'훌륭한 천문대' – NASA의 차세대 우주 망원경과 관측 천문학의 다음 세기에 미치는 영향

2021년 크리스마스는 전 세계 대부분의 천문학자들에게 행복한 날이었습니다. 제임스 웹 우주 망원경 (JWST)가 드디어 출시되었습니다. 그러나 다음 달 우주에서 펼쳐지는 팡파르와 첫 번째 이미지에 대한 후속 환희는 관측 천문학의 골치 아픈 문제를 가렸습니다. NASA의 나머지 우주 기반 궤도 관측소 함대의 대부분입니다. 늙어가고 있다. 그만큼 허블 우주 망원경 1990년부터 활동해 왔지만, 찬드라 엑스레이 천문대 거의 XNUMX년 후에 출시되었습니다. 한편, 적외선 동포인 스피처 우주 망원경2003년에 출범한 는 2020년에 폐쇄되어 더 이상 운영되지 않습니다.

그렇기 때문에 천문학자들은 점점 불안정해지는 이 망원경 중 하나 이상에 어떤 일이 발생하면 전자기 스펙트럼의 전체 범위에서 차단될 수 있다고 걱정합니다. Spitzer의 종료로 원적외선(160 μm의)는 JWST가 26시에 중적외선으로만 모험하기 때문에 이미 손이 닿지 않습니다. μm. 비슷하게, JWST는 허블처럼 가시광선 또는 자외선 파장을 관찰하는 데 최적화되어 있지 않습니다. 물론, 앞으로 Nancy Grace Roman 우주 망원경 – 이전에는 WFIRST(Wide Field InfraRed Survey Telescope) – 광학 및 근적외선 망원경이지만 시야가 허블보다 훨씬 넓어서 근접하고 세부적인 작업에 적합하지 않습니다. 허블의 자외선 범위도 없습니다.

훌륭한 천문대

스펙트럼 전체에서 우주에 대한 우리의 시야가 밝게 유지되도록 하기 위해 미국 천문학자들은 현재 다음 우주 망원경 집단을 선택하고 선택하고 있습니다. 미국 국립 과학, 공학 및 의학 아카데미의 최신 천문 614년 조사의 주요 권장 사항 – XNUMX페이지 보고서 2020년대 천문학 및 천체 물리학의 발견 경로 (Astro2020) – 2040년대에 시작될 새로운 세대의 "훌륭한 천문대"를 위한 계획입니다. 이것은 Chandra, Hubble, Spitzer 및 Compton 감마선 천문대 (1991년에서 2000년 사이에 운영되었고 2008년에 페르미 우주 망원경에 의해 계승됨)이 개발되고 있었고 "위대한 천문대"로 예고되었습니다.

우주를 연구하기 위해 서로 협력하면서 이 망원경들은 수십 년 동안 NASA의 천체물리학 연구를 주도해 왔습니다. 새로운 XNUMX년 조사에서 "훌륭한 천문대"라는 문구를 재사용하는 것은 의도적이라고 조사의 공동 의장은 말합니다. 캘리포니아 공과 대학의 Fiona Harrison. "X선에서 적외선에 이르기까지 전정색 관측이 현대 천체물리학에 정말 필수적이라는 점을 이해하는 것입니다."라고 그녀는 말합니다. "[원래의] 위대한 천문대 성공의 많은 부분은 겹치는 관측을 통해 차례로 개발되고 출시되었다는 것입니다."

성공적인 우주 망원경을 만드는 것은 긴 과정이며 일반적으로 개발 시작부터 출시까지 25년이 걸립니다. 허블에 대한 개념 작업은 1960년대에 시작되었고 JWST에 대한 계획은 1995년에 처음 모였습니다. 허블 딥 필드 이미지 첫 번째 은하가 더 큰 망원경의 범위 내에 있음을 보여주었습니다. 따라서 차세대 우주 기반 탐사선은 빨라도 2040년대까지는 발사되지 않을 것입니다. 그러나 그들은 설문 조사의 첫 번째 권장 사항을 포함할 것입니다. 허블을 대체하는 주력 임무는 두 가지 개념에서 영감을 얻습니다. 거주 가능한 외계 행성 관측소(HabEx) 그리고 대형 자외선, 광학 및 적외선(LUVOIR) 망원경. 또한 드로잉 보드에는 엑스레이 미션과 원적외선으로 관찰할 수 있는 망원경이 있습니다.

