אסטרונומים הפנו את עיניהם לעבר העתיד בעקבות סקר העשור האחרון של האקדמיות הלאומיות של ארה"ב לאסטרונומיה ואסטרופיזיקה, שהמליץ על דור חדש של טלסקופי חלל. קית 'קופר חוקר את הסיכויים שלהם, ואת הלקחים שנלמדו מהפיתוח הבעייתי של טלסקופ החלל ג'יימס ווב
יום חג המולד 2021 היה אירוע משמח עבור רוב האסטרונומים ברחבי העולם, כפי שהיה כאשר התעכב הרבה ג 'יימס ווב טלסקופ החלל (JWST) סוף סוף הושק. עם זאת, הרעש סביב התפרקותו בחלל במהלך החודש הבא, כמו גם הצהלה שלאחר מכן על התמונות הראשונות שלו, העלו בעיה מטרידה באסטרונומיה תצפיתית - שהיא חלק גדול משאר הצי של נאס"א של מצפה כוכבים המקיף בחלל. מזדקן. ה טלסקופ החלל האבל עובד מאז 1990, בעוד ה מצפה רנטגן צ'אנדרה הושק כמעט עשור לאחר מכן. בינתיים, בן ארצם האינפרא אדום, ה טלסקופ החלל שפיצר, שהושק ב-2003, אינו פועל עוד, לאחר שהושבת ב-2020.
זו הסיבה שאסטרונומים חוששים שאם יקרה משהו לאחד או יותר מהטלסקופים הרעועים יותר ויותר, הם עלולים להיות מנותקים מחלקים שלמים של הספקטרום האלקטרומגנטי. עם הכיבוי של שפיצר, האינפרא אדום הרחוק (160 מיקרומטר) כבר מחוץ להישג יד מכיוון שה-JWST יוצא לאינפרא אדום באמצע רק בגיל 26 מיקרומטר. באופן דומה, ה-JWST אינו מותאם לצפייה באורכי גל גלויים או אולטרה סגולים כמו האבל. בטח, הקרוב טלסקופ החלל הרומי ננסי גרייס – לשעבר Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – הוא טלסקופ אופטי וכמעט אינפרא אדום, אך שדה הראייה שלו רחב בהרבה מזה של האבל, כלומר אינו מיועד לעבודה מקרוב ומפורטת; וגם אין לו כיסוי אולטרה סגול של האבל.
מצפה כוכבים נהדר
כדי להבטיח שהראיה שלנו על היקום על פני הספקטרום תישאר בהירה, אסטרונומים אמריקאים בוחרים ובוחרים כעת את הקוהורט הבא של טלסקופי חלל. ההמלצה העיקרית של סקר העשור האסטרונומי האחרון מהאקדמיות הלאומיות למדעים, הנדסה ורפואה של ארה"ב - הדו"ח בן 614 העמודים נתיבים לגילוי באסטרונומיה ואסטרופיזיקה בשנות ה-2020 (Astro2020) - מיועדת להגדיר תוכניות לדור חדש של "מצפי כוכבים גדולים" שיתחילו להשיק בשנות ה-2040. זה מהדהד כאשר צ'נדרה, האבל, שפיצר וה מצפה הכוכבים של קומפטון גמא-ריי (שפעלה בין 1991 ל-2000 ויורש ב-2008 על ידי טלסקופ החלל פרמי) היו בפיתוח, ואשר הוכרזו כ"מצפי הכוכבים הגדולים".
טלסקופים אלה פועלים זה לצד זה כדי לחקור את היקום, והובילו את מחקר האסטרופיזיקה של נאס"א במשך עשרות שנים. השימוש החוזר בביטוי הזה "מצפי כוכבים גדולים" בסקר העשור החדש הוא מכוון, אומר יו"ר המשותף של הסקר, פיונה הריסון מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה. "זה כדי לעבור את הנקודה שתצפיות פנכרומטיות, מקרני רנטגן ועד אינפרא אדום, הן באמת חיוניות לאסטרופיזיקה המודרנית", היא אומרת. "הרבה מההצלחה של מצפה הכוכבים הגדולים [המקוריים] היא שהם פותחו והושקו בזה אחר זה, עם תצפיות חופפות".
