Astronomii și-au îndreptat privirea către viitor în urma ultimului studiu decenal al Academiilor Naționale din SUA de astronomie și astrofizică, care a recomandat o nouă generație de telescoape spațiale. Keith Cooper explorează perspectivele lor și lecțiile învățate din dezvoltarea tulbure a telescopului spațial James Webb
Ziua de Crăciun 2021 a fost o ocazie fericită pentru majoritatea astronomilor din întreaga lume, așa cum a fost atunci când mult întârziată Telescopul spațial James Webb (JWST) a fost în sfârșit lansat. Cu toate acestea, fanfara din jurul desfășurării sale în spațiu în cursul lunii următoare, precum și jubilația ulterioară față de primele sale imagini, a mascat o problemă îngrijorătoare în astronomia observațională - care este cea mai mare parte a restului flotei de observatoare spațiale care orbitează NASA. îmbătrânește. The Telescopul spațial Hubble lucrează din 1990, în timp ce Observatorul de raze X Chandra a fost lansat aproape un deceniu mai târziu. Între timp, compatriotul lor în infraroșu, the Telescopul spațial Spitzer, lansat în 2003, nu mai funcționează, fiind închis în 2020.
De aceea, astronomii sunt îngrijorați că, în cazul în care se întâmplă ceva cu unul sau mai multe dintre aceste telescoape din ce în ce mai slăbite, acestea ar putea fi tăiate din zone întregi ale spectrului electromagnetic. Odată cu oprirea lui Spitzer, infraroșul îndepărtat (160 pm) este deja la îndemână, deoarece JWST se aventurează doar în infraroșu mijlociu la 26 μm. În mod similar, JWST nu este optimizat pentru observarea lungimilor de undă vizibile sau ultraviolete, așa cum o face Hubble. Sigur, viitorul Telescopul spațial roman Nancy Grace – anterior Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – este un telescop optic și în infraroșu apropiat, dar câmpul său de vedere este mult mai larg decât cel al lui Hubble, ceea ce înseamnă că nu este adaptat pentru lucru în detaliu; nici nu are acoperire ultravioletă a lui Hubble.
Observatoare grozave
Pentru a ne asigura că perspectiva noastră asupra universului de-a lungul spectrului rămâne strălucitoare, astronomii americani aleg în prezent și aleg următoarea cohortă de telescoape spațiale. Principala recomandare a celui mai recent studiu astronomic decenal de la Academiile Naționale de Științe, Inginerie și Medicină din SUA – raportul de 614 pagini Căi către descoperire în astronomie și astrofizică pentru anii 2020 (Astro2020) – este pentru a fi puse în aplicare planuri pentru o nouă generație de „mare observatoare” care să înceapă lansarea în anii 2040. Acest lucru răsună atunci când Chandra, Hubble, Spitzer și Observatorul cu raze gamma Compton (care a funcționat între 1991 și 2000 și a fost succedat în 2008 de Telescopul Spațial Fermi) erau în curs de dezvoltare și care au fost vestite drept „marele observatoare”.
Lucrând unul alături de celălalt pentru a studia universul, aceste telescoape au condus cercetările în astrofizică ale NASA de zeci de ani. Reutilizarea acestei expresii „mari observatoare” în noul sondaj decenal este deliberată, spune copreședintele sondajului, Fiona Harrison de la Institutul de Tehnologie din California. „Este pentru a înțelege că observațiile pancromatice, de la raze X la infraroșu, sunt cu adevărat esențiale pentru astrofizica modernă”, spune ea. „O mare parte din succesul marilor observatoare [originale] este că au fost dezvoltate și lansate unul după altul, cu observații care se suprapun.”