그러나 현재 우주 망원경 작물의 불안정한 상태를 감안할 때 새로운 임무가 앞으로 20년 동안 시작되지 않을 것이라는 것을 알고 천문학자들은 몇 년 전에 새로운 훌륭한 천문대에 대한 계획을 시작해야 하지 않았습니까? "확실히"라고 말합니다. 스탠포드 대학의 스티븐 칸, 미래 우주 망원경을 보는 2000년 조사에서 패널 중 하나의 의장을 맡았습니다. 그는 XNUMX년 XNUMX년 조사에서 찬드라의 후속 조치로 추천된 X선 우주 탐사선인 Constellation-X 천문대를 인용하지만 JWST의 지연된 개발로 인해 결실을 맺지 못했습니다. 천체 물리학 예산. "JWST는 기본적으로 XNUMX년 동안 NASA의 위대한 천문대 프로그램을 지배했습니다."라고 Kahn은 설명합니다. "그 결과 후속 X선 임무나 우리가 구상하고 있는 선구적인 원적외선 임무를 수행할 여지가 없었습니다."

승자는 모든 것을 가져간다 

실제로 JWST의 개발은 프로젝트가 거의 취소될 뻔한 비용 및 개발 시간의 막대한 초과를 포함하여 많은 문제를 겪었습니다. 이러한 실수에 대한 기억은 새로운 2000년 조사에 크게 나타나 미국 천체물리학의 균형을 회복하기 위한 권장 사항 중 일부에 영향을 미칩니다. 하지만 항상 이랬던 것은 아닙니다. Kahn은 10년 설문 조사 이전에 50년 설문 조사에서 권장 사항 목록에 오르는 것만으로도 프로젝트나 임무가 수행될 것을 사실상 보장하기에 충분했다고 한탄합니다. 그러나 XNUMX억 달러 규모의 망원경이 있는 현대 시대에 "최고가 되어야 합니다. 그렇지 않으면 성공하지 못할 것입니다."라고 Kahn은 말합니다. “문제는 이 승자독식 환경에서 모든 사람들이 프로젝트에 할 수 있는 모든 종과 휘파람을 던지고 싶어한다는 것입니다. , 당신은 그것을 중요하게 만들고 싶습니다.”

JWST가 직면하고 야기한 문제로 이어질 수 있는 것은 바로 이러한 사고 방식입니다. 임무 설계가 복잡할수록 가치를 창출하기 위해 필요한 도구와 기능이 많아집니다. 즉, 비용이 더 많이 들고 개발하는 데 시간이 더 오래 걸립니다. Kahn은 “이 모든 것이 승자독식의 악순환으로 되돌아가게 합니다.

Harrison은 이 새로운 XNUMX년 조사가 미국 천문학의 접근 방식을 시도하고 변경하려는 시도라는 점을 강조하면서 동의합니다. "XNUMX년 조사에서 이것이 가장 중요한 점이라고 말하기 위해서는 어떤 대가를 치르더라도 책임 있는 접근 방식이 아니더라도 이를 수행해야 합니다."라고 그녀는 말합니다. 이에 대응하기 위한 시도로 최근 설문 조사는 여러 가지 새로운 제안을 제시합니다. 그 중에는 Kahn의 말을 인용하자면 임무 개념이 모든 "종소리"와 함께 저절로 사라지도록 허용하기보다는 특정 과학 우선 순위에 맞춰 임무를 설계해야 한다는 생각이 있습니다.

예를 들어, Kahn의 패널이 살펴본 핵심 과학 질문 중 하나는 멀리 떨어져 있는 먼지투성이 은하에 있는 활성 초대질량 블랙홀이 별 형성에 영향을 미치는 방식이었습니다. 이러한 블랙홀에 물질이 축적되는 것은 고해상도 X선 망원경으로 감지할 수 있으며, 원적외선 분광 임무는 먼지를 뚫고 별 형성 및 피드백과 관련된 특정 스펙트럼 라인을 조사할 수 있습니다. 블랙홀 바람. 희망은 두 임무가 서로 몇 년 안에 시작되어 조화롭게 운영될 수 있다는 것입니다. 그러나 이러한 임무가 어떤 형태를 취할지는 아직 알 수 없습니다.

XNUMX년 조사 이전에는 두 가지 임무 개념이 있었습니다. 스라소니 엑스레이 천문대 그리고 기원 우주 망원경 – 직경 6~9m의 망원경 거울과 함께 중적외선에서 원적외선 파장에서 작동합니다. 각각의 비용은 약 5억 달러로 추산되었지만 XNUMX년 조사에서는 이러한 비용이 과소 평가되고 있으며 과학 능력이 패널이 찾고 있는 요구 사항에 적합하지 않다는 결론을 내렸습니다.

