A csillagászok a jövő felé fordították tekintetüket az Egyesült Államok Nemzeti Akadémiáinak legutóbbi, évtizedes csillagászati és asztrofizikai felmérése nyomán, amely az űrteleszkópok új generációját javasolta. Keith Cooper feltárja kilátásaikat, és a James Webb Űrteleszkóp problémás fejlesztéséből levont tanulságokat
2021 karácsonya a világ legtöbb csillagásza számára boldog alkalom volt, akárcsak akkor, amikor a sokat késett James Webb Űrtávcső (JWST) végre elindult. A következő hónapban az űrben való kibontakozás körüli fanfárok, valamint az azt követő ujjongás az első képek felett azonban a megfigyelő csillagászat aggasztó problémáját takarja el – ez a NASA űrben keringő obszervatóriumainak többi flottájának nagy része. öregszik. Az Hubble Űrtávcső 1990 óta dolgozik, míg a Chandra röntgen-megfigyelőközpont közel egy évtizeddel később indították el. Eközben infravörös honfitársuk, a Spitzer űrteleszkóp2003-ban indult, már nem működik, 2020-ban leállt.
Ezért aggódnak a csillagászok amiatt, hogy ha valami történne egy vagy több ilyen egyre rozoga teleszkóppal, akkor azok az elektromágneses spektrum egész területétől elszakadhatnak. A Spitzer leállításával a távoli infravörös (160 um) már elérhetetlen, mivel a JWST csak 26 fokos közép-infravörösbe merészkedik μm. Hasonlóképpen, a JWST nincs optimalizálva látható vagy ultraibolya hullámhosszok megfigyelésére, mint a Hubble. Persze, a közelgő Nancy Grace római űrtávcső – korábban Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – egy optikai és közeli infravörös teleszkóp, de látómezeje jóval szélesebb, mint a Hubble-é, vagyis nem közeli, részletgazdag munkára alkalmas; és nincs Hubble ultraibolya lefedettsége sem.
Nagyszerű obszervatóriumok
Annak érdekében, hogy az univerzumról a teljes spektrumban továbbra is fényes képet lássunk, az amerikai csillagászok jelenleg a következő űrteleszkóp-csoportot választják ki. Az Egyesült Államok Nemzeti Tudományos, Mérnöki és Orvostudományi Akadémiája legújabb csillagászati évtizedes felmérésének elsődleges ajánlása – a 614 oldalas jelentés Útvonalak a felfedezéshez a csillagászatban és asztrofizikában a 2020-as évekre (Astro2020) – a tervek szerint a 2040-es években megkezdődhet a „nagy obszervatóriumok” új generációja. Ez visszhangzik, amikor Chandra, Hubble, Spitzer és a Compton Gamma-ray Obszervatórium (amely 1991 és 2000 között működött, majd 2008-ban a Fermi Űrteleszkóp váltotta fel) fejlesztés alatt áll, és amelyeket „nagy obszervatóriumokként” hirdettek.
Ezek a teleszkópok, amelyek egymással párhuzamosan dolgoznak az univerzum tanulmányozásán, évtizedekig vezették a NASA asztrofizikai kutatásait. A „nagy megfigyelőközpontok” kifejezés újrahasználata az új évtizedes felmérésben szándékos, mondja a felmérés társelnöke. Fiona Harrison, a California Institute of Technology munkatársa. „Az a cél, hogy átlássuk, a pankromatikus megfigyelések, a röntgentől az infravörösig, valóban elengedhetetlenek a modern asztrofizikához” – mondja. "Az [eredeti] nagy obszervatóriumok sikerének nagy része az, hogy egymás után fejlesztették és indították el őket, egymást átfedő megfigyelésekkel."
Egy sikeres űrteleszkóp felépítése hosszú folyamat, jellemzően 25 évig tart a fejlesztés kezdetétől a kilövésig. A Hubble koncepciójának kidolgozása az 1960-as években kezdődött, míg a JWST tervei először 1995-ben, a Hubble Deep Field képek kimutatta, hogy az első galaxisok egy nagyobb távcső közelébe kerülnek. Az ilyen űralapú szondák következő generációja ezért legkorábban a 2040-es években indul. De tartalmazni fogják a felmérés első számú ajánlását: egy zászlóshajó küldetést a Hubble leváltására, amely két koncepcióból merít ihletet – a Lakható Exobolygó Obszervatórium (HabEx) és a Nagyméretű ultraibolya, optikai és infravörös (LUVOIR) távcső. A rajztáblán egy röntgen-küldetés és egy távoli infravörös távon is megfigyelhető távcső található.