Construirea unui telescop spațial de succes este un proces lung, care durează de obicei 25 de ani de la începutul dezvoltării până la lansare. Lucrarea de concept pentru Hubble a început în anii 1960, în timp ce planurile pentru JWST s-au reunit pentru prima dată în 1995, după Imagini Hubble Deep Field a arătat că primele galaxii sunt la îndemâna unui telescop mai mare. Următoarea generație de astfel de sonde spațiale nu se va lansa cel mai devreme până în anii 2040. Dar vor include recomandarea numărul unu a sondajului: o misiune emblematică pentru a înlocui Hubble, inspirându-se din două concepte – Observatorul de exoplanete locuibile (HabEx) si Ultraviolet mare, optică și infraroșu (LUVOIR) telescop. De asemenea, pe planșa de desen sunt o misiune cu raze X și un telescop care poate observa în infraroșu îndepărtat.
Dar având în vedere sănătatea precară a actualei noastre telescoape spațiale și știind că noile misiuni nu se vor lansa în încă 20 de ani, nu ar fi trebuit astronomii să înceapă să planifice noi observatoare grozave cu ani în urmă? „Cu siguranță”, spune Steven Kahn de la Universitatea Stanford, care a prezidat unul dintre panourile din sondajul decenal privind viitoarele telescoape spațiale. El citează observatorul Constellation-X – o sondă spațială cu raze X care a fost recomandată ca urmare a lui Chandra în sondajul decenial din 2000, dar care nu a ajuns niciodată la bun sfârșit din cauza dezvoltării îndelungate a JWST, care a absorbit toate bugetul astrofizicii. „JWST a dominat practic marele program de observator de la NASA timp de două decenii și jumătate”, explică Kahn. „În consecință, nu a existat loc pentru a face o misiune cu raze X ulterioare sau genul de misiune de pionierat în infraroșu îndepărtat pe care ne-o propunem.”
Câștigătorul ia totul
Într-adevăr, dezvoltarea JWST a văzut multe probleme, inclusiv depășiri uriașe de costuri și timp de dezvoltare, care aproape au văzut proiectul anulat. Amintirea acestor greșeli planează mare peste noul studiu decenal, influențând unele dintre recomandările făcute pentru a restabili echilibrul astrofizicii din SUA. Dar nu a fost întotdeauna așa. Kahn deplânge faptul că, înainte de sondajul din 2000, doar intrarea pe lista de recomandări într-un sondaj decenal a fost suficientă pentru a garanta practic că proiectul sau misiunea dumneavoastră se va întâmpla. Dar în epoca modernă a telescoapelor de 10 miliarde de dolari, „trebuie să fii numărul unu sau nu o vei reuși”, spune Kahn. „Problema este că, în acest mediu în care câștigătorul ia tot, toată lumea vrea să arunce toate clopotele și fluierele pe care le poate într-un proiect, pentru că dacă crezi că vei avea o singură șansă la o misiune mare în următorii 50 de ani. , vrei să-l faci să conteze.”
Acest mod de a gândi poate duce la problemele cu care JWST s-a confruntat și le-a cauzat. Cu cât proiectarea unei misiuni devine mai complexă, cu atât mai multe instrumente și capacități doriți să aibă pentru a o face să merite, ceea ce înseamnă că devine mai scumpă și durează mai mult pentru a se dezvolta. „Toate ceea ce ne readuce în acest cerc vicios al câștigătorului ia totul”, continuă Kahn.
Harrison este de acord, subliniind că acest nou studiu decenal este o încercare de a încerca să schimbe abordarea astronomiei americane. „Pentru ca un sondaj decenial să spună că acesta este lucrul numărul unu, trebuie să facem asta indiferent de ce, indiferent de costul, nu este o abordare responsabilă”, spune ea. În încercarea de a contracara acest lucru, sondajul recent face o serie de propuneri noi. Printre acestea se numără și ideea că misiunile ar trebui concepute în acord cu prioritățile științifice specifice, mai degrabă decât să permită conceptului de misiune să fugă de la sine, cu toate „clopotele și fluierele”, pentru a-l cita pe Kahn.
