Tähtitieteilijät ovat kääntäneet katseensa kohti tulevaisuutta Yhdysvaltain kansallisten akatemioiden viimeisimmän vuosikymmenen mittaisen tähtitieteen ja astrofysiikan tutkimuksen jälkeen, jossa suositeltiin uuden sukupolven avaruusteleskooppeja. Keith Cooper tutkii heidän tulevaisuudennäkymiään ja James Webbin avaruusteleskoopin ongelmallisesta kehityksestä saatuja kokemuksia
Joulupäivä 2021 oli onnellinen tilaisuus useimmille tähtitieteilijöille ympäri maailmaa, kuten silloin, kun paljon viivästynyt James Webb avaruusteleskooppi (JWST) lanseerattiin vihdoin. Kuitenkin fanfaari, joka liittyy sen avautumiseen avaruudessa seuraavan kuukauden aikana, sekä sitä seurannut riemu sen ensimmäisistä kuvista on peittänyt huolestuttavan ongelman havainnointiastronomiassa – mikä on suurin osa NASAn avaruudessa kiertävistä observatorioista. ikääntyy. The Hubble-avaruusteleskooppi on työskennellyt vuodesta 1990 lähtien Chandra X-ray Observatorio lanseerattiin lähes kymmenen vuotta myöhemmin. Samaan aikaan heidän infrapuna-maanmiehensä, Spitzer-avaruusteleskooppi, lanseerattiin vuonna 2003, ei enää toimi, koska se suljettiin vuonna 2020.
Siksi tähtitieteilijät ovat huolissaan siitä, että jos jotain tapahtuisi yhdelle tai useammalle näistä yhä rikkinäisemmistä teleskoopeista, ne voidaan katkaista kokonaisilta sähkömagneettisen spektrin alueilta. Kun Spitzer sammutettiin, kauko-infrapuna (160 pm) on jo ulottumattomissa, koska JWST uskaltaa vain keski-infrapunaan 26 μm. Samoin, JWST:tä ei ole optimoitu havaitsemaan näkyviä tai ultraviolettiaallonpituuksia, kuten Hubble tekee. Toki tuleva Nancy Gracen roomalainen avaruusteleskooppi – entinen Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – on optinen ja lähi-infrapunateleskooppi, mutta sen näkökenttä on paljon laajempi kuin Hubblen, eli sitä ei ole tarkoitettu lähikuvaukseen, yksityiskohtaiseen työhön; sillä ei myöskään ole Hubblen ultraviolettipeittoa.
Hienoja observatorioita
Yhdysvaltalaiset tähtitieteilijät valitsevat parhaillaan seuraavaa avaruusteleskooppiryhmää varmistaakseen, että näkymämme universumista säilyy kirkkaana. Yhdysvaltain kansallisten tiede-, tekniikan ja lääketieteen akatemioiden viimeisimmän tähtitieteellisen vuosikymmenen tutkimuksen ensisijainen suositus – 614-sivuinen raportti Polkuja tähtitieteen ja astrofysiikan löytöihin 2020-luvulle (Astro2020) – suunnitellaan uuden sukupolven "suurten observatorioiden" käynnistämistä 2040-luvulla. Tämä kaikuu kun Chandra, Hubble, Spitzer ja Compton Gamma-ray Observatory (joka toimi vuosina 1991–2000 ja jota seurasi vuonna 2008 Fermi-avaruusteleskooppi) kehitettiin, ja joita julistettiin "suuriksi observatorioiksi".
Nämä teleskoopit ovat työskennelleet rinnakkain maailmankaikkeuden tutkimiseksi, ja ne ovat olleet NASAn astrofysiikan tutkimuksen kärjessä vuosikymmeniä. Tämän ilmaisun "suuret observatoriot" uudelleenkäyttö uudessa vuosikymmenen tutkimuksessa on tarkoituksellista, sanoo tutkimuksen toinen puheenjohtaja, Fiona Harrison California Institute of Technologysta. "On päästävä yli pisteen, että pankromaattiset havainnot röntgensäteistä infrapunaan ovat todella tärkeitä nykyaikaiselle astrofysiikalle", hän sanoo. "Suurin osa [alkuperäisten] suurten observatorioiden menestyksestä on se, että niitä kehitettiin ja käynnistettiin peräkkäin, ja havainnot olivat päällekkäisiä."