기함 임무

그리고 여기에서 수십억 달러의 예산으로 "프로브 등급"이라고 하는 새로운 등급의 우주 망원경인 XNUMX년 조사의 다른 혁신 중 하나에 들어갑니다. "모든 것이 JWST만큼 비싸다면 모든 훌륭한 천문대를 동시에 운영하는 것이 어려울 것임을 인정해야 합니다."라고 말합니다. 애리조나 대학교의 Marcia Rieke, 그는 광학 및 근적외선 영역에 초점을 맞춘 우주 망원경에 대한 두 번째 패널을 이끌었습니다. "대신 가장 좋은 방법은 하나의 주력 임무를 수행한 다음 전자기 스펙트럼의 다른 부분을 탐사 임무로 처리하는 것입니다."

실제로 모든 가능한 X선 및 원적외선 프로브급 임무에는 프로브급 자외선 망원경이 합류할 수도 있습니다. 지난 수십 년 동안 거울 코팅과 감지기의 개선으로 인해 1.5m 망원경이 실제로 자외선 파장에서 허블 망원경보다 더 민감할 수 있습니다. "그것은 허블의 철저한 실패에 대한 어느 정도의 견고성을 제공할 것입니다."라고 Rieke는 말합니다.

이러한 미래 우주 망원경 개발을 돕기 위해 10억 달러 규모의 거대한 규모로 진행하든 더 겸손한(그러나 여전히 야심찬) 탐사 임무로 진행하든, XNUMX년 조사에서는 NASA가 새로운 위대한 천문대 미션 및 기술 성숙 프로그램. 그것은 단지 기술을 개발하는 것이 아니라 "임무 개념을 성숙시키는 것"이라고 Harrison은 말합니다. NASA는 이미 이 새로운 프로그램의 일환으로 워크숍을 개최하고 있으며 탐사 임무에 대한 초안을 작성했습니다.

지금은 "불"과 "연기"라는 별명을 가진 X선 및 원적외선 임무가 탐사선급이라면 플래그십 대천문대는 오랫동안 기다려온 허블 우주 망원경을 직접 대체하게 될 것입니다. 그 길을 이끄는 개념은 LUVOIR이며 두 가지 버전의 망원경이 제안되었습니다. 야심 찬 15m 망원경과 8m 망원경 중 후자는 여전히 발사된 가장 큰 우주 망원경이 될 것입니다.

다른 지구

비용과 실용성의 이유로 15년 조사에서는 XNUMXm 버전을 포기하고 최종 디자인에서 LUVOIR와 HabEx의 가장 좋은 부분을 융합할 것을 권장했습니다. Rieke는 이 망원경의 주요 과학 목표는 항성 거주 가능 구역에서 지구 질량 행성을 감지할 수 있어야 한다고 설명합니다. 이를 위해 Rieke의 패널은 망원경 크기의 함수로 얼마나 많은 잠재적으로 거주 가능한 행성을 감지할 수 있는지에 대해 외계 행성 커뮤니티와 토론했습니다.

“그룹으로서 여러분은 다음과 같이 질문합니다. 주요 과학 목표는 무엇입니까? 어떤 수준의 감도가 필요합니까? 그 일을 할 가장 작은 망원경은 무엇입니까?” 리에케는 말한다. 그녀가 돌아온 대답은 6-8m 조리개 망원경은 잠재적으로 거주 가능한 외계 행성을 찾고 싶다면 감히 갈 수 있는 만큼 작다는 것이었습니다.

성공은 망원경의 크기에 관한 것이 아닙니다. 그것의 악기도 스크래치까지 있어야합니다. 별에 가까운 지구 크기의 행성을 성공적으로 이미징하려면 디자인의 일부로 코로나그래프가 필요합니다. 지구 크기의 외계 행성은 별의 눈부심이 너무 강하기 때문에 일반적으로 이미지를 만들 수 없습니다. 코로나그래프는 별의 빛을 차단하여 참석한 행성을 더 쉽게 볼 수 있도록 합니다. 그것들은 수십 년 동안 태양에 대한 연구의 필수품이었습니다. 그것들의 이름은 천문학자들이 태양 코로나를 볼 수 있도록 태양의 원반을 막는 데서 유래했습니다. 그러나 본질적으로 점 광원으로 나타나는 별의 밝은 빛을 정확하게 차단할 수 있는 코로나그래프를 고안하는 동시에 별의 섬광과 행성의 빛 사이의 대비를 10으로 줄여 별에서 불과 밀리아크초 떨어진 행성을 볼 수 있도록 합니다.^{- 10}, "우리가 이전에 수행한 어떤 것보다 훨씬 더 큰 단계"라고 Rieke는 말합니다.

