"Store observatorier" – neste generasjon av NASAs romteleskoper, og deres innvirkning på det neste århundret med observasjonsastronomi

Juledag 2021 var en gledelig anledning for de fleste astronomer rundt om i verden, som det var da den mye forsinkede James Webb Space Telescope (JWST) ble endelig lansert. Fanfaren rundt dens utfoldelse i verdensrommet i løpet av den neste måneden, så vel som den påfølgende jubelen over de første bildene, har imidlertid maskert et urovekkende problem innen observasjonsastronomi – som er mye av resten av NASAs flåte av rombaserte baneobservatorier er aldrende. De Hubble Space Telescope har jobbet siden 1990, mens Chandra røntgenobservatorium ble lansert nesten et tiår senere. I mellomtiden, deres infrarøde landsmann, den Spitzer romteleskop, lansert i 2003, er ikke lenger i drift, etter å ha blitt lagt ned i 2020.

Det er grunnen til at astronomer er bekymret for at skulle noe skje med ett eller flere av disse stadig mer vaklevoren teleskopene, kan de bli avskåret fra hele deler av det elektromagnetiske spekteret. Med nedleggelsen av Spitzer, den fjerninfrarøde (160 mikrometer) er allerede utenfor rekkevidde siden JWST bare våger seg inn i det midt-infrarøde ved 26 μm. På samme måte, JWST er ikke optimalisert for å observere synlige eller ultrafiolette bølgelengder slik Hubble gjør. Jada, den kommende Nancy Grace romerske romteleskop – tidligere Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – er et optisk og nær-infrarødt teleskop, men synsfeltet er mye bredere enn Hubbles, noe som betyr at det ikke er rettet for detaljert arbeid på nært hold; den har heller ikke Hubbles ultrafiolette dekning.

Flotte observatorier

For å sikre at synet vårt av universet over hele spekteret forblir lyst, velger og velger amerikanske astronomer for øyeblikket neste kohort av romteleskoper. Hovedanbefalingen fra den siste astronomiske tiårsundersøkelsen fra US National Academies of Sciences, Engineering and Medicine – den 614 sider lange rapporten Veier til oppdagelse i astronomi og astrofysikk for 2020-tallet (Astro2020) - er for planer som skal settes på plass for en ny generasjon av "store observatorier" som skal starte lansering på 2040-tallet. Dette gir ekko når Chandra, Hubble, Spitzer og Compton Gamma-Ray Observatory (som opererte mellom 1991 og 2000 og ble etterfulgt i 2008 av Fermi Space Telescope) var under utvikling, og som ble innkalt som de "store observatoriene".

Disse teleskopene jobber sammen med hverandre for å studere universet, og har stått i spissen for NASAs astrofysikkforskning i flere tiår. Gjenbruken av denne frasen "store observatorier" i den nye tiårsundersøkelsen er bevisst, sier undersøkelsens medleder, Fiona Harrison fra California Institute of Technology. "Det er for å komme over poenget at pankromatiske observasjoner, fra røntgenstråler til infrarøde, er virkelig avgjørende for moderne astrofysikk," sier hun. "Mye av suksessen til de [opprinnelige] store observatoriene er at de ble utviklet og lansert etter hverandre, med overlappende observasjoner."

Å bygge et vellykket romteleskop er en lang prosess, som vanligvis tar 25 år fra utviklingsstart til lansering. Konseptarbeid for Hubble begynte på 1960-tallet, mens planene for JWST først kom sammen i 1995, etter at Hubble Deep Field-bilder viste at de første galaksene er innen rekkevidde av et større teleskop. Neste generasjon slike rombaserte sonder vil derfor ikke starte opp før tidligst på 2040-tallet. Men de vil inkludere undersøkelsens anbefaling nummer én: et flaggskipoppdrag for å erstatte Hubble, og henter inspirasjon fra to konsepter – Habitable Exoplanet Observatory (HabEx) og Stor ultrafiolett, optisk og infrarød (LUVOIR) teleskop. På tegnebrettet er også et røntgenoppdrag og et teleskop som kan observere i fjerninfrarødt.

Men gitt den prekære helsen til vår nåværende avling av romteleskoper, og vel vitende om at de nye oppdragene ikke vil starte før om 20 år, burde ikke astronomer ha begynt å planlegge for nye flotte observatorier for mange år siden? "Sikkert," sier Steven Kahn fra Stanford University, som ledet et av panelene i tiårsundersøkelsen som så på fremtidige romteleskoper. Han siterer Constellation-X-observatoriet – en røntgenromsonde som ble anbefalt som en oppfølging av Chandra i tiårsundersøkelsen i 2000, men som aldri ble realisert på grunn av den langvarige utviklingen av JWST, som sugde opp alt astrofysikkbudsjettet. "JWST dominerte i utgangspunktet det store observatorieprogrammet ved NASA i to og et halvt tiår," forklarer Kahn. "Som et resultat var det ikke plass til å utføre et oppfølgende røntgenoppdrag, eller den typen banebrytende langt-infrarødt oppdrag som vi ser for oss."

