'Observatorium besar' - teleskop ruang angkasa NASA generasi berikutnya, dan pengaruhnya terhadap pengamatan astronomi abad berikutnya

Hari Natal 2021 adalah saat yang membahagiakan bagi sebagian besar astronom di seluruh dunia, seperti saat yang sangat tertunda James Webb Space Telescope (JWST) akhirnya diluncurkan. Namun, kehebohan yang menyelimuti peluncurannya di ruang angkasa selama bulan depan, serta kegembiraan berikutnya atas gambar pertamanya, telah menutupi masalah yang meresahkan dalam pengamatan astronomi – yang merupakan sebagian besar armada NASA yang mengorbit di luar angkasa. adalah penuaan. Itu Teleskop Luar Angkasa Hubble telah bekerja sejak tahun 1990, sedangkan Observatorium Sinar-X Chandra diluncurkan hampir satu dekade kemudian. Sementara itu, rekan inframerah mereka, the Teleskop Luar Angkasa Spitzer, diluncurkan pada tahun 2003, tidak lagi beroperasi, telah ditutup pada tahun 2020.

Itu sebabnya para astronom khawatir jika sesuatu terjadi pada satu atau lebih dari teleskop yang semakin reyot ini, mereka dapat terputus dari seluruh petak spektrum elektromagnetik. Dengan dimatikannya Spitzer, inframerah-jauh (160 um) sudah di luar jangkauan karena JWST hanya menjelajah ke mid-infrared di 26 μm. Demikian pula, JWST tidak dioptimalkan untuk mengamati panjang gelombang tampak atau ultraviolet seperti yang dilakukan Hubble. Tentu, yang akan datang Teleskop Luar Angkasa Nancy Grace Roman – sebelumnya Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – adalah teleskop optik dan inframerah-dekat, tetapi bidang pandangnya jauh lebih luas daripada teleskop Hubble, artinya teleskop ini tidak ditujukan untuk pekerjaan detail dan jarak dekat; juga tidak memiliki cakupan ultraviolet Hubble.

Observatorium besar

Untuk memastikan pandangan kita tentang alam semesta di seluruh spektrum tetap cerah, para astronom AS saat ini sedang memilih kelompok teleskop ruang angkasa berikutnya. Rekomendasi utama dari survei dekade astronomi terbaru dari Akademi Sains, Teknik, dan Kedokteran Nasional AS – laporan setebal 614 halaman Jalur Penemuan dalam Astronomi dan Astrofisika untuk tahun 2020-an (Astro2020) – adalah untuk membuat rencana untuk generasi baru “observatorium hebat” yang akan mulai diluncurkan pada tahun 2040-an. Ini bergema ketika Chandra, Hubble, Spitzer dan Observatorium Sinar Gamma Compton (yang beroperasi antara tahun 1991 dan 2000 dan digantikan pada tahun 2008 oleh Fermi Space Telescope) sedang dikembangkan, dan digembar-gemborkan sebagai "observatorium besar".

Bekerja berdampingan untuk mempelajari alam semesta, teleskop ini telah mempelopori penelitian astrofisika NASA selama beberapa dekade. Penggunaan kembali frase "observatorium besar" dalam survei dekade baru ini disengaja, kata ketua bersama survei tersebut, Fiona Harrison dari Institut Teknologi California. “Untuk memahami bahwa pengamatan pankromatik, dari sinar-X hingga inframerah, sangat penting untuk astrofisika modern,” katanya. “Banyak keberhasilan observatorium besar [asli] adalah bahwa mereka dikembangkan dan diluncurkan satu demi satu, dengan pengamatan yang tumpang tindih.”

Membangun teleskop ruang angkasa yang sukses adalah proses yang panjang, biasanya memakan waktu 25 tahun dari awal pengembangan hingga diluncurkan. Pekerjaan konsep untuk Hubble dimulai pada tahun 1960-an, sementara rencana untuk JWST pertama kali dilakukan pada tahun 1995, setelah Gambar Hubble Deep Field menunjukkan bahwa galaksi pertama berada dalam jangkauan teleskop yang lebih besar. Oleh karena itu, generasi berikutnya dari wahana antariksa semacam itu tidak akan diluncurkan paling cepat hingga tahun 2040-an. Tapi mereka akan memasukkan rekomendasi nomor satu survei: misi unggulan untuk menggantikan Hubble, menarik inspirasi dari dua konsep – itu Observatorium Exoplanet Layak Huni (HabEx) dan UltraViolet Besar, Optik dan InfraRed (LUVOIR) teleskop. Juga di papan gambar adalah misi sinar-X dan teleskop yang dapat mengamati inframerah jauh.

