天文学者は、米国国立アカデミーによる天文学と天体物理学に関する最新の XNUMX 年間の調査を受けて、未来に目を向けており、新世代の宇宙望遠鏡が推奨されています。 キース・クーパー 彼らの展望と、ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の問題を抱えた開発から学んだ教訓を探る
2021 年のクリスマスは、世界中のほとんどの天文学者にとって喜ばしい機会でした。 ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 （JWST）がついに発足しました。 しかし、翌月の宇宙での展開を取り巻くファンファーレと、その後の最初の画像に対する歓喜は、観測天文学における厄介な問題を覆い隠しています。老化しています。 の ハッブル宇宙望遠鏡 は 1990 年から活動しているが、 チャンドラX線天文台 約XNUMX年後に発売されました。 一方、赤外線の同胞である スピッツァー宇宙望遠鏡は 2003 年に開始されましたが、2020 年に閉鎖され、現在は稼働していません。
そのため、天文学者は、これらのますますガタガタする望遠鏡の 160 つまたは複数に何かが起こった場合、電磁スペクトル全体から遮断される可能性があると心配しています。 スピッツァーのシャットダウンにより、遠赤外線 (XNUMX ミクロン) は、JWST が 26 で中赤外線にしか挑戦していないため、すでに手の届かないところにあります。 μm。 同様に、 JWST は、ハッブルのように可視または紫外波長を観測するために最適化されていません。 確かに、今後の ナンシーグレースローマン宇宙望遠鏡 – 以前は広視野赤外線サーベイ望遠鏡 (WFIRST) – は光学および近赤外線望遠鏡ですが、その視野はハッブルのものよりもはるかに広いため、クローズアップの詳細な作業には向いていません。 また、ハッブルの紫外線範囲もありません。
素晴らしい天文台
スペクトル全体の宇宙の視界が明るいままであることを確認するために、米国の天文学者は現在、宇宙望遠鏡の次のコホートを選んで選択しています. 米国国立科学アカデミー、工学アカデミー、医学アカデミーによる最新の天文学的 614 年調査の主な推奨事項 - XNUMX ページのレポート 2020年代の天文学と天体物理学における発見への道 (Astro2020) – 2040 年代に打ち上げを開始する新世代の「偉大な天文台」の計画が実施される予定です。 これは、チャンドラ、ハッブル、スピッツァー、 コンプトンガンマ線天文台 (1991 年から 2000 年の間に運用され、2008 年にフェルミ宇宙望遠鏡に引き継がれました) が開発され、「偉大な天文台」として知らされました。
これらの望遠鏡は互いに協力して宇宙を研究し、何十年にもわたって NASA の天体物理学研究の先頭に立ってきました。 新しい XNUMX 年調査におけるこの「偉大な天文台」という言葉の再利用は、意図的なものであると調査の共同議長は述べています。 カリフォルニア工科大学のフィオナ・ハリソン. 「X 線から赤外線まで、パンクロマティック観測が現代の天体物理学にとって本当に不可欠であることを理解するためです」と彼女は言います。 「[元の] 偉大な天文台の成功の多くは、それらが次々と開発され、観測が重複して打ち上げられたことにあります。」
宇宙望遠鏡を成功させるには長いプロセスが必要で、通常、開発の開始から打ち上げまでに 25 年かかります。 ハッブルの構想作業は 1960 年代に始まり、JWST の計画は 1995 年に初めてまとめられました。 ハッブル ディープ フィールド画像 最初の銀河がより大きな望遠鏡の範囲内にあることを示しました。 したがって、そのような次世代の宇宙ベースの探査機は、早くても 2040 年代まで打ち上げられないでしょう。 しかし、調査の一番の推奨事項が含まれます。それは、ハッブルに代わる旗艦ミッションであり、XNUMX つの概念から着想を得ています。 ハビタブル太陽系外惑星観測所 (HabEx) と 大型紫外線、光学および赤外線 (LUVOIR) 望遠鏡。 また、X 線ミッションと遠赤外線で観測できる望遠鏡も計画中です。