Vinneren tar alt 

Faktisk så JWSTs utvikling mange problemer, inkludert store overskridelser i kostnader og utviklingstid, noe som nesten førte til at prosjektet ble kansellert. Minnet om disse feilene tårner seg opp over den nye tiårsundersøkelsen, og påvirker noen av anbefalingene som er gitt for å gjenopprette balansen til astrofysikk i USA. Men det var ikke alltid slik. Kahn beklager hvordan, før undersøkelsen i 2000, bare det å komme på listen over anbefalinger i en tiårsundersøkelse var nok til å praktisk talt garantere at prosjektet eller oppdraget ditt ville skje. Men i den moderne tid med teleskoper på 10 milliarder dollar, "må du være nummer én, ellers kommer du ikke til å få det gjort" sier Kahn. "Problemet er at i dette vinner-tar-alt-miljøet ønsker alle å kaste alle klokkene og plystre de kan på et prosjekt, fordi hvis du tror du bare kommer til å få en sjanse til et stort oppdrag i løpet av de neste 50 årene , du vil få det til å telle.»

Det er denne måten å tenke på som kan føre til problemene JWST både møtte og forårsaket. Jo mer kompleks et oppdragsdesign blir, jo flere instrumenter og kapasiteter du vil at det skal ha for å gjøre det verdt – noe som betyr at det blir dyrere og tar lengre tid å utvikle. "Alt som får oss tilbake til denne onde sirkelen av vinnere tar alt," fortsetter Kahn.

Harrison er enig, og understreker at denne nye tiårsundersøkelsen er et forsøk på å prøve å endre amerikansk astronomis tilnærming. "For at en tiårsundersøkelse skal si, er dette nummer én ting, vi må gjøre det uansett hva, uansett hva det ender opp med, er ikke en ansvarlig tilnærming," sier hun. I et forsøk på å motvirke dette kommer den ferske undersøkelsen med en rekke nye forslag. Blant dem er ideen om at oppdrag bør utformes i tråd med spesifikke vitenskapelige prioriteringer, i stedet for å la oppdragskonseptet løpe av gårde med seg selv, med alle "klokkene og fløytene", for å sitere Kahn.

Et av de viktigste vitenskapelige spørsmålene som Kahns panel så på, var for eksempel måten aktive supermassive sorte hull i fjerne, støvete galakser påvirker stjernedannelsen. Akkresjonen av materie på slike sorte hull vil kunne detekteres av et røntgenteleskop med høy vinkeloppløsning, mens et langt infrarødt spektroskopisk oppdrag vil kunne se gjennom støvet og undersøke spesifikke spektrallinjer relatert til stjernedannelse og tilbakemelding fra svarte hull vinder. Håpet er at de to oppdragene kan settes i gang innen noen få år etter hverandre, og operere unisont. Hvilken form disse oppdragene vil ha er imidlertid fortsatt oppe i luften.

Før tiårsundersøkelsen var det to misjonskonsepter - Lynx røntgenobservatorium og Origins Space Telescope – som vil operere ved middels til langt infrarøde bølgelengder, med et teleskopspeil mellom 6 og 9 m i diameter. Hver ble estimert til å koste rundt 5 milliarder dollar, men tiårsundersøkelsen konkluderte med at disse kostnadene ble undervurdert og at deres vitenskapelige evner ikke helt passet inn i kravene som panelet var ute etter.

Flaggskipoppdrag

Og her kommer en av tiårsundersøkelsens andre nyvinninger inn – nemlig en ny klasse romteleskoper referert til som «probe-class», med budsjetter på noen få milliarder dollar. "Vi må erkjenne at hvis alt skulle bli like dyrt som JWST, ville det være vanskelig å ha alle de flotte observatoriene i drift samtidig," sier Marcia Rieke fra University of Arizona, som ledet det andre panelet på romteleskoper, med fokus på det optiske og nær-infrarøde regimet. "Den beste måten i stedet kan være å ha ett flaggskipoppdrag, og deretter ha de andre delene av det elektromagnetiske spekteret dekket av sondeoppdrag."

Faktisk kan alle mulige røntgen- og fjerninfrarøde sonde-oppdrag også få selskap av et sonde-klasse ultrafiolett teleskop. Forbedringer i speilbelegg og detektorer de siste tiårene betyr at et 1.5 m teleskop faktisk kan være mer følsomt enn Hubble ved ultrafiolette bølgelengder. "Det vil gi en viss robusthet mot at Hubble feiler ut og ut," sier Rieke.

For å hjelpe til med å utvikle disse fremtidige romteleskopene, enten de fortsetter som 10 milliarder dollar eller går videre som mer beskjedne (men fortsatt ambisiøse) sondeoppdrag, anbefaler tiårsundersøkelsen at NASA oppretter en ny Great Observatories Mission and Technology Modning Program. Det ville ikke bare utvikle teknologien, men også "modne oppdragskonseptene", sier Harrison. På sin side holder NASA allerede workshops som en del av dette nye programmet og har laget et utkast til utlysning av sonderingsoppdrag.