De tekintettel a jelenlegi űrteleszkóp-termésünk bizonytalan állapotára, és tudva, hogy az új küldetések még 20 évig nem indulnak el, nem kellett volna a csillagászoknak már évekkel ezelőtt elkezdeni új, nagyszerű obszervatóriumok tervezését? – Biztosan – mondja Steven Kahn a Stanford Egyetemről, aki a jövő űrteleszkópjait vizsgáló évtizedes felmérés egyik paneljének elnöke volt. Idézi a Constellation-X obszervatóriumot – egy röntgen-űrszondát, amelyet a 2000-es évtizedes felmérés Chandra nyomon követéseként javasoltak, de a JWST elhúzódó fejlesztése miatt soha nem valósult meg, ami mindent magába szívott. az asztrofizikai költségvetés. „A JWST alapvetően két és fél évtizeden át uralta a NASA nagyszerű obszervatóriumi programját” – magyarázza Kahn. „Ennek eredményeként nem volt hely egy nyomon követési röntgen küldetésre, vagy az általunk elképzelt úttörő távoli infravörös küldetésre.”
A győztes mindent visz
Valójában a JWST fejlesztése során számos probléma merült fel, beleértve a költségek és a fejlesztési idő hatalmas túllépését, ami majdnem a projekt törlését eredményezte. Ezeknek a hibáknak az emlékezete az új évtizedes felmérés során felvillan, befolyásolva néhány ajánlást az Egyesült Államokban az asztrofizika egyensúlyának helyreállítására. De ez nem mindig volt így. Kahn nehezményezi, hogy a 2000-es felmérés előtt egy évtizedes felmérés ajánlási listájára való feljutás elég volt ahhoz, hogy gyakorlatilag garantálja a projekt vagy küldetés megvalósulását. A 10 milliárd dolláros teleszkópok modern korszakában azonban „első számúnak kell lenni, különben nem sikerül” – mondja Kahn. "A probléma az, hogy ebben a győztes mindent visz környezetben mindenki minden csengőt és sípot akar bedobni egy projektbe, mert ha úgy gondolja, hogy a következő 50 évben csak egy lövést fog kapni egy nagy küldetésre. , azt szeretné, hogy számítson.”
Ez a gondolkodásmód vezethet azokhoz a problémákhoz, amelyekkel a JWST szembesült és okozott. Minél összetettebbé válik egy küldetéstervezés, annál több eszközt és képességet szeretne elérni, hogy megérje – ami azt jelenti, hogy drágul, és tovább tart a fejlesztés. „Minden, ami visszavezet minket a győztes ördögi körébe, mindent visz” – folytatja Kahn.
Harrison egyetért, hangsúlyozva, hogy ez az új évtizedes felmérés egy kísérlet az amerikai csillagászat megközelítésének megváltoztatására. „Ahhoz, hogy egy évtizedes felmérés azt mondhassa, ez az első számú dolog, meg kell tennünk, bármi legyen is, bármi áron is, ez nem felelősségteljes megközelítés” – mondja. Ennek ellensúlyozására a legutóbbi felmérés számos új javaslatot tesz. Ezek között szerepel az az elképzelés is, hogy a küldetéseket konkrét tudományos prioritásokkal összhangban kell megtervezni, ahelyett, hogy a küldetés koncepcióját hagynák elszaladni önmagával, minden „haranggal és síppal”, hogy Kahnt idézzük.
Például az egyik kulcsfontosságú tudományos kérdés, amelyet Kahn panelje megvizsgált, az volt, hogy a távoli, poros galaxisokban lévő aktív szupermasszív fekete lyukak hogyan befolyásolják a csillagkeletkezést. Az anyagnak az ilyen fekete lyukakon való felhalmozódása egy nagy szögfelbontású röntgenteleszkóppal kimutatható lenne, míg egy távoli infravörös spektroszkópiai küldetés képes lenne átnézni a poron, és szondázni a csillagkeletkezéssel és a visszacsatolásokkal kapcsolatos speciális spektrumvonalakat. feketelyuk szelek. A remény az, hogy a két küldetés néhány éven belül elindulhat egymás után, és egységesen működhet. Az azonban, hogy ezek a küldetések milyen formát öltenek, még mindig a levegőben van.