De exemplu, una dintre întrebările științifice cheie pe care le-a analizat grupul lui Kahn a fost modul în care găurile negre supermasive active din galaxiile îndepărtate și prăfuite influențează formarea stelelor. Acumularea de materie pe astfel de găuri negre ar putea fi detectabilă de către un telescop cu raze X cu rezoluție unghiulară înaltă, în timp ce o misiune spectroscopică în infraroșu îndepărtat ar fi capabilă să privească prin praf și să probeze linii spectrale specifice legate de formarea stelelor și feedback-ul de la vânturi de găuri negre. Speranța este ca cele două misiuni să poată fi lansate la câțiva ani una de cealaltă și să funcționeze la unison. Cu toate acestea, ce formă vor lua aceste misiuni este încă în aer.
Înainte de sondajul decenal, existau două concepte de misiune – cea Observatorul cu raze X Lynx si Telescopul spațial Origins – care ar funcționa la lungimi de undă medii până la infraroșu îndepărtat, cu o oglindă telescopică cu diametrul cuprins între 6 și 9 m. Fiecare a fost estimat să coste aproximativ 5 miliarde de dolari, dar sondajul decenial a concluzionat că aceste costuri au fost subestimate și că capacitățile lor științifice nu se încadrau prea bine în cerințele pe care le căuta panelul.
Misiuni emblematice
Și aici intră una dintre celelalte inovații ale sondajului decenial – și anume, o nouă clasă de telescoape spațiale denumită „clasa sondei”, cu bugete de câteva miliarde de dolari. „Trebuie să recunoaștem că, dacă toate lucrurile ar fi la fel de scumpe ca JWST, ar fi dificil să funcționeze toate marile observatoare în același timp”, spune Marcia Rieke de la Universitatea din Arizona, care a condus al doilea panou despre telescoapele spațiale, concentrându-se pe regimul optic și în infraroșu apropiat. „Cel mai bun mod ar putea fi, în schimb, să avem o misiune emblematică și apoi să acoperiți celelalte părți ale spectrului electromagnetic de misiuni cu sonde.”
Într-adevăr, oricăror posibile misiuni cu raze X și infraroșu îndepărtat din clasa sondei ar putea fi, de asemenea, însoțite de un telescop ultraviolet din clasa sondei. Îmbunătățirile învelișurilor în oglindă și a detectoarelor din ultimele decenii înseamnă că un telescop de 1.5 m ar putea fi de fapt mai sensibil decât Hubble la lungimi de undă ultraviolete. „Aceasta ar oferi o oarecare rezistență împotriva eșecului total al Hubble”, spune Rieke.
Pentru a ajuta la dezvoltarea acestor viitoare telescoape spațiale, fie că se desfășoară ca niște giganți de 10 miliarde de dolari sau merg mai departe ca misiuni de sondă mai modeste (dar încă ambițioase), sondajul decenal recomandă ca NASA să creeze un nou proiect. Misiunea Marii Observatoare și Programul de Maturare Tehnologică. Nu doar ar dezvolta tehnologia, ci și „matura conceptele misiunii”, spune Harrison. La rândul său, NASA organizează deja ateliere de lucru în cadrul acestui nou program și a elaborat un proiect de apel pentru misiuni de sondă.
Dacă misiunile cu raze X și în infraroșu îndepărtat – supranumite „Foc” și „Fum” deocamdată – vor fi de tip sondă, atunci marele observator emblematic va fi înlocuitorul direct mult așteptat al Telescopului Spațial Hubble. Conceptul care conduce este LUVOIR și au fost propuse două versiuni ale telescopului: fie un telescop extrem de ambițios de 15 m, fie un telescop de 8 m, acesta din urmă ar fi încă cel mai mare telescop spațial lansat vreodată.