Tetapi mengingat kesehatan yang genting dari teleskop luar angkasa kita saat ini, dan mengetahui misi baru tidak akan diluncurkan selama 20 tahun lagi, bukankah seharusnya para astronom mulai merencanakan observatorium besar baru bertahun-tahun yang lalu? "Pasti," kata Steven Kahn dari Stanford University, yang mengetuai salah satu panel dalam survei dekade yang mengamati teleskop ruang angkasa masa depan. Dia mengutip observatorium Constellation-X – sebuah pesawat ruang angkasa sinar-X yang direkomendasikan sebagai tindak lanjut Chandra dalam survei dekade 2000, tetapi tidak pernah membuahkan hasil karena pengembangan JWST yang berlarut-larut, yang menyedot semua anggaran astrofisika. “JWST pada dasarnya mendominasi program observatorium hebat di NASA selama dua setengah dekade,” jelas Kahn. "Akibatnya, tidak ada ruang untuk melakukan misi sinar-X lanjutan, atau jenis misi perintis inframerah-jauh yang kami bayangkan."

Pemenang mengambil semuanya 

Memang, pengembangan JWST melihat banyak masalah, termasuk pembengkakan biaya dan waktu pengembangan yang sangat besar, yang hampir membuat proyek tersebut dibatalkan. Ingatan akan kesalahan ini membayangi survei dekade baru, memengaruhi beberapa rekomendasi yang dibuat untuk memulihkan keseimbangan astrofisika di AS. Tapi tidak selalu seperti ini. Kahn menyesali bagaimana, sebelum survei tahun 2000, hanya dengan memasukkan daftar rekomendasi dalam survei sepuluh tahun sudah cukup untuk menjamin bahwa proyek atau misi Anda akan terwujud. Namun di era modern teleskop senilai $10 miliar, "Anda harus menjadi nomor satu atau Anda tidak akan menyelesaikannya" kata Kahn. “Masalahnya adalah bahwa dalam lingkungan pemenang-mengambil-semua ini, semua orang ingin memberikan semua lonceng dan peluit yang mereka bisa ke dalam sebuah proyek karena jika Anda berpikir Anda hanya akan mendapatkan satu kesempatan pada misi besar dalam 50 tahun ke depan. , Anda ingin menghitungnya.”

Cara berpikir inilah yang dapat menyebabkan masalah yang dihadapi dan disebabkan oleh JWST. Semakin kompleks suatu desain misi, semakin banyak instrumen dan kemampuan yang Anda inginkan untuk membuatnya berharga – yang berarti semakin mahal dan membutuhkan waktu lebih lama untuk berkembang. “Semua itu membawa kita kembali ke lingkaran setan pemenang mengambil semuanya,” lanjut Kahn.

Harrison setuju, menekankan bahwa survei dekade baru ini merupakan upaya untuk mencoba dan mengubah pendekatan astronomi AS. “Untuk survei dekadel untuk mengatakan, ini adalah hal nomor satu, kita perlu melakukannya tidak peduli apa pun, berapa pun biayanya, bukanlah pendekatan yang bertanggung jawab,” katanya. Dalam upaya untuk mengatasi ini, survei baru-baru ini membuat sejumlah proposal baru. Diantaranya adalah gagasan bahwa misi harus dirancang selaras dengan prioritas sains tertentu, daripada membiarkan konsep misi melarikan diri dengan sendirinya, dengan semua "lonceng dan peluit", mengutip Kahn.