בניית טלסקופ חלל מוצלח היא תהליך ארוך, בדרך כלל לוקח 25 שנים מתחילת הפיתוח ועד לשיגור. עבודת הקונספט עבור האבל החלה בשנות ה-1960, בעוד שתוכניות ה-JWST התאחדו לראשונה ב-1995, לאחר תמונות שדה עמוק של האבל הראה שהגלקסיות הראשונות נמצאות בהישג יד של טלסקופ גדול יותר. הדור הבא של בדיקות חלל כאלה לא ישוגר עד שנות ה-2040, לכל המוקדם. אבל הם יכללו את ההמלצה מספר אחת של הסקר: משימת דגל להחליף את האבל, השואבת השראה משני מושגים - מצפה כוכבי הלכת הניתן למגורים (HabEx) ו אולטרה סגול גדול, אופטי ואינפרא אדום (LUVOIR) טֵלֶסקוֹפּ. כמו כן, על לוח השרטוטים משימת רנטגן וטלסקופ שיכול לצפות באינפרא אדום הרחוק.
אבל בהתחשב במצב הבריאותי הרעוע של היבול הנוכחי של טלסקופי החלל, ובידיעה שהמשימות החדשות לא ישוגרו עוד 20 שנה, האם לא היו צריכים אסטרונומים להתחיל לתכנן מצפה כוכבים גדולים חדשים לפני שנים? "בטוח," אומר סטיבן קאן מאוניברסיטת סטנפורד, שעמד בראש אחד הפאנלים בסקר העשור שבחן טלסקופי חלל עתידיים. הוא מצטט את מצפה הכוכבים Constellation-X - בדיקת חלל רנטגן שהומלצה כהמשך לצ'נדרה בסקר העשור של שנת 2000, אך מעולם לא יצאה לפועל בגלל הפיתוח הממושך של ה-JWST, ששאב את הכל. תקציב האסטרופיזיקה. "ה-JWST שלט בעצם בתוכנית המצפה הגדולה בנאס"א במשך שניים וחצי עשורים", מסביר קאהן. "כתוצאה מכך, לא היה מקום לבצע משימת המשך של צילום רנטגן, או סוג של משימה חלוצית אינפרא-אדום רחוק שאנו רואים בעיני רוחנו".
המנצח לוקח את הכל
ואכן, הפיתוח של ה-JWST ראה בעיות רבות, כולל חריגות עצומות בעלויות ובזמן הפיתוח, שכמעט גרם לביטול הפרויקט. זיכרון הטעויות הללו מתנשא במהלך הסקר העשור החדש, ומשפיע על כמה מההמלצות שהוצעו להחזרת האיזון לאסטרופיזיקה בארה"ב. אבל זה לא תמיד היה ככה. קאהן מקונן כיצד, לפני הסקר של שנת 2000, עצם הכניסה לרשימת ההמלצות בסקר עשור הספיקה כדי להבטיח למעשה שהפרויקט או המשימה שלך יקרו. אבל בעידן המודרני של טלסקופים של 10 מיליארד דולר, "אתה חייב להיות מספר אחד או שאתה לא הולך לעשות את זה", אומר קאהן. "הבעיה היא שבסביבה הזו של מנצח לוקח הכל, כולם רוצים לזרוק את כל הפעמונים והשריקות שהם יכולים לפרויקט כי אם אתה חושב שאתה הולך לקבל רק הזדמנות אחת במשימה גדולה ב-50 השנים הבאות , אתה רוצה לגרום לזה להיחשב."
דרך החשיבה הזו היא שיכולה להוביל לבעיות שה-JWST התמודד וגרם להם. ככל שעיצוב משימה הופך מורכב יותר, כך אתה רוצה שיהיו לו יותר מכשירים ויכולת כדי להפוך אותו לכדאי - מה שאומר שהוא מתייקר ולוקח יותר זמן לפיתוחו. "כל אלה מחזירים אותנו למעגל הקסמים הזה של מנצח לוקח הכל", ממשיך קאהן.