Menestyneen avaruusteleskoopin rakentaminen on pitkä prosessi, joka kestää tyypillisesti 25 vuotta kehityksen alusta laukaisuun. Hubblen konseptityö alkoi 1960-luvulla, kun taas JWST:n suunnitelmat koottiin ensimmäisen kerran vuonna 1995, kun Hubble Deep Field -kuvat osoitti, että ensimmäiset galaksit ovat suuremman teleskoopin ulottuvilla. Tällaisten avaruuteen perustuvien luotainten seuraavan sukupolven laukaisu ei siis käynnisty ennen kuin 2040-luvulla. Mutta ne sisältävät tutkimuksen ykkössuosituksen: lippulaivatehtävän korvaamaan Hubble, joka saa inspiraatiota kahdesta konseptista – Asuttava Exoplanet Observatory (HabEx) ja Suuri ultravioletti, optinen ja infrapuna (LUVOIR) teleskooppi. Piirustuspöydällä on myös röntgentehtävä ja kaukoputki, joka voi tarkkailla kauko-infrapunaa.
Mutta kun otetaan huomioon nykyisen avaruusteleskooppisatomme epävarma kunto ja tietäen, että uudet tehtävät eivät käynnisty vielä 20 vuoteen, eikö tähtitieteilijöiden olisi pitänyt alkaa suunnittelemaan uusia mahtavia observatorioita vuosia sitten? "Varmasti", sanoo Steven Kahn Stanfordin yliopistosta, joka toimi yhden paneelin puheenjohtajana vuosikymmeniä koskevassa tutkimuksessa, jossa tarkasteltiin tulevaisuuden avaruusteleskooppeja. Hän mainitsee Constellation-X-observatorion – röntgenavaruusluotaimen, jota suositeltiin Chandran jatkotoimeksi vuoden 2000 vuosikymmenen tutkimuksessa, mutta se ei koskaan toteutunut JWST:n pitkällisen kehityksen vuoksi, joka imesi kaiken. astrofysiikan budjetti. "JWST hallitsi NASAn suurta observatorioohjelmaa kahden ja puolen vuosikymmenen ajan", Kahn selittää. "Tämän seurauksena ei ollut tilaa jatkaa röntgentutkimusta tai sellaista uraauurtavaa kauko-infrapunaoperaatiota, jota suunnittelemme."
Voittaja ottaa kaiken
Itse asiassa JWST:n kehityksessä oli monia ongelmia, mukaan lukien valtavat kustannusten ja kehitysajan ylitykset, mikä melkein johti projektin peruuntumiseen. Muisto näistä virheistä häämöttää laajasti uuden vuosikymmenen tutkimuksen aikana, mikä vaikuttaa joihinkin suosituksiin, jotka on tehty astrofysiikan tasapainon palauttamiseksi Yhdysvalloissa. Mutta ei se aina ollut näin. Kahn pahoittelee, kuinka ennen vuoden 2000 kyselyä jo pelkkä vuosikymmenen mittaisen kyselyn suosituslistalle pääsy riitti takaamaan käytännössä, että projektisi tai tehtäväsi toteutuu. Mutta 10 miljardin dollarin kaukoputkien nykyaikana "sinun on oltava ykkönen tai et saa sitä valmiiksi", Kahn sanoo. "Ongelma on, että tässä voittaja vie kaiken -ympäristössä kaikki haluavat heittää kaikki mahdolliset kellot ja vihellykset projektiin, koska jos luulet saavasi vain yhden laukauksen suuressa tehtävässä seuraavan 50 vuoden aikana. , haluat ottaa sen huomioon."
Tämä ajattelutapa voi johtaa ongelmiin, joita JWST sekä kohtasi että aiheutti. Mitä monimutkaisemmaksi tehtävän suunnittelusta tulee, sitä enemmän välineitä ja kykyjä haluat sen sisältävän, jotta se olisi kannattavaa – mikä tarkoittaa, että se tulee kalliimmaksi ja kestää kauemmin kehittää. "Kaikki mikä saa meidät takaisin tähän voittajien noidankehään, vie kaiken", jatkaa Kahn.