Az évtizedes felmérés előtt két küldetésfogalom létezett – a Lynx X-ray Obszervatórium és a Origins Űrteleszkóp – amely közép- és távoli infravörös hullámhosszon működne, 6 és 9 m közötti átmérőjű teleszkóptükörrel. A becslések szerint mindegyik körülbelül 5 milliárd dollárba került, de az évtizedes felmérés arra a következtetésre jutott, hogy ezeket a költségeket alábecsülték, és tudományos képességeik nem igazán feleltek meg a testület által keresett követelményeknek.
zászlóshajó küldetések
És itt lép be az évtizedes felmérés másik újítása – nevezetesen egy új osztályú űrteleszkóp, amelyet „szondaosztálynak” neveznek, néhány milliárd dolláros költségvetéssel. "El kell ismernünk, hogy ha minden olyan drága lenne, mint a JWST, akkor nehéz lenne az összes nagyszerű obszervatóriumot egyszerre működtetni" - mondja Marcia Rieke, az Arizonai Egyetem munkatársa, aki az űrteleszkópokkal foglalkozó második panelt vezette, az optikai és közeli infravörös rezsimre összpontosítva. „Ehelyett a legjobb módszer az lehet, ha egy zászlóshajó küldetést hajtunk végre, majd az elektromágneses spektrum többi részét lefedjük a szondaküldetésekkel.”
Valójában az esetleges röntgen- és távoli infravörös szondaosztályú küldetésekhez egy szondaosztályú ultraibolya teleszkóp is csatlakozhat. Az elmúlt néhány évtizedben a tükörbevonatok és detektorok fejlesztései azt jelentik, hogy egy 1.5 m-es teleszkóp valójában érzékenyebb lehet az ultraibolya hullámhosszon, mint a Hubble. „Ez némi robusztusságot biztosítana a Hubble ki- és bedőlése ellen” – mondja Rieke.
Az évtizedes felmérés azt javasolja, hogy a NASA hozzon létre egy új űrtávcsövet, hogy segítse ezeknek a jövőbeli űrteleszkópoknak a fejlesztését, akár 10 milliárd dolláros behemótként, akár szerényebb (de még mindig ambiciózusabb) szondaküldetésben. Nagy Obszervatóriumok Misszió és Technológiai Érettségi Program. Ez nemcsak a technológiát fejlesztené, hanem „kiérleli a küldetési koncepciókat” – mondja Harrison. A NASA a maga részéről már tart workshopokat ennek az új programnak a részeként, és elkészítette a szondaküldetések felhívásának tervezetét.
Ha a röntgen- és távoli infravörös küldetések – egyelőre „Fire” és „Smoke” becenéven – szondaosztályúak lesznek, akkor a zászlóshajó nagy obszervatórium a régóta várt Hubble Űrteleszkóp közvetlen helyettesítője lesz. Az úttörő koncepció a LUVOIR, és a távcső két változatát javasolták: vagy egy vadul ambiciózus 15 méteres távcsövet, vagy egy 8 méteres távcsövet, amelyek közül az utóbbi továbbra is a valaha felbocsátott legnagyobb űrtávcső lenne.
Más Földek
Költség- és praktikus okokból az évtizedes felmérés azt javasolta, hogy a 15 m-es változat kerüljön az út szélére, és hogy a végső kialakítás a LUVOIR és a HabEx legjobb részeit ötvözze. Ennek a távcsőnek a legfontosabb tudományos célja, magyarázza Rieke, hogy képes legyen észlelni a Földtömegű bolygókat a csillagok lakható zónájában. Ebből a célból Rieke testülete megbeszélést folytatott az exobolygó közösséggel arról, hogy a teleszkóp méretének függvényében hány potenciálisan lakható bolygó detektálható.
„Csoportként azt kérdezed: mik a legfontosabb tudományos célok? Milyen szintű érzékenység szükséges? Melyik a legkisebb távcső, amely ellátja ezt a feladatot?” mondja Rieke. Azt a választ kapta, hogy egy 6–8 m-es rekesznyílású teleszkóp körülbelül olyan kicsi, mint amennyire merészel, ha potenciálisan lakható exobolygókat akar találni.
A siker azonban nem csak a távcső méretén múlik; a műszereinek is karcolásig kell lenniük. A Föld méretű bolygók csillagai közelében történő sikeres leképezéséhez koronagráfra lesz szükség a tervezés részeként. A Föld méretű exobolygókat általában nem lehet leképezni, mert csillaguk tükröződése túlságosan erős. A koronagráf blokkolja a csillag fényét, így könnyebben látható a jelenlévő bolygók. Évtizedek óta a Nap tanulmányozásának alappillérei – nevük onnan ered, hogy blokkolják a Nap korongját, így a csillagászok láthatják a napkoronát. De olyan koronagráf kidolgozása, amely pontosan blokkolja a csillagok erős fényét, amely lényegében pontforrásként jelenik meg, miközben lehetővé teszi, hogy a csillagtól mindössze milliívmásodpercnyire lévő bolygók láthatóak legyenek azáltal, hogy 10-re csökkenti a kontrasztot a csillag tükröződése és a bolygók fénye között.-10, „nagyon lépést jelent minden eddiginél” – mondja Rieke.
