Astronomen hebben hun blik op de toekomst gericht na het laatste decenniumonderzoek van de Amerikaanse National Academies op het gebied van astronomie en astrofysica, waarin een nieuwe generatie ruimtetelescopen werd aanbevolen. Keith Kuiper onderzoekt hun vooruitzichten en de lessen die zijn getrokken uit de moeilijke ontwikkeling van de James Webb Space Telescope
Kerstdag 2021 was voor de meeste astronomen over de hele wereld een gelukkige gelegenheid, net als toen de veel uitgestelde James Webb Space Telescope (JWST) werd eindelijk gelanceerd. De tamtam rond zijn ontplooiing in de ruimte in de komende maand, evenals de daaropvolgende jubel over de eerste beelden, hebben echter een verontrustend probleem in de waarnemingsastronomie gemaskeerd - dat is dat een groot deel van de rest van NASA's vloot van in de ruimte gebaseerde observatoria wordt ouder. De Hubble-ruimtetelescoop werkt sinds 1990, terwijl de Chandra röntgenobservatorium werd bijna tien jaar later gelanceerd. Ondertussen, hun infrarood landgenoot, de Spitzer ruimtetelescoop, gelanceerd in 2003, werkt niet meer, aangezien het in 2020 is gesloten.
Daarom zijn astronomen bang dat als er iets zou gebeuren met een of meer van deze steeds gammelere telescopen, ze zouden kunnen worden afgesneden van hele delen van het elektromagnetische spectrum. Met de sluiting van Spitzer, de ver-infrarood (160 um) is al buiten bereik omdat de JWST zich pas op 26 in het midden-infrarood waagt μm. Evenzo, de JWST is niet geoptimaliseerd voor het waarnemen van zichtbare of ultraviolette golflengten zoals Hubble dat doet. Zeker, de komende Nancy Grace Roman Ruimtetelescoop - voorheen de Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) - is een optische en nabij-infraroodtelescoop, maar het gezichtsveld is veel breder dan dat van de Hubble, wat betekent dat hij niet geschikt is voor gedetailleerd werk van dichtbij; noch heeft het de ultraviolette dekking van Hubble.
Geweldige observatoria
Om ervoor te zorgen dat ons zicht op het universum over het hele spectrum helder blijft, kiezen Amerikaanse astronomen momenteel de volgende cohort van ruimtetelescopen. De belangrijkste aanbeveling van het laatste astronomische tienjaarlijkse onderzoek van de Amerikaanse National Academies of Sciences, Engineering and Medicine - het 614 pagina's tellende rapport Pathways to Discovery in astronomie en astrofysica voor de jaren 2020 (Astro2020) - is bedoeld om plannen te maken voor een nieuwe generatie "grote observatoria" die in de jaren 2040 van start gaan. Dit echoot wanneer Chandra, Hubble, Spitzer en de Compton Gamma-Ray Observatorium (die werkte tussen 1991 en 2000 en in 2008 werd opgevolgd door de Fermi Space Telescope) werden ontwikkeld en werden aangekondigd als de "grote observatoria".
Deze telescopen werken samen om het heelal te bestuderen en zijn al tientallen jaren de speerpunt van NASA's astrofysisch onderzoek. Het hergebruik van deze uitdrukking "grote observatoria" in het nieuwe tienjarige onderzoek is opzettelijk, zegt de medevoorzitter van het onderzoek, Fiona Harrison van het California Institute of Technology. "Het is om duidelijk te maken dat panchromatische waarnemingen, van röntgenstralen tot infrarood, echt essentieel zijn voor moderne astrofysica", zegt ze. "Een groot deel van het succes van de [oorspronkelijke] grote observatoria is dat ze een voor een werden ontwikkeld en gelanceerd, met overlappende waarnemingen."
Het bouwen van een succesvolle ruimtetelescoop is een lang proces, dat doorgaans 25 jaar in beslag neemt vanaf het begin van de ontwikkeling tot de lancering. Het conceptwerk voor Hubble begon in de jaren zestig, terwijl de plannen voor de JWST voor het eerst samenkwamen in 1960, na de Hubble Deep Field-afbeeldingen toonde aan dat de eerste sterrenstelsels binnen het bereik van een grotere telescoop zijn. De volgende generatie van dergelijke op de ruimte gebaseerde sondes zal daarom op zijn vroegst in de jaren 2040 gelanceerd worden. Maar ze zullen de belangrijkste aanbeveling van de enquête bevatten: een vlaggenschipmissie ter vervanging van Hubble, geïnspireerd door twee concepten: de Bewoonbaar exoplaneetobservatorium (HabEx) en Groot ultraviolet, optisch en infrarood (LUVOIR) telescoop. Ook liggen op de tekentafel een röntgenmissie en een telescoop die in het ver-infrarood kan waarnemen.
