Astronomowie zwrócili swoje oczy ku przyszłości po ostatnim dziesięcioleciowym przeglądzie astronomii i astrofizyki przeprowadzonym przez Narodowe Akademie Stanów Zjednoczonych, który zalecił nową generację teleskopów kosmicznych. Keitha Coopera bada ich perspektywy i wnioski wyciągnięte z trudnego rozwoju Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba
Boże Narodzenie 2021 było radosną okazją dla większości astronomów na całym świecie, podobnie jak wtedy, gdy znacznie opóźniony Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba (JWST) został wreszcie uruchomiony. Jednak fanfary otaczające jego rozwinięcie się w kosmosie w ciągu następnego miesiąca, a także późniejsza radość z pierwszych zdjęć, zamaskowały niepokojący problem w astronomii obserwacyjnej – czyli w większości pozostałej floty kosmicznych obserwatoriów orbitalnych NASA się starzeje. The Kosmiczny teleskop Hubble działa od 1990 roku, natomiast Chandra X-ray Observatory został uruchomiony prawie dekadę później. Tymczasem ich rodak na podczerwień, Kosmiczny Teleskop Spitzera, uruchomiony w 2003 roku, już nie działa, ponieważ został zamknięty w 2020 roku.
Dlatego astronomowie martwią się, że jeśli coś stanie się jednemu lub kilku z tych coraz bardziej rozklekotanych teleskopów, mogą zostać odcięci od całych obszarów widma elektromagnetycznego. Wraz z wyłączeniem Spitzera, dalekiej podczerwieni (160 um) jest już poza zasięgiem, ponieważ JWST zapuszcza się tylko w środkową podczerwień przy 26 μm. Podobnie, JWST nie jest zoptymalizowany do obserwacji fal widzialnych lub ultrafioletowych, tak jak robi to Hubble. Jasne, nadchodzące Rzymski Teleskop Kosmiczny Nancy Grace – dawniej Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – jest teleskopem optycznym i działającym w bliskiej podczerwieni, ale jego pole widzenia jest znacznie szersze niż teleskopu Hubble'a, co oznacza, że nie jest przystosowany do wykonywania szczegółowych prac z bliska; nie ma też pokrycia w ultrafiolecie Hubble'a.
Świetne obserwatoria
Aby mieć pewność, że nasz obraz wszechświata w całym widmie pozostaje jasny, amerykańscy astronomowie wybierają obecnie kolejną grupę teleskopów kosmicznych. Główna rekomendacja najnowszego astronomicznego przeglądu dekad przeprowadzonego przez Narodowe Akademie Nauk, Inżynierii i Medycyny Stanów Zjednoczonych – 614-stronicowy raport Ścieżki do odkryć w astronomii i astrofizyce na lata 2020 (Astro2020) – ma zostać wdrożone plany nowej generacji „wielkich obserwatoriów”, które mają rozpocząć się w latach 2040. XXI wieku. To odbija się echem, gdy Chandra, Hubble, Spitzer i Obserwatorium promieniowania gamma w Compton (który działał w latach 1991-2000 i został zastąpiony w 2008 roku przez Kosmiczny Teleskop Fermiego) były rozwijane i które zostały ogłoszone jako „wielkie obserwatoria”.
Współpracując ze sobą w badaniu wszechświata, te teleskopy od dziesięcioleci przewodzą astrofizycznym badaniom NASA. Ponowne użycie tego wyrażenia „wielkie obserwatoria” w nowym badaniu dekadowym jest celowe, mówi współprzewodniczący badania, Fiona Harrison z California Institute of Technology. „Chodzi o to, aby pokazać, że obserwacje panchromatyczne, od promieniowania rentgenowskiego po podczerwień, są naprawdę niezbędne dla współczesnej astrofizyki” — mówi. „Wiele sukcesów [oryginalnych] wielkich obserwatoriów polega na tym, że były one rozwijane i uruchamiane jedno po drugim, z nakładającymi się obserwacjami”.