Harrison on samaa mieltä ja korostaa, että tämä uusi vuosikymmeniä koskeva tutkimus on yritys yrittää muuttaa Yhdysvaltain tähtitieteen lähestymistapaa. "Jotta vuosikymmeniä koskeva tutkimus voisi sanoa, että tämä on ykkösasia, meidän on tehtävä se mitä tahansa, millä hinnalla tahansa, se ei ole vastuullista lähestymistapaa", hän sanoo. Tämän torjumiseksi tuoreessa tutkimuksessa esitetään useita uusia ehdotuksia. Niiden joukossa on ajatus, että tehtävät tulisi suunnitella sopusoinnussa tiettyjen tieteellisten prioriteettien kanssa sen sijaan, että annettaisiin tehtäväkonseptin karkaamaan itsensä mukana, Kahnia lainatakseni "kellot ja pillit".
Esimerkiksi yksi Kahnin paneelin tutkimista avainkysymyksistä oli tapa, jolla aktiiviset supermassiiviset mustat aukot kaukaisissa, pölyisissä galakseissa vaikuttavat tähtien muodostumiseen. Aineen kerääntyminen tällaisiin mustiin aukkoihin olisi havaittavissa korkean kulmaresoluution röntgenteleskoopilla, kun taas kauko-infrapunaspektroskooppinen tehtävä pystyisi kurkistamaan pölyn läpi ja tutkimaan tähtien muodostumiseen liittyviä erityisiä spektrilinjoja ja palautetta niistä. mustien aukkojen tuulet. Toiveena on, että nämä kaksi tehtävää voitaisiin käynnistää muutaman vuoden sisällä toisistaan ja toimia yhdessä. Kuitenkin, millaisen muodon nämä tehtävät saavat, on edelleen ilmassa.
Ennen vuosikymmeniä koskevaa tutkimusta oli olemassa kaksi tehtäväkonseptia – the Lynx X-ray Observatorio ja Origins -avaruusteleskooppi – joka toimisi keski- tai kauko-infrapuna-aallonpituuksilla ja kaukoputken peilin halkaisija on 6–9 metriä. Kummankin arvioitiin maksavan noin 5 miljardia dollaria, mutta vuosikymmeniä koskevassa tutkimuksessa todettiin, että nämä kustannukset aliarvioitiin ja että niiden tieteellinen kapasiteetti ei aivan vastannut paneelin etsimiä vaatimuksia.
Lippulaivatehtävät
Ja tähän astuu sisään yksi vuosikymmenen tutkimuksen muista innovaatioista – nimittäin uusi avaruusteleskooppiluokka, jota kutsutaan "luotainluokkaksi" ja jonka budjetit ovat muutaman miljardin dollarin. "Meidän on myönnettävä, että jos kaikki olisivat yhtä kalliita kuin JWST, olisi vaikeaa saada kaikki suuret observatoriot toimimaan samanaikaisesti", sanoo Marcia Rieke Arizonan yliopistosta, joka johti toista avaruusteleskooppeja käsittelevää paneelia keskittyen optiseen ja lähiinfrapunajärjestelmään. "Paras tapa sen sijaan voisi olla yksi lippulaivatehtävä ja sitten kattaa muut sähkömagneettisen spektrin osat luotaintehtävillä."
Itse asiassa kaikki mahdolliset röntgen- ja kauko-infrapuna-luotainluokan tehtävät voitaisiin yhdistää myös luotainluokan ultraviolettiteleskoopilla. Peilien pinnoitteiden ja ilmaisimien parannukset viime vuosikymmeninä tarkoittavat, että 1.5 metrin kaukoputki voi itse asiassa olla herkempi kuin Hubble ultraviolettiaallonpituuksilla. "Se antaisi jonkin verran kestävyyttä Hubblen epäonnistumista vastaan", Rieke sanoo.