しかし、現在の宇宙望遠鏡の健康状態が不安定であり、新しいミッションがさらに 20 年間開始されないことを知っていることを考えると、天文学者は何年も前に新しい素晴らしい天文台の計画を開始すべきではなかったのでしょうか? 「確かに」と言う スタンフォード大学のスティーブン・カーン彼は、将来の宇宙望遠鏡を検討する 2000 年にわたる調査のパネルの XNUMX つを議長を務めました。 彼は、XNUMX 年の XNUMX 年間の調査でチャンドラのフォローアップとして推奨された X 線宇宙探査機であるコンステレーション X 天文台を挙げていますが、JWST の長期にわたる開発のために実現することはありませんでした。天体物理予算。 「JWST は基本的に、NASA の素晴らしい天文台プログラムを XNUMX 年にわたって支配していました」とカーンは説明します。 「その結果、後続の X 線ミッション、または私たちが想定しているような先駆的な遠赤外線ミッションを行う余地がありませんでした。」
勝者はそれをすべて取ります
実際、JWST の開発では、コストと開発時間の大幅な超過を含む多くの問題が発生し、プロジェクトはほとんどキャンセルされました。 これらの過ちの記憶は、新しい 2000 年間の調査に大きな影を落としており、米国で天体物理学のバランスを回復するために行われたいくつかの推奨事項に影響を与えています。 しかし、いつもこうだったわけではありません。 カーンは、10 年の調査以前は、50 年間の調査で推奨事項のリストに載っただけで、プロジェクトやミッションが実現することを事実上保証するのに十分だったことを嘆いています。 しかし、XNUMX 億ドルの望遠鏡が存在する現代では、「ナンバー XNUMX にならなければなりません。さもなければ、それを実現することはできません」とカーンは言います。 「問題は、この勝者総取りの環境では、誰もがプロジェクトにできる限りの機能を追加したいと考えていることです。なぜなら、今後 XNUMX 年間に大きなミッションを達成できるのは XNUMX 回だけだと思うのであれば、 、あなたはそれを数えたいと思っています。
JWST が直面し、引き起こした問題につながる可能性があるのは、この考え方です。 ミッションの設計が複雑になればなるほど、それを価値のあるものにするために必要な機器や機能が増えます。つまり、より高価になり、開発に時間がかかります。 「そのすべてが、勝者がすべてを取るというこの悪循環に私たちを逆戻りさせます」とカーンは続けます。
ハリソンは同意し、この新しい XNUMX 年間の調査は、米国の天文学のアプローチを変えようとする試みであることを強調しています。 「XNUMX 年にわたる調査で、これが一番重要なことであり、最終的にどんな犠牲を払っても、責任あるアプローチではないことを示す必要があります」と彼女は言います。 これに対抗する試みとして、最近の調査では多くの新しい提案がなされています。 その中には、カーンの言葉を引用すると、ミッションの概念がすべての「添え物」とともにそれ自体で暴走するのを許すのではなく、特定の科学の優先事項に合わせてミッションを設計する必要があるという考えがあります。
たとえば、カーンのパネルが検討した重要な科学的問題の XNUMX つは、遠く離れた塵の多い銀河の活動的な超大質量ブラック ホールが星の形成にどのように影響するかということでした。 このようなブラック ホールへの物質の降着は、高角度分解能の X 線望遠鏡で検出できますが、遠赤外線分光ミッションは、塵を透視して、星の形成と星からのフィードバックに関連する特定のスペクトル線を調べることができます。ブラックホール風。 XNUMX つのミッションが数年以内に開始され、連携して運用されることが期待されています。 ただし、これらのミッションがどのような形になるかはまだ不明です。
XNUMX 年間の調査に先立って、XNUMX つのミッションの概念がありました。 リンクス X 線天文台 と Origins宇宙望遠鏡 – 直径 6 ～ 9 m の望遠鏡ミラーを使用して、中～遠赤外線の波長で動作します。 それぞれの費用は約 5 億ドルと見積もられていましたが、XNUMX 年間の調査では、これらの費用は過小評価されており、その科学的能力は委員会が求めていた要件に完全には適合していないと結論付けられました。