Hvis røntgen- og fjerninfrarød-oppdragene – med kallenavnet «Fire» og «Smoke» foreløpig – skal være sondeklasse, vil flaggskipets store observatorium være den etterlengtede direkte erstatningen for Hubble-romteleskopet. Konseptet som leder an er LUVOIR, og to versjoner av teleskopet har blitt foreslått: enten et vilt ambisiøst 15 m teleskop, eller et 8 m teleskop, hvor sistnevnte fortsatt vil være det største romteleskopet som noen gang er skutt opp.

Andre jorder

Av kostnadsmessige og praktiske årsaker anbefalte tiårsundersøkelsen at 15 m-versjonen faller utenfor, og at den endelige designen kombinerer de beste delene av både LUVOIR og HabEx. Det viktigste vitenskapelige målet for dette teleskopet, forklarer Rieke, er at det må være i stand til å oppdage jordmasseplaneter i den beboelige sonen av stjerner. For det formål engasjerte Riekes panel en diskusjon med eksoplanetsamfunnet om hvor mange potensielt beboelige planeter som kunne oppdages som en funksjon av størrelsen på teleskopet.

«Som gruppe spør dere: hva er de viktigste vitenskapelige målene? Hvilken grad av følsomhet er nødvendig? Hva er det minste teleskopet som vil gjøre jobben?» sier Rieke. Svaret hun fikk tilbake var at et teleskop med 6–8 m blenderåpning er omtrent så lite som du tør gå hvis du vil finne potensielt beboelige eksoplaneter.

Suksess handler imidlertid ikke bare om størrelsen på teleskopet; instrumentene må også være opp til bunnen av. Vellykket avbildning av planeter på størrelse med jorden nær stjernene deres vil kreve en koronagraf som en del av utformingen. Eksoplaneter på størrelse med Jorden kan vanligvis ikke avbildes fordi gjenskinnet til stjernen deres er for overveldende. En koronagraf blokkerer stjernens lys, noe som gjør det lettere å se eventuelle planeter som er til stede. De har vært en stift i studier av solen i flere tiår – navnet deres kommer fra å blokkere solens skive slik at astronomer kan se solkoronaen. Men å lage en koronagraf som nøyaktig kan blokkere det sterke lyset til en stjerne, som i hovedsak fremstår som en punktkilde, samtidig som planeter bare millibuesekunder fra stjernen kan være synlige ved å redusere kontrasten mellom stjernens gjenskinn og planetenes lys til 10^-10, er "ganske et skritt utover alt vi har gjort før", sier Rieke.

Tilstrekkelig finansiert?

Den generelle responsen på tiårsundersøkelsens anbefalinger har stort sett vært positiv, med NASA National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab) og National Radio Astronomy Observatory (NRAO) alle gir det sitt godkjenningsstempel. Neste steg, sier Harrison, er å overbevise politikere om å skille seg av midlene som vil være nødvendig for å gjøre de store observatoriene mulige.

Neste steg er å overbevise politikerne om å skille seg av midlene som vil være nødvendig for å gjøre de store observatoriene mulige

Fiona Harrison, California Institute of Technology

"Sikkert et fokus nå for meg selv og Robert Kennicutt [Harrisons medformann fra University of Arizona og Texas A&M University] er å prøve å artikulere til Kongressen spenningen over de overbevisende prosjektene som anbefales av undersøkelsen," sier hun. "Det var et positivt svar fra NASA, og den ønsker å få anbefalingene til å skje, men budsjettet må være der."

Skulle de pengene komme, anslår Rieke finansieringen som kreves for å modne teknologien for det optiske teleskopet til å være rundt en halv milliard dollar. "Vi ville da være klar, nær slutten av dette tiåret, til å ha alle teknologiender på rad og rekke, og vi vil være i stand til å gå inn i byggefasen," sier hun.

Tidsplanene som er involvert er fenomenale. Hvis Hubble og Chandra er noe å gå etter, kan neste generasjons teleskoper lansert på 2040-tallet fortsatt være i drift på 2070-tallet eller utover. Tiårsundersøkelsens anbefalinger er derfor ikke bare viktige for de neste 10 årene med astronomi, men for deres innvirkning på store deler av dette århundret. Det var derfor et enormt press på undersøkelsen for å få den riktig.

"Det er der det er viktig å velge ambisiøse mål," sier Rieke. "Du må identifisere noe som er så viktig at alle er enige, og er nok et skritt fremover til at noe annet ikke kommer til å innhente deg mens du gjør det." Historien vil vurdere om denne tiårsundersøkelsen fikk de viktigste avgjørelsene riktige, men fra dagens perspektiv, lover fremtiden til astrofysikk å bli spennende.