Auttaakseen kehittämään näitä tulevia avaruusteleskooppeja, olivatpa ne sitten 10 miljardin dollarin suuruuksia tai vaatimattomampia (mutta silti kunnianhimoisempia) luotaintehtäviä, vuosikymmenen tutkimuksessa suositellaan, että NASA luo uuden Great Observatories Mission and Technology Maturation Program. Se ei vain kehittäisi tekniikkaa, vaan myös "kypsentäisi tehtävän käsitteitä", Harrison sanoo. NASA puolestaan järjestää jo työpajoja osana tätä uutta ohjelmaa ja on laatinut luonnoksen luotaintehtävistä.
Jos röntgen- ja kauko-infrapunatehtävät – toistaiseksi lempinimelillä "Fire" ja "Smoke" - ovat luotainluokkaa, niin lippulaiva suuri observatorio tulee olemaan kauan odotettu Hubble-avaruusteleskoopin suora korvaaja. Tietä ohjaava konsepti on LUVOIR, ja kaukoputkesta on ehdotettu kahta versiota: joko hurjan kunnianhimoista 15 metrin teleskooppia tai 8 metrin kaukoputkea, joista jälkimmäinen olisi edelleen suurin koskaan laukaistu avaruusteleskooppi.
Muut maapallot
Kustannus- ja käytännöllisyyssyistä vuosikymmeniä koskevassa tutkimuksessa suositeltiin, että 15 m:n versio jää sivuun ja että lopullinen suunnittelu sulauttaisi sekä LUVOIRin että HabExin parhaat puolet. Tämän kaukoputken tärkein tieteellinen tavoite, Rieke selittää, on, että sen on kyettävä havaitsemaan maamassaisia planeettoja tähtien asuttavalla alueella. Tätä varten Rieken paneeli osallistui keskusteluun eksoplaneettojen yhteisön kanssa siitä, kuinka monta mahdollisesti asuttavaa planeettaa voitaisiin havaita teleskoopin koon funktiona.
”Ryhmänä kysyt: mitkä ovat tärkeimmät tieteelliset tavoitteet? Millaista herkkyyttä tarvitaan? Mikä on pienin kaukoputki, joka tekee työn?" sanoo Rieke. Hän sai vastauksen, että 6–8 metrin aukon kaukoputki on suunnilleen niin pieni kuin uskaltaa mennä, jos haluaa löytää mahdollisesti asuttavia eksoplaneettoja.
Menestys ei kuitenkaan ole vain kaukoputken koosta; sen soittimien on myös oltava kunnossa. Maan kokoisten planeettojen onnistunut kuvaaminen lähellä niiden tähtiä vaatii koronagrafin osana sen suunnittelua. Maan kokoisia eksoplaneettoja ei normaalisti voida kuvata, koska niiden tähden häikäisy on liian voimakasta. Koronografi estää tähden valon, mikä helpottaa läsnä olevien planeettojen näkemistä. Ne ovat olleet Auringon tutkimusten keskeinen osa vuosikymmeniä – niiden nimi tulee siitä, että ne tukkivat Auringon kiekon, jotta tähtitieteilijät voivat nähdä aurinkokoronan. Mutta sellaisen koronagraafin kehittäminen, joka voi estää tarkasti pistelähteenä näkyvän tähden kirkkaan valon, samalla kun planeetat vain millikaarisekuntien päässä tähdestä ovat näkyvissä vähentämällä tähden häikäisyn ja planeettojen valon välistä kontrastia 10 asteeseen.-10, on "melko askel enemmän kuin mitä olemme tehneet aiemmin", sanoo Rieke.
Avaruuden ulkopuolella kaukoputket maassa
Kaikki vuosikymmenen tutkimuksen suositukset eivät liity jättiläisteleskooppeihin avaruudessa. Itse asiassa jotkut niistä ovat jättimäisiä teleskooppeja, jotka ovat juurtuneet tiukasti maan päälle. Esimerkiksi kiistanalainen XNUMX metrin kaukoputki Havaijilla Mauna Keaan rakennettava rakennus etenee edelleen joidenkin havaijilaisten vastalauseista huolimatta. Niin on myös Grand Magellan -teleskooppi, joka on rakenteilla Chilessä ja sisältää seitsemän 8.4 m teleskooppia, joiden tehollinen halkaisija on 24.5 m.