旗艦ミッション
そして、ここで XNUMX 年調査の他のイノベーションの XNUMX つ、つまり「プローブ クラス」と呼ばれる数十億ドルの予算を持つ新しいクラスの宇宙望遠鏡が登場します。 「すべてがJWSTと同じくらい高価になる場合、すべての優れた天文台を同時に運用することは困難になることを認めなければなりません」と彼は言います. アリゾナ大学のマルシア・リーケ、宇宙望遠鏡に関する XNUMX 番目のパネルを率いて、光学および近赤外線領域に焦点を当てました。 「代わりに、XNUMX つの旗艦ミッションを実施し、その後、電磁スペクトルの他の部分をプローブ ミッションでカバーすることが最善の方法かもしれません。」
実際、可能なX線および遠赤外線プローブクラスのミッションには、プローブクラスの紫外線望遠鏡も参加できます。 過去数十年にわたるミラー コーティングと検出器の改良により、1.5 m の望遠鏡は実際にはハッブル望遠鏡よりも紫外波長の感度が高くなる可能性があります。 「これにより、ハッブルの完全な失敗に対してある程度の堅牢性が得られます」と Rieke は言います。
これらの将来の宇宙望遠鏡の開発を支援するために、それらが 10 億ドルの巨人として進行するか、より控えめな (しかしまだ野心的な) 探査ミッションとして進行するかにかかわらず、XNUMX 年に及ぶ調査では、NASA が新しい宇宙望遠鏡を作成することを推奨しています。 Great Observatory のミッションと技術の成熟プログラム. 技術を開発するだけでなく、「ミッションの概念を成熟させる」ことにもなるとハリソンは言います。 NASA は、この新しいプログラムの一環として既にワークショップを開催しており、探査ミッションの草案を作成しています。
今のところ「火」と「煙」と呼ばれるX線と遠赤外線のミッションがプローブクラスになる場合、旗艦の大天文台は、待望のハッブル宇宙望遠鏡の直接の代替となります。 先導的なコンセプトは LUVOIR であり、望遠鏡の 15 つのバージョンが提案されています。非常に野心的な 8 m 望遠鏡、または XNUMX m 望遠鏡のいずれかで、後者は依然としてこれまでに打ち上げられた最大の宇宙望遠鏡です。
その他の地球
コストと実用性の理由から、15 年間の調査では、XNUMX m バージョンは見送られ、最終設計では LUVOIR と HabEx の両方の最良の部分が融合されていることが推奨されました。 この望遠鏡の重要な科学的目標は、恒星のハビタブル ゾーンにある地球質量の惑星を検出できるようにすることだと Rieke 氏は説明します。 そのために、Rieke のパネルは、望遠鏡のサイズの関数として検出できる可能性のある居住可能な惑星の数について、太陽系外惑星コミュニティとの議論に取り組みました。
「グループとして、次のように尋ねます。主要な科学的目標は何ですか? どの程度の感度が必要ですか？ その仕事をする最小の望遠鏡は何ですか?」 リエケは言います。 彼女が返した答えは、居住可能な系外惑星を見つけたい場合、口径 6 ～ 8 m の望遠鏡は、あなたが挑戦するのと同じくらい小さいということでした。
ただし、成功は望遠鏡のサイズだけではありません。 その楽器もスクラッチする必要があります。 恒星に近い地球サイズの惑星の画像化に成功するには、その設計の一部としてコロナグラフが必要になります。 地球サイズの太陽系外惑星は、星のまぶしさが強すぎるため、通常は画像化できません。 コロナグラフは星の光を遮り、参加している惑星を見やすくします。 それらは何十年もの間、太陽の研究の主要な要素であり続けてきました。それらの名前は、天文学者が太陽コロナを見ることができるように太陽の円盤を遮ることに由来しています。 しかし、星のまぶしい光と惑星の光とのコントラストを 10 に減らすことで、星からわずか数ミリ秒離れたところにある惑星を見えるようにしながら、本質的に点光源として見える星の明るい光を正確に遮ることができるコロナグラフを考案しました。-10は、「これまでに行ったことをはるかに超えています」と Rieke 氏は言います。