הריסון מסכים, ומדגיש שהסקר העשור החדש הזה הוא ניסיון לנסות ולשנות את הגישה של האסטרונומיה האמריקאית. "כדי שסקר עשור יגיד, זה הדבר הראשון, אנחנו צריכים לעשות את זה לא משנה מה, בכל מחיר שזה יגמר, זו לא גישה אחראית", היא אומרת. בניסיון להתמודד עם זה, הסקר האחרון מעלה מספר הצעות חדשות. ביניהם הרעיון שיש לעצב משימות בהתאמה לסדרי עדיפויות מדעיים ספציפיים, במקום לאפשר למושג המשימה לברוח מעצמו, עם כל ה"פעמונים והשריקות", אם לצטט את קאהן.
לדוגמה, אחת משאלות המדע המרכזיות שהפאנל של קאהן בחן היא האופן שבו חורים שחורים סופר-מסיביים פעילים בגלקסיות רחוקות ומאובקות משפיעים על היווצרות כוכבים. הצטברות החומר על חורים שחורים כאלה תהיה ניתנת לזיהוי באמצעות טלסקופ קרני רנטגן בעל רזולוציה גבוהה, בעוד שמשימה ספקטרוסקופית אינפרא אדום רחוקה תוכל להציץ דרך האבק ולבחון קווים ספקטרליים ספציפיים הקשורים להיווצרות כוכבים ולמשוב מ רוחות חורים שחורים. התקווה היא ששתי המשימות יוכלו לצאת לדרך תוך שנים ספורות אחת מהשנייה, ולפעול ביחד. עם זאת, איזו צורה יקבלו המשימות הללו עדיין באוויר.
לפני הסקר העשור היו שני מושגי משימה - ה מצפה רנטגן של Lynx ו טלסקופ החלל Origins - שיפעל באורכי גל אינפרא אדום בינוני עד רחוק, עם מראה טלסקופ בקוטר של בין 6 ל-9 מ'. כל אחת מהן הוערכה בעלות של כ-5 מיליארד דולר, אך הסקר העשור הגיע למסקנה שהעלויות הללו היו מוזלות וכי היכולות המדעיות שלהן לא ממש התאימו לדרישות שהפאנל חיפש.
משימות דגל
וכאן נכנס אחד החידושים הנוספים של הסקר העשור - כלומר, סוג חדש של טלסקופ חלל המכונה "מחלקת בדיקה", עם תקציבים של כמה מיליארדי דולרים. "עלינו להכיר בכך שאם כל הדברים יהיו יקרים כמו JWST, יהיה קשה שכל המצפים הגדולים יפעלו בו זמנית", אומר מרסיה ריקה מאוניברסיטת אריזונה, שהוביל את הפאנל השני בנושא טלסקופי חלל, תוך התמקדות במשטר האופטי והקרוב לאינפרא אדום. "הדרך הטובה ביותר במקום זאת עשויה להיות משימת דגל אחת, ולאחר מכן לכסות את החלקים האחרים של הספקטרום האלקטרומגנטי על ידי משימות בדיקה."
ואכן, לכל משימות אפשריות של קרני רנטגן ואינפרא אדום רחוק ניתן להצטרף גם על ידי טלסקופ אולטרה סגול מסוג גשושית. שיפורים בציפויי מראה ובגלאים בעשורים האחרונים פירושו שטלסקופ באורך 1.5 מ' יכול להיות למעשה רגיש יותר מהאבל באורכי גל אולטרה סגול. "זה יספק חוסן מסוים נגד כישלון חד-ופעמי של האבל", אומרת ריקה.
כדי לסייע בפיתוח טלסקופי חלל עתידיים אלה, בין אם הם ממשיכים כבתים של 10 מיליארד דולר ובין אם הם הולכים קדימה כמשימות בדיקה צנועות יותר (אך עדיין שאפתניות), הסקר העשור ממליץ לנאס"א ליצור מכשיר חדש תוכנית התבגרות טכנולוגית של מצפה הכוכבים הגדול. זה לא רק יפתח את הטכנולוגיה, אלא גם "יבשיל את מושגי המשימה", אומר הריסון. מצדה, נאס"א כבר מקיימת סדנאות כחלק מהתוכנית החדשה הזו והפיקה טיוטת קול קורא למשימות בדיקה.