Budowa odnoszącego sukcesy teleskopu kosmicznego to długi proces, zwykle trwający 25 lat od rozpoczęcia prac rozwojowych do wystrzelenia. Prace koncepcyjne dla Hubble'a rozpoczęły się w latach 1960., podczas gdy plany JWST po raz pierwszy zebrały się w 1995 r. Obrazy głębokiego pola Hubble'a wykazały, że pierwsze galaktyki są w zasięgu większego teleskopu. Dlatego następna generacja takich sond kosmicznych zostanie wystrzelona najwcześniej w latach 2040. XXI wieku. Będą one jednak zawierały zalecenie numer jeden ankiety: flagową misję, która zastąpi Hubble'a, czerpiąc inspirację z dwóch koncepcji – Obserwatorium egzoplanet nadające się do zamieszkania (HabEx) oraz Duży ultrafiolet, optyczny i podczerwień (LUVOIR) teleskop. Na desce kreślarskiej znajduje się również misja rentgenowska i teleskop, który może prowadzić obserwacje w dalekiej podczerwieni.
Ale biorąc pod uwagę niepewny stan naszych obecnych teleskopów kosmicznych i wiedząc, że nowe misje nie zostaną wystrzelone przez kolejne 20 lat, czy astronomowie nie powinni zacząć planować nowych wielkich obserwatoriów wiele lat temu? „Na pewno”, mówi Stevena Kahna z Uniwersytetu Stanforda, który przewodniczył jednemu z paneli w dziesięcioletnim przeglądzie dotyczącym przyszłych teleskopów kosmicznych. Cytuje obserwatorium Constellation-X – rentgenowską sondę kosmiczną, która była zalecana jako kontynuacja Chandry w przeglądzie dekadowym 2000, ale nigdy nie doszła do skutku z powodu przeciągającego się rozwoju JWST, który wyssał wszystkie budżet astrofizyki. „JWST w zasadzie zdominował wielki program obserwacyjny w NASA przez dwie i pół dekady” — wyjaśnia Kahn. „W rezultacie nie było miejsca na kolejną misję rentgenowską ani pionierską misję w dalekiej podczerwieni, którą planujemy”.
Wygrywający zgarnia wszystko
Rzeczywiście, rozwój JWST napotkał wiele problemów, w tym ogromne przekroczenia kosztów i czasu rozwoju, co prawie doprowadziło do anulowania projektu. Pamięć o tych błędach unosi się nad nowym przeglądem dekadowym, wpływając na niektóre zalecenia poczynione w celu przywrócenia równowagi astrofizyce w USA. Ale nie zawsze tak było. Kahn ubolewa nad tym, że przed badaniem z 2000 roku samo dostanie się na listę rekomendacji w ankiecie dekadowej wystarczyło, aby praktycznie zagwarantować, że twój projekt lub misja zostanie zrealizowana. Ale we współczesnej erze teleskopów wartych 10 miliardów dolarów „musisz być numerem jeden, bo inaczej nie zrobisz tego”, mówi Kahn. „Problem polega na tym, że w tym środowisku, w którym zwycięzca bierze wszystko, każdy chce rzucić wszystkie dzwonki i gwizdki, jakie może, na projekt, ponieważ jeśli myślisz, że masz tylko jedną szansę na wielką misję w ciągu następnych 50 lat , chcesz, żeby to się liczyło”.
To ten sposób myślenia może prowadzić do problemów, z którymi borykał się JWST i które spowodował. Im bardziej złożony staje się projekt misji, tym więcej instrumentów i możliwości ma mieć, aby była opłacalna – co oznacza, że staje się droższa i trwa dłużej. „Wszystko to prowadzi nas z powrotem do błędnego koła, w którym zwycięzca bierze wszystko” — kontynuuje Kahn.