宇宙を超えて、地上の望遠鏡
XNUMX 年にわたる調査の推奨事項のすべてが宇宙の巨大な望遠鏡に関連しているわけではありません。 実際、それらのいくつかは地球にしっかりと根付いた巨大な望遠鏡です。 たとえば、物議を醸す XNUMXメートル望遠鏡 ハワイのマウナ・ケア山に建設される計画は、一部のハワイ先住民の抗議にもかかわらず、前進し続けています。 もそうです グランドマゼラン望遠鏡はチリで建設中で、有効直径 8.4 m の 24.5 つの XNUMX m 望遠鏡を備えています。
この調査では、 次世代の超大規模アレイ – 米国南西部に広がる直径 244 m の 18 基のラジオ アンテナと 19 基の直径 6 m のアンテナ – は、XNUMX 年間の終わりまでに建設を開始する必要があります。 それは、ニューメキシコ州の老朽化したベリーラージアレイと、米国中のベリーロングベースラインアレイのディッシュに取って代わります。 へのアップグレード 大型干渉計重力波観測所 （LIGO）や後継者の計画もお勧めです。
一方、宇宙学者は、宇宙インフレーションに起因する原始重力波の証拠を探すために、宇宙マイクロ波背景放射の分極を検出するために、CMBステージ4観測所と呼ばれる新しい地上観測所も調査で求められていると聞いて元気づけられるでしょう。宇宙の最も初期の瞬間に。
最後に、宇宙に戻ると、中規模ミッションの最優先事項は、NASA の Swift 宇宙船に取って代わり、超新星、ガンマ線バースト、キロノバ、およびその他のさまざまな種類の天文学的な過渡現象を検出するための高速応答時間領域およびマルチメッセンジャー プログラムです。 重要なことに、この新しいプログラムのミッションは、LIGO の地上ベースの観測と連携し、サポートできる必要があります。 チェレンコフ望遠鏡アレイ と アイスキューブ 「ジェネレーション2」検出器も推奨されているニュートリノ検出器。
十分な資金？
XNUMX 年間の調査の勧告に対する一般的な反応は、おおむね肯定的でした。 国立光赤外線天文学研究所 (NOIRLab) と 国立電波天文台 (NRAO) すべてがそれに承認の印を付けます。 ハリソン氏によると、次のステップは政治家を説得して、素晴らしい天文台を可能にするために必要な資金を手放すことです。
次のステップは、偉大な天文台を可能にするために必要な資金を手放すよう政治家を説得することです
フィオナ・ハリソン、カリフォルニア工科大学
「私とロバート・ケニカット [アリゾナ大学とテキサス A&M 大学のハリソンの仲間の共同議長] の現在の焦点は、調査によって推奨された説得力のあるプロジェクトの興奮を議会に伝えようとすることです」と彼女は言います。 「NASA からは肯定的な反応がありました。NASA は推奨事項を実行したいと考えていますが、予算が必要です。」
その資金が来るとすれば、Rieke は、光学望遠鏡の技術を成熟させるために必要な資金は約 XNUMX 億ドルになると見積もっています。 「その後、この XNUMX 年間の終わり近くに、すべてのテクノロジー アヒルが一列に並び、建設段階に入ることができるようになるでしょう」と彼女は言います。
関連するタイムスケールは驚異的です。 ハッブルとチャンドラが問題ないとすれば、2040 年代に打ち上げられた次世代の望遠鏡は、2070 年代またはそれ以降も稼働し続ける可能性があります。 したがって、10 年間の調査の推奨事項は、今後 XNUMX 年間の天文学にとって重要であるだけでなく、今世紀の大部分への影響についても重要です。 そのため、調査を正しく行わなければならないという大きなプレッシャーがありました。
「野心的な目標を設定することが重要です」と Rieke 氏は言います。 「誰もが同意するほど重要なことを特定する必要があり、それを行っている間に他の何かがあなたを追い越すことのないように、一歩前進するのに十分なものです。」 この XNUMX 年に及ぶ調査が重要な決定を正しく下したかどうかは歴史が判断しますが、今日の視点から見ると、天体物理学の未来は刺激的なものになることが約束されています。
