decadal diga, esto es lo primero, tenemos que hacerlo sin importar qué, a cualquier costo que termine siendo, no es un enfoque responsable”, dice ella. En un intento de contrarrestar esto, la encuesta reciente hace una serie de nuevas propuestas. Entre ellos está la idea de que las misiones deben diseñarse en sintonía con prioridades científicas específicas, en lugar de permitir que el concepto de misión se escape por sí solo, con todas las "campanas y silbatos", para citar a Kahn.
Por ejemplo, una de las preguntas científicas clave que analizó el panel de Kahn fue la forma en que los agujeros negros supermasivos activos en galaxias distantes y polvorientas influyen en la formación de estrellas. La acumulación de materia en tales agujeros negros sería detectable con un telescopio de rayos X de alta resolución angular, mientras que una misión espectroscópica de infrarrojo lejano podría mirar a través del polvo y sondear líneas espectrales específicas relacionadas con la formación de estrellas y la retroalimentación de vientos de agujero negro. La esperanza es que las dos misiones puedan lanzarse con unos pocos años de diferencia y operar al unísono. Sin embargo, la forma que tomarán esas misiones aún está en el aire.
Antes de la encuesta decenal había dos conceptos de misión: el Observatorio de rayos X Lynx y del Telescopio espacial Origins – que operaría en longitudes de onda de infrarrojo medio a lejano, con un espejo de telescopio de entre 6 y 9 m de diámetro. Se estimó que cada uno costaría alrededor de $ 5 mil millones, pero la encuesta decenal concluyó que estos costos se estaban subestimando y que sus capacidades científicas no se ajustaban del todo a los requisitos que buscaba el panel.
Misiones emblemáticas
Y aquí entra una de las otras innovaciones de la encuesta decadal, a saber, una nueva clase de telescopio espacial denominada "clase de sonda", con presupuestos de unos pocos miles de millones de dólares. “Tenemos que reconocer que si las cosas fueran a ser tan costosas como JWST, sería difícil tener todos los grandes observatorios operando al mismo tiempo”, dice Marcia Rieke de la Universidad de Arizona, quien dirigió el segundo panel sobre telescopios espaciales, centrándose en el régimen óptico y del infrarrojo cercano. "La mejor manera, en cambio, podría ser tener una misión insignia y luego tener las otras partes del espectro electromagnético cubiertas por misiones de sonda".
De hecho, cualquier posible misión de clase de sonda de rayos X e infrarrojo lejano también podría unirse a un telescopio ultravioleta de clase de sonda. Las mejoras en los revestimientos de los espejos y los detectores en las últimas décadas significan que un telescopio de 1.5 m podría ser más sensible que el Hubble en las longitudes de onda ultravioleta. “Eso proporcionaría algo de solidez contra las fallas absolutas del Hubble”, dice Rieke.
Para ayudar a desarrollar estos futuros telescopios espaciales, ya sea que procedan como gigantes de $ 10 mil millones o avancen como misiones de sonda más modestas (pero aún ambiciosas), la encuesta decenal recomienda que la NASA cree un nuevo Programa de maduración de la tecnología y la misión de los grandes observatorios. No solo desarrollaría la tecnología, sino que también “maduraría los conceptos de la misión”, dice Harrison. Por su parte, la NASA ya está realizando talleres como parte de este nuevo programa y ha elaborado un borrador de convocatoria para misiones de sonda.
Si las misiones de rayos X e infrarrojo lejano, apodadas "Fuego" y "Humo" por ahora, van a ser de clase sonda, entonces el gran observatorio insignia será el reemplazo directo tan esperado del Telescopio Espacial Hubble. El concepto que marca el camino es LUVOIR, y se han propuesto dos versiones del telescopio: un telescopio de 15 m increíblemente ambicioso o un telescopio de 8 m, el último de los cuales sería el telescopio espacial más grande jamás lanzado.
Otras tierras
Por razones de costo y practicidad, la encuesta decenal recomendó dejar de lado la versión de 15 m y que el diseño final fusionara las mejores partes de LUVOIR y HabEx. El objetivo científico clave de este telescopio, explica Rieke, es que debe ser capaz de detectar planetas con la masa de la Tierra en la zona habitable de las estrellas. Con ese fin, el panel de Rieke participó en una discusión con la comunidad de exoplanetas sobre cuántos planetas potencialmente habitables podrían detectarse en función del tamaño del telescopio.
“Como grupo, se preguntan: ¿cuáles son los objetivos científicos clave? ¿Qué nivel de sensibilidad se necesita? ¿Cuál es el telescopio más pequeño que hará el trabajo? dice Rieke. La respuesta que obtuvo fue que un telescopio de 6 a 8 m de apertura es tan pequeño como te atreves si quieres encontrar exoplanetas potencialmente habitables.