우주 너머, 지상의 망원경

XNUMX년 조사의 모든 권장 사항이 우주의 거대한 망원경과 관련된 것은 아닙니다. 실제로 그들 중 일부는 지구에 단단히 뿌리를 내린 거대한 망원경입니다. 예를 들어 논란이 되고 있는 XNUMX 미터 망원경 일부 하와이 원주민의 항의에도 불구하고 하와이의 마우나 케아에 건설될 예정이며 계속 전진하고 있습니다. 역시 마찬가지다. 그랜드 마젤란 망원경, 칠레에서 건설 중이며 8.4m의 유효 직경을 제공하는 24.5개의 XNUMXm 망원경을 특징으로 합니다.

설문 조사는 또한 다음을 권장합니다. 차세대 초대형 ​​어레이 – 직경 244m의 18개의 라디오 안테나와 직경 19m의 6개의 안테나가 미국 남서부 전역에 퍼져 있으며 XNUMX년 말까지 건설을 시작해야 합니다. 그것은 뉴멕시코의 노후화 된 Very Large Array와 미국 전역의 Very Long Baseline Array를 대체할 것입니다. 업그레이드 대간섭계 중력파 관측소 (LIGO) 및 최종 후계자에 대한 계획도 권장됩니다.

한편, 우주론자들은 우주팽창으로 인한 원시 중력파의 증거를 찾기 위해 우주 마이크로파 배경 복사의 편광을 탐지하기 위해 CMB 4단계 관측소라고 불리는 새로운 지상 관측소도 필요하다는 소식을 듣고 기뻐할 것입니다. 우주의 가장 초기 순간에.

마지막으로, 우주로 돌아가서 중간 규모 임무의 최우선 순위는 NASA의 스위프트 우주선을 대체하고 초신성, 감마선 폭발, 킬로노바 및 기타 다양한 종류의 천문학적 천이를 감지하기 위한 빠른 응답 시간 영역 및 다중 메신저 프로그램입니다. 결정적으로, 이 새로운 프로그램의 임무는 LIGO의 지상 관측을 지원하고 함께 작업할 수 있어야 합니다. Cherenkov 망원경 어레이 그리고 아이스 큐브 "2세대" 검출기도 권장되는 중성미자 검출기.

자금이 충분합니까?

XNUMX년 조사의 권장 사항에 대한 일반적인 반응은 대부분 긍정적이었습니다. 국립광적외선천문연구소(NOIRLab) 그리고 국립전파천문대(NRAO) 모두 승인 도장을 찍었습니다. 다음 단계는 위대한 천문대를 가능하게 만드는 데 필요한 자금을 정치인들이 사용하도록 설득하는 것이라고 Harrison은 말합니다.

다음 단계는 위대한 천문대를 가능하게 만드는 데 필요한 자금을 정치인들이 사용하도록 설득하는 것입니다.

피오나 해리슨, 캘리포니아 공과대학

"확실히 지금 저와 Robert Kennicutt[애리조나 대학과 텍사스 A&M 대학의 공동 의장인 해리슨의 동료]의 초점은 설문 조사에서 추천한 매력적인 프로젝트의 흥분을 의회에 알리는 것입니다."라고 그녀는 말합니다. "NASA의 긍정적인 반응이었고 권장 사항이 실현되기를 원하지만 예산이 있어야 합니다."

그 돈이 나올 경우 Rieke는 광학 망원경 기술을 성숙시키는 데 필요한 자금이 약 XNUMX억 달러가 될 것으로 추정합니다. "그러면 우리는 이 XNUMX년이 끝날 무렵 모든 기술 오리가 일렬로 앉아 건설 단계에 들어갈 수 있을 것입니다."라고 그녀는 말합니다.

관련된 시간 척도는 놀랍습니다. 허블과 찬드라를 기준으로 한다면 2040년대에 출시된 차세대 망원경은 2070년대 또는 그 이후에도 여전히 작동할 수 있습니다. 따라서 10년 조사의 권장 사항은 천문학의 향후 XNUMX년뿐만 아니라 금세기의 많은 부분에 미치는 영향에도 중요합니다. 따라서 설문조사를 제대로 해야 한다는 엄청난 압력이 있었습니다.

"야심찬 목표를 선택하는 것이 중요합니다."라고 Rieke는 말합니다. "모든 사람이 동의할 만큼 중요하고, 수행하는 동안 다른 일이 당신을 따라잡지 못할 만큼 충분히 앞으로 나아가는 것을 식별해야 합니다." 역사는 이 XNUMX년 조사가 핵심 결정이 올바른지 판단할 것이지만, 오늘날의 관점에서 천체물리학의 미래는 흥미진진할 것입니다.