Harrison zgadza się, podkreślając, że ten nowy przegląd dekadowy jest próbą zmiany podejścia amerykańskiej astronomii. „Aby badanie dekadowe wykazało, że jest to rzecz numer jeden, musimy to zrobić bez względu na wszystko, za wszelką cenę, nie jest to odpowiedzialne podejście”, mówi. Próbując temu przeciwdziałać, w niedawnym badaniu przedstawiono szereg nowych propozycji. Wśród nich jest pomysł, aby misje były projektowane w zgodzie z określonymi priorytetami naukowymi, zamiast pozwalać, by koncepcja misji uciekała sama ze sobą, ze wszystkimi „dzwonkami i gwizdkami”, cytując Kahna.
Na przykład, jednym z kluczowych zagadnień naukowych, któremu przyglądał się panel Kahna, był sposób, w jaki aktywne supermasywne czarne dziury w odległych, zapylonych galaktykach wpływają na powstawanie gwiazd. Akrecja materii na takich czarnych dziurach byłaby wykrywalna przez teleskop rentgenowski o wysokiej rozdzielczości kątowej, podczas gdy misja spektroskopowa w dalekiej podczerwieni byłaby w stanie zajrzeć przez pył i zbadać specyficzne linie widmowe związane z powstawaniem gwiazd i sprzężeniem zwrotnym z wiatry czarnych dziur. Istnieje nadzieja, że obie misje mogą zostać uruchomione w ciągu kilku lat od siebie i działać zgodnie. Jednak to, jaki kształt przyjmą te misje, wciąż wisi w powietrzu.
Przed badaniem dekadowym istniały dwie koncepcje misji – tzw Obserwatorium rentgenowskie rysia oraz Teleskop kosmiczny pochodzenia – który działałby w zakresie fal od średniej do dalekiej podczerwieni, ze zwierciadłem teleskopu o średnicy od 6 do 9 m. Szacuje się, że każdy z nich kosztował około 5 miliardów dolarów, ale badanie dekadowe wykazało, że koszty te były niedoszacowane, a ich możliwości naukowe nie do końca pasowały do wymagań, których szukał panel.
Flagowe misje
I tu wkracza jedna z innych innowacji przeglądu dekadowego – a mianowicie nowa klasa teleskopów kosmicznych określana jako „klasa sond”, z budżetami rzędu kilku miliardów dolarów. „Musimy przyznać, że gdyby wszystko miało być tak drogie jak JWST, trudno byłoby mieć wszystkie wielkie obserwatoria działające w tym samym czasie”, mówi Marcia Rieke z University of Arizona, który poprowadził drugi panel dotyczący teleskopów kosmicznych, skupiając się na reżimie optycznym i bliskiej podczerwieni. „Najlepszym sposobem zamiast tego może być posiadanie jednej misji flagowej, a następnie objęcie innymi częściami widma elektromagnetycznego misjami sondy”.
Rzeczywiście, do wszelkich możliwych misji sondy rentgenowskiej i dalekiej podczerwieni mógłby również dołączyć teleskop ultrafioletowy klasy sondy. Ulepszenia powłok lustrzanych i detektorów w ciągu ostatnich kilku dekad oznaczają, że 1.5-metrowy teleskop może być w rzeczywistości bardziej czuły niż Hubble na długości fal ultrafioletowych. „To zapewniłoby pewną odporność na całkowite niepowodzenia Hubble'a” – mówi Rieke.
Aby pomóc w rozwoju tych przyszłych teleskopów kosmicznych, bez względu na to, czy będą to kolosy o wartości 10 miliardów dolarów, czy też skromniejsze (ale wciąż ambitne) misje sondujące, dekadowe badanie zaleca, aby NASA stworzyła nowy Misja wielkich obserwatoriów i program dojrzewania technologii. Nie tylko rozwinąłby technologię, ale także „dojrzał koncepcje misji”, mówi Harrison. Ze swojej strony NASA organizuje już warsztaty w ramach tego nowego programu i opracowała projekt zaproszenia do misji sondujących.