Maar gezien de precaire gezondheid van onze huidige oogst van ruimtetelescopen, en wetende dat de nieuwe missies pas over 20 jaar worden gelanceerd, hadden astronomen dan niet jaren geleden moeten beginnen met het plannen van nieuwe grote observatoria? "Zeker," zegt Steven Kahn van Stanford University, die een van de panels voorzat in het tienjarige onderzoek naar toekomstige ruimtetelescopen. Hij haalt het Constellation-X observatorium aan – een röntgenruimtesonde die werd aanbevolen als vervolg op Chandra in het decenniumonderzoek van 2000, maar nooit tot bloei kwam vanwege de langdurige ontwikkeling van de JWST, die alle het astrofysicabudget. "De JWST domineerde in wezen het grote observatoriumprogramma bij NASA gedurende twee en een half decennium", legt Kahn uit. "Als gevolg hiervan was er geen ruimte om een volgende röntgenmissie uit te voeren, of het soort baanbrekende ver-infraroodmissie dat we voor ogen hebben."
De winnaar krijgt alles
De ontwikkeling van de JWST zag inderdaad veel problemen, waaronder enorme overschrijdingen in kosten en ontwikkelingstijd, waardoor het project bijna werd geannuleerd. De herinnering aan deze fouten doemt op tijdens het nieuwe tienjarige onderzoek en heeft invloed gehad op enkele van de aanbevelingen die zijn gedaan om het evenwicht in de astrofysica in de VS te herstellen. Maar het was niet altijd zo. Kahn betreurt het dat, voorafgaand aan de enquête van 2000, alleen al het feit dat je op de lijst met aanbevelingen in een decennium-enquête stond, voldoende was om vrijwel te garanderen dat je project of missie zou gebeuren. Maar in het moderne tijdperk van telescopen van $ 10 miljard, "moet je nummer één zijn, anders krijg je het niet voor elkaar", zegt Kahn. “Het probleem is dat in deze wereld waarin de winnaar alles krijgt, iedereen alle mogelijke toeters en bellen op een project wil gooien, want als je denkt dat je in de komende 50 jaar maar één kans krijgt op een grote missie, , je wilt het laten tellen.
Het is deze manier van denken die kan leiden tot de problemen waarmee de JWST te maken kreeg en veroorzaakte. Hoe complexer het ontwerp van een missie wordt, hoe meer instrumenten en mogelijkheden je wilt hebben om het de moeite waard te maken – wat betekent dat het duurder wordt en het langer duurt om het te ontwikkelen. "Dit alles brengt ons terug in deze vicieuze cirkel van winner takes all", vervolgt Kahn.
Harrison is het daarmee eens en benadrukt dat dit nieuwe tienjarige onderzoek een poging is om de benadering van de Amerikaanse astronomie te veranderen. "Als een tienjarig onderzoek zegt: dit is het belangrijkste, we moeten het doen, wat er ook gebeurt, tegen welke prijs dan ook, is geen verantwoorde aanpak", zegt ze. In een poging dit tegen te gaan, doet het recente onderzoek een aantal nieuwe voorstellen. Onder hen is het idee dat missies moeten worden ontworpen in overeenstemming met specifieke wetenschappelijke prioriteiten, in plaats van het missieconcept op zichzelf te laten lopen, met alle "toeters en bellen", om Kahn te citeren.
Een van de belangrijkste wetenschappelijke vragen waar het panel van Kahn naar keek, was bijvoorbeeld de manier waarop actieve superzware zwarte gaten in verre, stoffige sterrenstelsels de stervorming beïnvloeden. De aangroei van materie op zulke zwarte gaten zou detecteerbaar zijn voor een röntgentelescoop met een hoge hoekresolutie, terwijl een ver-infrarood spectroscopische missie in staat zou zijn om door het stof te turen en specifieke spectraallijnen te onderzoeken die verband houden met stervorming en feedback van winden van zwarte gaten. De hoop is dat de twee missies binnen een paar jaar na elkaar kunnen worden gelanceerd en tegelijkertijd kunnen opereren. Welke vorm die missies zullen aannemen, hangt echter nog in de lucht.
Voorafgaand aan het decenniumonderzoek waren er twee missieconcepten: de Lynx röntgenobservatorium en Origins ruimtetelescoop - dat zou werken op midden- tot ver-infrarode golflengten, met een telescoopspiegel met een diameter van 6 tot 9 m. Elk werd geschat op ongeveer $ 5 miljard, maar het tienjarige onderzoek concludeerde dat deze kosten werden onderschat en dat hun wetenschappelijke capaciteiten niet helemaal pasten in de vereisten waarnaar het panel op zoek was.