Sin embargo, el éxito no se trata solo del tamaño del telescopio; sus instrumentos también tienen que estar a la altura. La obtención de imágenes con éxito de planetas del tamaño de la Tierra cerca de sus estrellas requerirá un coronógrafo como parte de su diseño. Los exoplanetas del tamaño de la Tierra normalmente no se pueden fotografiar porque el resplandor de su estrella es demasiado abrumador. Un coronógrafo bloquea la luz de la estrella, lo que facilita ver los planetas presentes. Han sido un elemento básico de los estudios del Sol durante décadas; su nombre proviene de bloquear el disco del Sol para que los astrónomos puedan ver la corona solar. Pero diseñar un coronógrafo que pueda bloquear con precisión la luz brillante de una estrella, que aparece esencialmente como una fuente puntual, mientras permite que los planetas estén a solo milisegundos de arco de la estrella para ser visibles al reducir el contraste entre el resplandor de la estrella y la luz de los planetas a 10-10, es “bastante un paso más allá de todo lo que hemos hecho antes”, dice Rieke.
Más allá del espacio, telescopios en tierra
No todas las recomendaciones de la encuesta decadal están relacionadas con los telescopios gigantes en el espacio. De hecho, algunos de ellos son telescopios gigantes firmemente arraigados en la Tierra. Por ejemplo, la polémica Telescopio de treinta metros que se construirá en Mauna Kea en Hawai, a pesar de las protestas de algunos nativos hawaianos, sigue avanzando. Así también es el Telescopio Gran Magallanes, que está en construcción en Chile y contará con siete telescopios de 8.4 m para dar un diámetro efectivo de 24.5 m.
La encuesta también recomienda que la Arreglo muy grande de próxima generación – 244 antenas parabólicas de 18 m de diámetro y 19 antenas parabólicas de 6 m de diámetro repartidas por el suroeste de EE. UU. deberían empezar a construirse a finales de la década. Reemplazará el Very Large Array envejecido en Nuevo México y el Very Long Baseline Array de platos en los EE. UU. Actualizaciones a la Observatorio de ondas gravitacionales con interferómetro grande (LIGO) y también se recomiendan planes para un eventual sucesor.
Mientras tanto, los cosmólogos se sentirán alentados al saber que la encuesta también requiere un nuevo observatorio terrestre, denominado observatorio CMB Etapa 4, para detectar la polarización en la radiación de fondo cósmico de microondas para buscar evidencia de ondas gravitacionales primordiales que resultaron de la inflación cósmica. en los primeros momentos del universo.
Finalmente, de vuelta en el espacio, la máxima prioridad para las misiones de mediana escala es un programa multimensajero y de dominio del tiempo de respuesta rápida para reemplazar la nave espacial Swift de la NASA y detectar supernovas, estallidos de rayos gamma, kilonovas y varios otros tipos de transitorios astronómicos. De manera crucial, las misiones en este nuevo programa deben poder trabajar y apoyar las observaciones terrestres de LIGO, el Matriz de telescopios Cherenkov y del Cubo de hielo detector de neutrinos, para el que también se ha recomendado un detector de “Generación 2”.
¿Suficientemente financiado?
La respuesta general a las recomendaciones de la encuesta decadal ha sido en su mayoría positiva, con la NASA, el Laboratorio Nacional de Investigación de Astronomía Óptica-Infrarroja (NOIRLab) y del Observatorio Nacional de Radioastronomía (NRAO) todos dándole su sello de aprobación. El siguiente paso, dice Harrison, es convencer a los políticos de que se desprendan de los fondos que se necesitarán para hacer posibles los grandes observatorios.
El siguiente paso es convencer a los políticos de que se desprendan de los fondos que serán necesarios para hacer posibles los grandes observatorios
Fiona Harrison, Instituto de Tecnología de California
“Ciertamente, un enfoque ahora para mí y Robert Kennicutt [copresidente colega de Harrison de la Universidad de Arizona y la Universidad de Texas A&M] es tratar de articular al Congreso el entusiasmo de los proyectos convincentes recomendados por la encuesta”, dice. “Fue una respuesta positiva de la NASA, y quiere hacer realidad las recomendaciones, pero el presupuesto tiene que estar ahí”.
Si ese dinero llegara, entonces Rieke estima que la financiación requerida para madurar la tecnología del telescopio óptico será de alrededor de XNUMX millones de dólares. “Entonces estaríamos preparados, cerca del final de esta década, para tener todos los patos tecnológicos sentados en una fila y podremos entrar en la fase de construcción”, dice ella.
Las escalas de tiempo involucradas son fenomenales. Si Hubble y Chandra son algo por lo que pasar, los telescopios de próxima generación lanzados en la década de 2040 aún podrían estar operativos en la década de 2070 o más allá. Por lo tanto, las recomendaciones de la encuesta decenal no solo son importantes para los próximos 10 años de astronomía, sino también por su impacto en gran parte de este siglo. Por lo tanto, hubo una enorme presión sobre la encuesta para que saliera bien.
“Ahí es donde es importante elegir metas ambiciosas”, dice Rieke. “Tienes que identificar algo que sea tan importante que todos estén de acuerdo y que sea un paso adelante suficiente como para que algo más no te supere mientras lo haces”. La historia juzgará si esta encuesta decenal tomó sus decisiones clave correctas, pero desde la perspectiva actual, el futuro de la astrofísica promete ser emocionante.