אם משימות הרנטגן והאינפרא-אדום הרחוקות - המכונים "אש" ו"עשן" לעת עתה - יהיו בדרגת בדיקה, אז מצפה הדגל הגדול יהיה התחליף הישיר המיוחל לטלסקופ החלל האבל. הרעיון שמוביל את הדרך הוא LUVOIR, ושתי גרסאות של הטלסקופ הוצעו: או טלסקופ שאפתני 15 מ', או טלסקופ 8 מ', שהאחרון עדיין יהיה טלסקופ החלל הגדול ביותר ששוגר אי פעם.
כדורי ארץ אחרים
מסיבות עלות ומעשיות, הסקר העשור המליץ שגרסת 15 מ' תיפול בצד, ושהעיצוב הסופי ימזג את החלקים הטובים ביותר של LUVOIR ושל HabEx כאחד. המטרה המדעית המרכזית של הטלסקופ הזה, מסבירה ריקה, היא שהוא צריך להיות מסוגל לזהות כוכבי לכת בגודל כדור הארץ באזור המגורים של כוכבים. לשם כך, הפאנל של רייק השתתף בדיון עם קהילת כוכבי הלכת על כמה כוכבי לכת שעלולים להיות ניתנים למגורים ניתן לזהות כפונקציה של גודל הטלסקופ.
"כקבוצה, אתם שואלים: מהן מטרות המדע המרכזיות? מהי רמת הרגישות הנדרשת? מהו הטלסקופ הקטן ביותר שיעשה את העבודה?" אומרת רייק. התשובה שהיא קיבלה חזרה הייתה שטלסקופ עם צמצם של 6-8 מ' קטן בערך כפי שאתה מעז ללכת אם אתה רוצה למצוא כוכבי לכת שעשויים למגורים.
הצלחה היא לא רק בגודל הטלסקופ; גם המכשירים שלו צריכים להיות עדינים. צילום מוצלח של כוכבי לכת בגודל כדור הארץ קרוב לכוכביהם ידרוש קורונגרף כחלק מהעיצוב שלו. בדרך כלל לא ניתן לצלם כוכבי לכת בגודל של כדור הארץ מכיוון שהבוהק של הכוכב שלהם משתלט מדי. קורונוגרפיה חוסמת את אור הכוכב, ומקלה לראות את כוכבי הלכת הנוכחים. הם היו מרכיב עיקרי במחקרים על השמש במשך עשרות שנים - שמם נובע מחסימת הדיסק של השמש כדי שאסטרונומים יוכלו לראות את עטרת השמש. אבל להמציא קורונגרף שיכול לחסום במדויק את האור הבהיר של כוכב, שנראה בעצם כמקור נקודתי, תוך שהוא מאפשר לכוכבי לכת רק אלפיות קשת מהכוכב להיראות על ידי הפחתת הניגוד בין בוהק הכוכב לאורם של כוכבי הלכת ל-10-10, הוא "די צעד מעבר לכל מה שעשינו בעבר", אומרת רייק.
מעבר לחלל, טלסקופים על הקרקע
לא כל ההמלצות של הסקר העשור קשורות לטלסקופים ענקיים בחלל. ואכן, חלקם הם טלסקופים ענקיים המושרשים היטב על כדור הארץ. למשל, השנוי במחלוקת טלסקופ שלושים מטר שייבנה במאונה קיה בהוואי, למרות המחאות של כמה ילידי הוואי, ממשיך להתקדם. כך גם ה טלסקופ גרנד מגלן, שנמצא בבנייה בצ'ילה ויכלול שבעה טלסקופים בקוטר 8.4 מ' שיעניקו קוטר אפקטיבי של 24.5 מ'.
הסקר גם ממליץ כי הדור הבא מערך גדול מאוד - 244 צלחות רדיו בקוטר 18 מ' ו-19 צלחות בקוטר 6 מ' הפרוסות על פני דרום מערב ארה"ב - אמורות להתחיל להיבנות עד סוף העשור. זה יחליף את מערך ה-Very Large המזדקן בניו מקסיקו ואת מערך הבסיס הארוך מאוד של המנות ברחבי ארה"ב. שדרוגים ל- מצפה אינטרפרומטר גדול של גלי כבידה (LIGO) ותוכניות ליורש בסופו של דבר מומלצות גם כן.