Jeśli misje rentgenowskie i dalekiej podczerwieni – na razie nazywane „Ogniem” i „Dymem” – mają być sondami, to flagowe wielkie obserwatorium będzie długo oczekiwanym bezpośrednim następcą Kosmicznego Teleskopu Hubble'a. Koncepcją, która wyznacza drogę, jest LUVOIR. Zaproponowano dwie wersje teleskopu: albo niezwykle ambitny teleskop 15-metrowy, albo teleskop 8-metrowy, z których ten ostatni nadal byłby największym teleskopem kosmicznym, jaki kiedykolwiek został wystrzelony.
Inne Ziemie
Ze względu na koszty i praktyczność, badanie dekadowe zaleciło, aby wersja 15-metrowa została odrzucona, a ostateczny projekt łączył najlepsze części zarówno LUVOIR, jak i HabEx. Jak wyjaśnia Rieke, kluczowym celem naukowym tego teleskopu jest wykrywanie planet o masie Ziemi w ekosferze gwiazd. W tym celu panel Rieke zaangażował się w dyskusję ze społecznością egzoplanet na temat tego, ile potencjalnie nadających się do zamieszkania planet można wykryć w funkcji wielkości teleskopu.
„Jako grupa pytacie: jakie są kluczowe cele nauki? Jaki poziom czułości jest potrzebny? Jaki jest najmniejszy teleskop, który wykona to zadanie?” mówi Rieke. Odpowiedź, którą otrzymała, była taka, że teleskop o aperturze 6-8 m jest tak mały, jak się odważysz, jeśli chcesz znaleźć potencjalnie nadające się do zamieszkania egzoplanety.
Jednak sukces to nie tylko rozmiar teleskopu; jego instrumenty też muszą być na najwyższym poziomie. Pomyślne obrazowanie planet wielkości Ziemi w pobliżu ich gwiazd będzie wymagało koronografu jako części projektu. Zwykle nie można sfotografować egzoplanet wielkości Ziemi, ponieważ blask ich gwiazdy jest zbyt przytłaczający. Koronograf blokuje światło gwiazdy, ułatwiając obserwację planet. Od dziesięcioleci są podstawą badań Słońca – ich nazwa pochodzi od blokowania dysku słonecznego, aby astronomowie mogli zobaczyć koronę słoneczną. Ale opracowanie koronografu, który może precyzyjnie blokować jasne światło gwiazdy, które wydaje się być zasadniczo źródłem punktowym, jednocześnie pozwalając planetom zaledwie w milisekundach łuku być widocznymi przez zmniejszenie kontrastu między blaskiem gwiazdy a światłem planet do 10-10, jest „o krok dalej niż wszystko, co zrobiliśmy wcześniej”, mówi Rieke.
Poza przestrzenią, teleskopy na ziemi
Nie wszystkie zalecenia dekadowego przeglądu dotyczą gigantycznych teleskopów w kosmosie. Rzeczywiście, niektóre z nich to gigantyczne teleskopy mocno zakorzenione w Ziemi. Na przykład kontrowersyjny Teleskop trzydziestometrowy ma powstać na Mauna Kea na Hawajach, mimo protestów niektórych rdzennych Hawajczyków, posuwa się naprzód. Tak też jest Teleskop Wielkiego Magellana, który jest budowany w Chile i będzie się składał z siedmiu 8.4-metrowych teleskopów, co da efektywną średnicę 24.5 m.
Badanie sugeruje również, że Bardzo duża macierz nowej generacji – 244 anteny radiowe o średnicy 18 m i 19 anten o średnicy 6 m rozmieszczone w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych – powinny rozpocząć się do końca dekady. Zastąpi starzejącą się Very Large Array w Nowym Meksyku i Very Long Baseline Array w całych Stanach Zjednoczonych. Aktualizacje do Obserwatorium fal grawitacyjnych z dużym interferometrem (LIGO) i plany ewentualnego następcy są również zalecane.