Az űrön túl teleszkópok a földön
Az évtizedes felmérés nem minden ajánlása kapcsolódik az űrben lévő óriási teleszkópokhoz. Valójában némelyikük hatalmas távcső, amely szilárdan a Földön gyökerezik. Például az ellentmondásos Harminc méter távcső A hawaii Mauna Keán építendő, néhány bennszülött hawaii tiltakozása ellenére továbbra is halad előre. Ugyanígy a Nagy Magellán távcső, amely Chilében épül, és hét 8.4 m-es távcsővel rendelkezik majd, amelyek effektív átmérője 24.5 m.
A felmérés azt is javasolja, hogy a Következő generációs nagyon nagy tömb – 244 darab 18 méter átmérőjű és 19 6 méter átmérőjű rádiótányér terül el az Egyesült Államok délnyugati részén – az évtized végén el kell kezdeni építeni. Felváltja az öregedő Very Large Array-t Új-Mexikóban és a Very Long Baseline Array ételeket az Egyesült Államokban. Frissítések a Nagy Interferométer Gravitációs hullám Obszervatórium (LIGO) és az esetleges utód tervei is ajánlottak.
Eközben a kozmológusok örömmel hallják, hogy a felmérés egy új földi obszervatórium létrehozását is kéri, a CMB Stage 4 obszervatóriumot, amely a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás polarizációját észleli, és bizonyítékot keres a kozmikus inflációból eredő ősi gravitációs hullámokra. az univerzum legkorábbi pillanataiban.
Végül, visszatérve az űrbe, a közepes méretű küldetések legfontosabb prioritása egy gyors reagálású időtartományú és több üzenetküldő program a NASA Swift űrszondájának leváltására, és szupernóvák, gammasugár-kitörések, kilonóvák és egyéb csillagászati tranziensek észlelésére. Alapvetően fontos, hogy az új programban szereplő küldetéseknek képesnek kell lenniük együttműködni és támogatni a LIGO földi megfigyeléseit, a Cserenkov távcső tömb és a Jégkocka neutrínó detektor, amelyhez egy „2. generációs” detektor is javasolt.
Elegendően finanszírozott?
Az évtizedes felmérés ajánlásaira adott általános válaszok többnyire pozitívak voltak, a NASA, a Országos Optikai-Infravörös Csillagászati Kutatólaboratórium (NOIRLab) és a Nemzeti Rádiócsillagászati Obszervatórium (NRAO) mindannyian jóváhagyó pecsétjüket adják rá. Harrison szerint a következő lépés az, hogy meggyőzzék a politikusokat, hogy váljanak meg azoktól az alapoktól, amelyekre szükség lesz a nagyszerű megfigyelőközpontok megvalósításához.
A következő lépés az, hogy meggyőzzük a politikusokat, hogy váljanak meg azoktól az alapoktól, amelyekre szükség lesz a nagyszerű megfigyelőközpontok megvalósításához.
Fiona Harrison, California Institute of Technology
„Most minden bizonnyal magam és Robert Kennicutt [Harrison társelnöktársa az Arizonai Egyetemről és a Texasi A&M Egyetemről] az a fókusz, hogy megpróbáljuk kifejezni a Kongresszus előtt a felmérés által javasolt lenyűgöző projektek izgalmát” – mondja. "Pozitív válasz volt a NASA-tól, és meg akarja valósítani az ajánlásokat, de a költségvetésnek ott kell lennie."
Ha ez a pénz meglesz, akkor Rieke körülbelül félmilliárd dollárra becsüli az optikai teleszkóp technológiájának kidolgozásához szükséges finanszírozást. „Akkor az évtized vége felé készen állunk arra, hogy az összes technológiai kacsa sorban üljön, és máris beléphetünk az építési fázisba” – mondja.
Az időbeosztások fenomenálisak. Ha a Hubble és a Chandra számít, a 2040-es években piacra dobott következő generációs távcsövek még a 2070-es években vagy azután is működőképesek lehetnek. Az évtizedes felmérés ajánlásai ezért nemcsak a csillagászat következő 10 évére nézve fontosak, hanem a század nagy részére gyakorolt hatásuk szempontjából is. Ezért óriási nyomás nehezedett a felmérésre, hogy helyes legyen.
„Ez az a hely, ahol fontos, hogy ambiciózus célokat tűzzünk ki” – mondja Rieke. „Meg kell találnod valamit, ami annyira fontos, hogy mindenki egyetértsen vele, és elég előrelépés ahhoz, hogy valami más ne ugorjon utol, miközben csinálod.” A történelem fogja eldönteni, hogy ez az évtizedes felmérés helyesen hozta-e meg kulcsfontosságú döntéseit, de mai szemszögből nézve az asztrofizika jövője izgalmasnak ígérkezik.