בינתיים, קוסמולוגים יתעודדו לשמוע שהסקר קורא גם למצפה קרקעי חדש, המכונה מצפה הכוכבים CMB Stage 4, כדי לזהות קיטוב בקרינת הרקע של המיקרוגל הקוסמית כדי לחפש עדויות לגלי כבידה ראשוניים שנבעו מאינפלציה קוסמית ברגעים המוקדמים ביותר של היקום.
לבסוף, בחזרה לחלל, העדיפות הגבוהה ביותר למשימות בקנה מידה בינוני היא תוכנית תחום זמן ורב-שליחים בתגובה מהירה שתחליף את חללית הסוויפט של נאס"א וזיהוי סופרנובות, התפרצויות קרני גמא, קילונובות וסוגים שונים אחרים של זמני חלוף אסטרונומיים. באופן מכריע, המשימות בתוכנית החדשה הזו צריכות להיות מסוגלות לעבוד ולתמוך בתצפיות הקרקעיות של LIGO, מערך טלסקופ צ'רנקוב ו קובית קרח גלאי נייטרינו, עבורו הומלץ גם גלאי "דור 2".
ממומן מספיק?
התגובה הכללית להמלצות הסקר העשור הייתה חיובית ברובה, כאשר נאס"א, ה המעבדה הלאומית לחקר אסטרונומיה אופטית-אינפרא אדום (NOIRLab) ו מצפה הכוכבים הלאומי לרדיו אסטרונומיה (NRAO) כולם נותנים לו את חותמתם. השלב הבא, אומר הריסון, הוא לשכנע פוליטיקאים להיפרד מהכספים שיידרשו כדי לאפשר את המצפים הגדולים.
השלב הבא הוא לשכנע פוליטיקאים להיפרד מהכספים שיידרשו כדי להפוך את המצפים הגדולים לאפשריים
פיונה הריסון, המכון הטכנולוגי של קליפורניה
"בהחלט הפוקוס כעת עבורי ועבור רוברט קניקוט [עמית היו"ר המשותף של האריסון מאוניברסיטת אריזונה ואוניברסיטת טקסס A&M] הוא לנסות ולנסח בפני הקונגרס את ההתרגשות מהפרויקטים המשכנעים המומלצים על ידי הסקר", היא אומרת. "זו הייתה תגובה חיובית מנאס"א, והיא רוצה להגשים את ההמלצות, אבל התקציב חייב להיות שם."
אם הכסף הזה יגיע, רייק מעריכה שהמימון הנדרש להבשלת הטכנולוגיה של הטלסקופ האופטי הוא כחצי מיליארד דולר. "אז נהיה מוכנים, לקראת סוף העשור הזה, שכל הברווזים הטכנולוגיים ישבו בשורה ונוכל להיכנס לשלב הבנייה", היא אומרת.
לוחות הזמנים המעורבים הם פנומנליים. אם האבל וצ'נדרה הם משהו שצריך ללכת לפיו, הטלסקופים של הדור הבא ששוגרו בשנות ה-2040 עדיין יכולים להיות פעילים בשנות ה-2070 או מעבר לכך. לכן ההמלצות של הסקר העשור חשובות לא רק לעשר השנים הבאות של האסטרונומיה, אלא להשפעתן על רוב המאה הזו. לכן היה לחץ עצום על הסקר לעשות את זה נכון.
"זה המקום שבו חשוב לבחור יעדים שאפתניים", אומרת רייק. "אתה צריך לזהות משהו שהוא כל כך חשוב שכולם יסכימו, והוא מספיק צעד קדימה כדי שמשהו אחר לא יעקוף אותך בזמן שאתה עושה את זה." ההיסטוריה תשפוט אם הסקר העשור הזה קיבל את החלטות המפתח שלו נכונות, אבל מנקודת המבט של היום, העתיד של האסטרופיזיקה מבטיח להיות מרגש.