Tymczasem kosmologów ucieszy wiadomość, że badanie wzywa również do nowego obserwatorium naziemnego, nazwanego obserwatorium CMB Stage 4, do wykrywania polaryzacji w kosmicznym mikrofalowym promieniowaniu tła w celu poszukiwania dowodów na istnienie pierwotnych fal grawitacyjnych, które powstały w wyniku kosmicznej inflacji w najwcześniejszych chwilach wszechświata.
Wreszcie, w kosmosie, najwyższym priorytetem dla misji średniej skali jest szybko reagujący program w dziedzinie czasu i multimessenger, który ma zastąpić statek kosmiczny NASA Swift i wykrywać supernowe, rozbłyski gamma, kilonowe i różne inne rodzaje astronomicznych stanów nieustalonych. Co najważniejsze, misje w ramach tego nowego programu muszą być w stanie współpracować i wspierać naziemne obserwacje LIGO, Teleskop Czerenkowa oraz Kostka lodu detektor neutrin, dla którego zalecany jest również detektor „Generacji 2”.
Wystarczająco finansowane?
Ogólna reakcja na zalecenia dekadowego badania była w większości pozytywna, z NASA, Narodowe Laboratorium Badań Astronomii Optycznej w Podczerwieni (NOIRLab) oraz Narodowe Obserwatorium Radioastronomiczne (NRAO) wszyscy dają temu pieczęć aprobaty. Następnym krokiem, mówi Harrison, jest przekonanie polityków do rozstania się z funduszami, które będą potrzebne, aby wielkie obserwatoria stały się możliwe.
Kolejnym krokiem jest przekonanie polityków do rozstania się z funduszami, które będą potrzebne, aby wielkie obserwatoria mogły powstać
Fiony Harrison z Kalifornijskiego Instytutu Technologicznego
„Oczywiście głównym celem dla mnie i Roberta Kennicutta [współprzewodniczącego Harrisona z University of Arizona i Texas A&M University] jest próba wyrażenia Kongresowi ekscytacji związanej z atrakcyjnymi projektami zalecanymi w ankiecie” — mówi. „To była pozytywna reakcja NASA i chce, aby zalecenia zostały zrealizowane, ale budżet musi tam być”.
Jeśli te pieniądze się pojawią, Rieke szacuje, że fundusze potrzebne do dojrzałości technologii teleskopu optycznego wyniosą około pół miliarda dolarów. „Bylibyśmy wtedy gotowi, pod koniec tej dekady, mieć wszystkie technologiczne kaczki siedzące w rzędzie i moglibyśmy wejść w fazę budowy”, mówi.
Skale czasowe, których to dotyczy, są fenomenalne. Jeśli Hubble i Chandra są czymś godnym uwagi, teleskopy nowej generacji wystrzelone w latach 2040-tych mogą nadal działać w latach 2070-tych XXI wieku lub później. Zalecenia z przeglądu dekadowego są zatem ważne nie tylko dla następnych 10 lat astronomii, ale także ze względu na ich wpływ na większą część tego stulecia. W związku z tym istniała ogromna presja na ankietę, aby zrobić to dobrze.
„W tym miejscu ważne jest, aby wybierać ambitne cele” — mówi Rieke. „Musisz zidentyfikować coś, co jest tak ważne, że wszyscy się z tym zgadzają i jest wystarczającym krokiem naprzód, aby coś innego cię nie wyprzedziło, kiedy to robisz”. Historia oceni, czy kluczowe decyzje podjęte w tym dziesięcioletnim badaniu były prawidłowe, ale z dzisiejszej perspektywy przyszłość astrofizyki zapowiada się ekscytująco.