Vlaggenschip missies
En hier komt een van de andere innovaties van het decenniumonderzoek - namelijk een nieuwe klasse ruimtetelescopen die "sondeklasse" wordt genoemd, met budgetten van een paar miljard dollar. "We moeten erkennen dat als alles zo duur zou worden als JWST, het moeilijk zou zijn om alle grote observatoria tegelijkertijd te laten werken", zegt Marcia Rieke van de Universiteit van Arizona, die het tweede panel over ruimtetelescopen leidde, met de nadruk op het optische en nabij-infraroodregime. "De beste manier zou kunnen zijn om één vlaggenschipmissie te hebben en vervolgens de andere delen van het elektromagnetische spectrum te laten bestrijken door sondemissies."
Inderdaad, alle mogelijke röntgen- en ver-infrarood missies van sondeklasse zouden ook kunnen worden vergezeld door een ultraviolette telescoop van sondeklasse. Verbeteringen in spiegelcoatings en detectoren in de afgelopen decennia betekenen dat een telescoop van 1.5 m zelfs gevoeliger zou kunnen zijn dan Hubble bij ultraviolette golflengten. "Dat zou enige robuustheid bieden tegen het door en door falen van de Hubble", zegt Rieke.
Om deze toekomstige ruimtetelescopen te helpen ontwikkelen, of ze nu doorgaan als kolossen van $ 10 miljard of doorgaan als meer bescheiden (maar nog steeds ambitieuze) sondemissies, beveelt het tienjarige onderzoek aan dat NASA een nieuwe Great Observatories Mission and Technology Maturation Program. Het zou niet alleen de technologie ontwikkelen, maar ook "de missieconcepten rijpen", zegt Harrison. NASA van haar kant houdt al workshops als onderdeel van dit nieuwe programma en heeft een conceptoproep voor sondemissies opgesteld.
Als de röntgen- en ver-infraroodmissies - voorlopig "Vuur" en "Smoke" genoemd - van sondeklasse moeten zijn, dan zal het vlaggenschip van het grote observatorium de langverwachte directe vervanging zijn voor de Hubble-ruimtetelescoop. Het leidende concept is LUVOIR, en er zijn twee versies van de telescoop voorgesteld: ofwel een enorm ambitieuze telescoop van 15 m, of een telescoop van 8 m, waarvan de laatste nog steeds de grootste ruimtetelescoop zou zijn die ooit is gelanceerd.
Andere aardes
Om kosten- en praktische redenen adviseerde het tienjarige onderzoek om de 15 m-versie buiten de boot te laten vallen en dat het uiteindelijke ontwerp de beste delen van zowel LUVOIR als HabEx zou versmelten. Het belangrijkste wetenschappelijke doel van deze telescoop, legt Rieke uit, is dat hij in staat moet zijn om aardmassa-planeten in de bewoonbare zone van sterren te detecteren. Daartoe voerde het panel van Rieke een discussie met de exoplanetengemeenschap over hoeveel potentieel bewoonbare planeten konden worden gedetecteerd als functie van de grootte van de telescoop.
“Als groep vraag je je af: wat zijn de belangrijkste wetenschappelijke doelen? Welk niveau van gevoeligheid is nodig? Wat is de kleinste telescoop die de klus kan klaren?” zegt Rieke. Het antwoord dat ze terugkreeg was dat een telescoop met een diafragma van 6-8 m ongeveer zo klein is als je durft te gaan als je potentieel bewoonbare exoplaneten wilt vinden.
Succes gaat echter niet alleen over de grootte van de telescoop; ook zijn instrumenten moeten in orde zijn. Om met succes planeten ter grootte van de aarde dicht bij hun sterren in beeld te brengen, is een coronagraaf vereist als onderdeel van het ontwerp. Exoplaneten ter grootte van de aarde kunnen normaal gesproken niet in beeld worden gebracht omdat de schittering van hun ster te overweldigend is. Een coronagraaf blokkeert het licht van de ster, waardoor het gemakkelijker wordt om aanwezige planeten te zien. Ze zijn al tientallen jaren een hoofdbestanddeel van studies van de zon - hun naam komt van het blokkeren van de zonneschijf zodat astronomen de zonnecorona kunnen zien. Maar het bedenken van een coronagraaf die precies het heldere licht van een ster kan blokkeren, die in wezen een puntbron lijkt, terwijl planeten op slechts milliboogseconden van de ster zichtbaar kunnen worden gemaakt door het contrast tussen de schittering van de ster en het licht van de planeten terug te brengen tot 10-10, is “een hele stap verder dan alles wat we eerder hebben gedaan”, zegt Rieke.