Kyselyssä suositellaan myös, että Seuraavan sukupolven erittäin suuri joukko – 244 halkaisijaltaan 18-metristä radiolautasta ja 19 halkaisijaltaan 6-metristä radiolautasta jaettuna Yhdysvaltojen lounaisosassa – pitäisi alkaa rakentaa vuosikymmenen loppuun mennessä. Se korvaa ikääntyvän Very Large Array -ruoan New Mexicossa ja Very Long Baseline Array -ruoat kaikkialla Yhdysvalloissa. Päivitykset Suuri interferometri Gravitaatioaaltojen observatorio (LIGO) ja suunnitelmia mahdollisesta seuraajasta suositellaan myös.
Sillä välin kosmologit ilahduttavat kuullessaan, että tutkimuksessa vaaditaan myös uutta maan päällä sijaitsevaa observatoriota, nimeltään CMB Stage 4 observatorio, joka havaitsee kosmisen mikroaaltotaustasäteilyn polarisaatiota ja etsii todisteita kosmisesta inflaatiosta syntyneistä painovoimaaalloista. maailmankaikkeuden varhaisina hetkinä.
Lopuksi, takaisin avaruudessa, keskipitkän mittakaavan tehtävien tärkein prioriteetti on nopean vasteen aika-alue- ja multimensenger-ohjelma, joka korvaa NASAn Swift-avaruusaluksen ja havaitsee supernovat, gammapurkaukset, kilonovat ja erilaiset muut tähtitieteelliset transientit. Ratkaisevaa on, että tämän uuden ohjelman tehtävien on kyettävä toimimaan ja tukemaan LIGO:n maapohjaisia havaintoja, Cherenkov-kaukoputken ryhmä ja Jääkuutio neutriinoilmaisin, johon on myös suositeltu "Generation 2" -ilmaisinta.
Riittävästi rahoitettu?
Yleinen vastaus vuosikymmenen tutkimuksen suosituksiin on ollut enimmäkseen myönteinen, NASAn kanssa National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab) ja National Radio Astronomy Observatory (NRAO) kaikki antavat sille hyväksyntänsä. Seuraava askel, Harrison sanoo, on saada poliitikot luopumaan varoista, joita tarvitaan suurten observatorioiden mahdollistamiseksi.
Seuraava askel on saada poliitikot luopumaan varoista, joita tarvitaan suurten observatorioiden mahdollistamiseksi
Fiona Harrison, California Institute of Technology
"Varmasti nyt minun ja Robert Kennicuttin [Harrisonin apupuheenjohtaja Arizonan yliopistosta ja Texas A&M -yliopistosta] keskipisteenä on yrittää ilmaista kongressille kyselyn suosittelemien pakottavien projektien innostus", hän sanoo. "Se oli myönteinen vastaus NASAlta, ja se haluaa saada suositukset toteutumaan, mutta budjetin on oltava olemassa."
Jos rahat saadaan, Rieke arvioi optisen teleskoopin teknologian kypsymiseen tarvittavan rahoituksen olevan noin puoli miljardia dollaria. "Silloin olisimme valmiita tämän vuosikymmenen lopulla siihen, että kaikki teknologiaankat ovat peräkkäin ja voimme siirtyä rakennusvaiheeseen", hän sanoo.
Aikataulut ovat ilmiömäisiä. Jos Hubble ja Chandra ovat mitään, 2040-luvulla lanseeratut seuraavan sukupolven teleskoopit voivat olla toiminnassa 2070-luvulla tai sen jälkeen. Vuosikymmenen tutkimuksen suositukset eivät siksi ole tärkeitä vain seuraavien 10 vuoden tähtitieteen kannalta, vaan niiden vaikutuksen kannalta suureen osaan tätä vuosisataa. Siksi kyselyssä oli valtava paine saada se oikein.
"Siinä on tärkeää valita kunnianhimoiset tavoitteet", Rieke sanoo. "Sinun on tunnistettava jotain, mikä on niin tärkeää, että kaikki ovat samaa mieltä, ja se on riittävä askel eteenpäin, jotta jokin muu ei ohita sinua, kun teet sitä." Historia arvioi, tekikö tämä vuosikymmeniä koskeva tutkimus avainpäätöksensä oikein, mutta tämän päivän näkökulmasta astrofysiikan tulevaisuus lupaa jännittävän.