Misalnya, salah satu pertanyaan sains utama yang dilihat panel Kahn adalah cara lubang hitam supermasif aktif di galaksi jauh yang berdebu memengaruhi pembentukan bintang. Pertambahan materi ke lubang hitam seperti itu akan dapat dideteksi oleh teleskop sinar-X beresolusi tinggi, sementara misi spektroskopi inframerah jauh akan dapat mengintip melalui debu dan menyelidiki garis spektral spesifik yang terkait dengan pembentukan bintang dan umpan balik dari angin lubang hitam. Harapannya, kedua misi tersebut dapat diluncurkan dalam beberapa tahun satu sama lain, dan beroperasi secara bersamaan. Namun, bentuk misi apa yang akan diambil masih belum jelas.

Sebelum survei decadal ada dua konsep misi - itu Observatorium Sinar-X Lynx dan Teleskop luar angkasa Origins – yang akan beroperasi pada panjang gelombang inframerah-menengah hingga jauh, dengan cermin teleskop berdiameter antara 6 dan 9 m. Masing-masing diperkirakan menelan biaya sekitar $5 miliar, tetapi survei decadal menyimpulkan bahwa biaya ini diremehkan dan kemampuan sains mereka tidak cukup sesuai dengan persyaratan yang dicari panel.

Misi unggulan

Dan inilah salah satu inovasi lain dari survei dekadel – yaitu, teleskop luar angkasa kelas baru yang disebut sebagai “kelas probe”, dengan anggaran beberapa miliar dolar. “Kami harus mengakui bahwa jika semuanya semahal JWST, akan sulit untuk membuat semua observatorium besar beroperasi pada waktu yang bersamaan,” kata Marcia Rieke dari Universitas Arizona, yang memimpin panel kedua tentang teleskop luar angkasa, dengan fokus pada rezim optik dan inframerah dekat. “Cara terbaik adalah memiliki satu misi unggulan, dan kemudian memiliki bagian lain dari spektrum elektromagnetik yang dicakup oleh misi penyelidikan.”

Memang, kemungkinan misi kelas probe sinar-X dan inframerah jauh juga dapat digabungkan dengan teleskop ultraviolet kelas probe. Perbaikan dalam lapisan cermin dan detektor selama beberapa dekade terakhir menunjukkan bahwa teleskop 1.5 m sebenarnya bisa lebih sensitif daripada Hubble pada panjang gelombang ultraviolet. “Itu akan memberikan ketahanan terhadap kegagalan Hubble,” kata Rieke.

Untuk membantu mengembangkan teleskop ruang angkasa masa depan ini, apakah mereka berjalan sebagai raksasa $ 10 miliar atau maju sebagai misi penyelidikan yang lebih sederhana (namun masih ambisius), survei decadal merekomendasikan agar NASA menciptakan teleskop baru. Misi Great Observatories dan Program Pematangan Teknologi. Itu tidak hanya mengembangkan teknologi, tetapi juga "mematangkan konsep misi", kata Harrison. Untuk bagiannya, NASA sudah mengadakan lokakarya sebagai bagian dari program baru ini dan telah menghasilkan draf panggilan untuk misi penyelidikan.

Jika misi sinar-X dan inframerah-jauh – untuk saat ini dijuluki “Api” dan “Asap” – akan menjadi kelas penyelidikan, maka observatorium besar unggulan tersebut akan menjadi pengganti langsung Teleskop Luar Angkasa Hubble yang telah lama ditunggu-tunggu. Konsep yang memimpin adalah LUVOIR, dan dua versi teleskop telah diusulkan: teleskop 15 m yang sangat ambisius, atau teleskop 8 m, yang terakhir masih akan menjadi teleskop luar angkasa terbesar yang pernah diluncurkan.

Bumi lainnya

Untuk alasan biaya dan kepraktisan, survei decadal merekomendasikan agar versi 15 m dikesampingkan, dan desain akhir menggabungkan bagian terbaik dari LUVOIR dan HabEx. Tujuan sains utama dari teleskop ini, jelas Rieke, adalah ia harus mampu mendeteksi planet bermassa Bumi di zona layak huni bintang. Untuk itu, panel Rieke terlibat dalam diskusi dengan komunitas exoplanet tentang berapa banyak planet berpotensi layak huni yang dapat dideteksi sebagai fungsi dari ukuran teleskop.