Voorbij de ruimte, telescopen op de grond
Niet alle aanbevelingen van het decenniumonderzoek hebben betrekking op gigantische telescopen in de ruimte. Sommigen van hen zijn inderdaad gigantische telescopen die stevig op aarde zijn geworteld. Bijvoorbeeld de controversiële Dertig meter telescoop te bouwen op Mauna Kea in Hawaii, ondanks de protesten van enkele inheemse Hawaiianen, blijft vooruitgang boeken. Zo ook de Grote Magellan-telescoop, dat in aanbouw is in Chili en zeven telescopen van 8.4 m zal bevatten om een effectieve diameter van 24.5 m te geven.
Het onderzoek beveelt ook aan dat de Zeer grote array van de volgende generatie - 244 radioschotels met een diameter van 18 m en 19 schotels met een diameter van 6 m verspreid over het zuidwesten van de VS - zouden tegen het einde van het decennium moeten worden gebouwd. Het zal de verouderende Very Large Array in New Mexico en de Very Long Baseline Array van gerechten in de VS vervangen. Upgrades naar de Grote interferometer Zwaartekrachtgolfobservatorium (LIGO) en plannen voor een eventuele opvolger zijn ook aan te raden.
Ondertussen zullen kosmologen bemoedigd zijn te horen dat het onderzoek ook vraagt om een nieuw observatorium op de grond, het CMB Stage 4-observatorium genaamd, om polarisatie in de kosmische microgolfachtergrondstraling te detecteren om te zoeken naar bewijs van oerzwaartekrachtgolven die het gevolg zijn van kosmische inflatie in de vroegste momenten van het universum.
Eindelijk, terug in de ruimte, is de hoogste prioriteit voor middelgrote missies een snel reagerend tijddomein en multimessenger-programma om NASA's Swift-ruimtevaartuig te vervangen en supernova's, gammastraaluitbarstingen, kilonova's en verschillende andere soorten astronomische transiënten te detecteren. Cruciaal is dat de missies in dit nieuwe programma in staat moeten zijn om te werken met en ondersteuning te bieden aan de observaties op de grond van LIGO, de Cherenkov Telescoop Array en Ijsblokje neutrinodetector, waarvoor ook een "Generation 2"-detector is aanbevolen.
Voldoende gefinancierd?
De algemene reactie op de aanbevelingen van het decenniumonderzoek was overwegend positief, met NASA, de Nationaal optisch-infrarood astronomieonderzoekslaboratorium (NOIRLab) en Nationaal Radio Astronomie Observatorium (NRAO) allemaal hun zegel van goedkeuring geven. De volgende stap, zegt Harrison, is politici ervan te overtuigen afstand te doen van de fondsen die nodig zijn om de grote observatoria mogelijk te maken.
De volgende stap is politici ervan te overtuigen afstand te doen van de fondsen die nodig zijn om de grote sterrenwachten mogelijk te maken
Fiona Harrison, Californië Instituut voor Technologie
"Een focus voor mijzelf en Robert Kennicutt [Harrisons mede-covoorzitter van de Universiteit van Arizona en Texas A&M University] is nu zeker om te proberen de opwinding van de boeiende projecten die door de enquête worden aanbevolen, aan het Congres duidelijk te maken", zegt ze. "Het was een positieve reactie van NASA en het wil de aanbevelingen uitvoeren, maar het budget moet er zijn."
Mocht dat geld er komen, dan schat Rieke de financiering die nodig is om de technologie voor de optische telescoop te laten rijpen op ongeveer een half miljard dollar. "Tegen het einde van dit decennium zouden we klaar zijn om alle technologie-eenden op een rij te hebben en kunnen we de bouwfase ingaan", zegt ze.
De betrokken tijdschema's zijn fenomenaal. Als we afgaan op Hubble en Chandra, kunnen de telescopen van de volgende generatie die in de jaren 2040 zijn gelanceerd, nog steeds operationeel zijn in de jaren 2070 of daarna. De aanbevelingen van het decenniumonderzoek zijn daarom niet alleen belangrijk voor de komende 10 jaar astronomie, maar ook voor hun impact op een groot deel van deze eeuw. Er stond dan ook een enorme druk op de enquête om het goed te doen.
“Daar is het belangrijk om ambitieuze doelen te kiezen”, zegt Rieke. "Je moet iets identificeren dat zo belangrijk is dat iedereen het erover eens is, en het is voldoende een stap voorwaarts dat iets anders je niet zal inhalen terwijl je het doet." De geschiedenis zal beoordelen of dit tienjarige onderzoek de juiste beslissingen heeft genomen, maar vanuit het perspectief van vandaag belooft de toekomst van de astrofysica spannend te worden.