“Sebagai kelompok, Anda bertanya: apa tujuan utama sains? Berapa tingkat kepekaan yang dibutuhkan? Apa teleskop terkecil yang bisa melakukan pekerjaan itu?” kata Rieke. Jawaban yang dia dapatkan kembali adalah bahwa teleskop dengan bukaan 6–8 m berukuran sekecil yang Anda berani pergi jika Anda ingin menemukan planet ekstrasurya yang berpotensi layak huni.

Sukses bukan hanya tentang ukuran teleskop; instrumennya juga harus tergores. Berhasil mencitrakan planet seukuran Bumi yang dekat dengan bintangnya akan membutuhkan koronagraf sebagai bagian dari desainnya. Exoplanet seukuran Bumi biasanya tidak dapat dicitrakan karena silau bintangnya terlalu kuat. Koronagraf menghalangi cahaya bintang, membuatnya lebih mudah untuk melihat planet mana pun yang hadir. Mereka telah menjadi pokok studi Matahari selama beberapa dekade – nama mereka berasal dari pemblokiran piringan Matahari sehingga para astronom dapat melihat korona matahari. Tetapi merancang sebuah koronagraf yang dapat secara tepat memblokir cahaya terang dari sebuah bintang, yang pada dasarnya muncul sebagai sumber titik, sementara memungkinkan planet-planet yang hanya berjarak miliar detik dari bintang dapat terlihat dengan mengurangi kontras antara silau bintang dan cahaya planet menjadi 10^-10, adalah “langkah yang jauh melampaui apa pun yang telah kami lakukan sebelumnya”, kata Rieke.

Cukup didanai?

Tanggapan umum terhadap rekomendasi survei decadal sebagian besar positif, dengan NASA, the Laboratorium Penelitian Astronomi Optik-Inframerah Nasional (NOIRLab) dan Observatorium Astronomi Radio Nasional (NRAO) semua memberikan meterai persetujuan mereka. Langkah selanjutnya, kata Harrison, adalah meyakinkan politisi untuk menyerahkan dana yang akan dibutuhkan untuk membuat observatorium besar menjadi mungkin.

Langkah selanjutnya adalah meyakinkan politisi untuk memberikan dana yang akan dibutuhkan untuk membuat observatorium besar menjadi mungkin

Fiona Harrison, Institut Teknologi California

“Tentu saja fokus sekarang untuk saya dan Robert Kennicutt [sesama ketua bersama Harrison dari University of Arizona dan Texas A&M University] adalah untuk mencoba dan mengartikulasikan ke Kongres kegembiraan dari proyek-proyek menarik yang direkomendasikan oleh survei,” katanya. “Itu adalah tanggapan positif dari NASA, dan ingin membuat rekomendasi itu terjadi, tetapi anggarannya harus ada.”

Jika uang itu akan datang, maka Rieke memperkirakan dana yang dibutuhkan untuk mematangkan teknologi teleskop optik menjadi sekitar setengah miliar dolar. “Kami kemudian akan siap, menjelang akhir dekade ini, untuk memiliki semua bebek teknologi duduk berjejer dan kami akan dapat memasuki fase konstruksi,” katanya.

Rentang waktu yang terlibat sangat fenomenal. Jika Hubble dan Chandra adalah segalanya, teleskop generasi berikutnya yang diluncurkan pada tahun 2040-an masih dapat beroperasi pada tahun 2070-an atau lebih. Oleh karena itu, rekomendasi survei decadal tidak hanya penting untuk astronomi 10 tahun ke depan, tetapi juga dampaknya pada sebagian besar abad ini. Oleh karena itu ada tekanan yang luar biasa pada survei untuk melakukannya dengan benar.

“Di situlah penting untuk memilih tujuan yang ambisius,” kata Rieke. "Anda harus mengidentifikasi sesuatu yang sangat penting sehingga semua orang setuju, dan merupakan langkah maju yang cukup sehingga sesuatu yang lain tidak akan menyusul Anda saat Anda melakukannya." Sejarah akan menilai apakah survei dekadel ini mendapatkan keputusan kuncinya dengan benar, tetapi dari perspektif hari ini, masa depan astrofisika menjanjikan masa depan yang menarik.