Alte Pământuri
Din motive de cost și practicitate, sondajul decenal a recomandat ca versiunea de 15 m să cadă pe margine și ca designul final să îmbine cele mai bune părți atât ale LUVOIR, cât și ale HabEx. Scopul științific cheie al acestui telescop, explică Rieke, este că trebuie să fie capabil să detecteze planete de masă Pământului în zona locuibilă a stelelor. În acest scop, grupul lui Rieke s-a angajat într-o discuție cu comunitatea exoplanetelor despre câte planete potențial locuibile ar putea fi detectate în funcție de dimensiunea telescopului.
„Ca grup, vă întrebați: care sunt obiectivele cheie ale științei? Ce nivel de sensibilitate este necesar? Care este cel mai mic telescop care va face treaba?” spune Rieke. Răspunsul pe care l-a primit a fost că un telescop cu deschidere de 6-8 m este cam la fel de mic pe cât îndrăznești să mergi dacă vrei să găsești exoplanete potențial locuibile.
Succesul nu se referă doar la dimensiunea telescopului; instrumentele sale trebuie să fie și ele la înălțime. Imaginea cu succes a planetelor de dimensiunea Pământului aproape de stelele lor va necesita un coronagraf ca parte a designului său. Exoplanete de dimensiunea Pământului, în mod normal, nu pot fi fotografiate, deoarece strălucirea stelei lor este prea copleșitoare. Un coronagraf blochează lumina stelei, făcând mai ușor să vezi orice planete prezente. Au fost un element de bază al studiilor asupra Soarelui de zeci de ani – numele lor provine de la blocarea discului Soarelui, astfel încât astronomii să poată vedea coroana solară. Dar conceperea unui coronagraf care poate bloca cu precizie lumina strălucitoare a unei stele, care apare în esență ca o sursă punctuală, permițând în același timp planetelor la doar miliarcsecunde de stea să fie vizibile, reducând contrastul dintre strălucirea stelei și lumina planetelor la 10.-10, este „cu un pas dincolo de tot ceea ce am făcut până acum”, spune Rieke.
Dincolo de spațiu, telescoape pe pământ
Nu toate recomandările sondajului decenal sunt legate de telescoapele gigantice din spațiu. Într-adevăr, unele dintre ele sunt telescoape uriașe înrădăcinate ferm pe Pământ. De exemplu, controversatul Telescop de treizeci de metri care urmează să fie construit pe Mauna Kea din Hawaii, în ciuda protestelor unor hawaieni nativi, continuă să avanseze. La fel este și Telescopul Grand Magellan, care este în construcție în Chile și va avea șapte telescoape de 8.4 m pentru a oferi un diametru efectiv de 24.5 m.
Sondajul recomandă, de asemenea, ca Următoarea generație Very Large Array – 244 de antene radio cu diametrul de 18 m și 19 antene cu diametrul de 6 m răspândite în sud-vestul SUA – ar trebui să înceapă să fie construite până la sfârșitul deceniului. Acesta va înlocui vechiul Very Large Array din New Mexico și Very Long Baseline Array de vase din SUA. Upgrade-uri la Observator de unde gravitaționale cu interferometru mare (LIGO) și planuri pentru un eventual succesor sunt, de asemenea, recomandate.
Între timp, cosmologii vor fi încurajați să audă că sondajul solicită și un nou observator la sol, denumit observatorul CMB Etapa 4, pentru a detecta polarizarea radiației cosmice de fond cu microunde pentru a căuta dovezi ale undelor gravitaționale primordiale care au rezultat din inflația cosmică. în primele momente ale universului.
În sfârșit, înapoi în spațiu, cea mai mare prioritate pentru misiunile la scară medie este un program cu răspuns rapid în domeniul timpului și multimesager pentru a înlocui nava spațială Swift a NASA și a detecta supernove, explozii de raze gamma, kilonovae și diverse alte tipuri de tranzitori astronomici. În mod esențial, misiunile din acest nou program trebuie să poată lucra cu și să sprijine observațiile de la sol ale LIGO, Matricea telescopului Cherenkov si Cub de gheata detector de neutrini, pentru care a fost recomandat și un detector „Generația 2”.
Finanțat suficient?
Răspunsul general la recomandările sondajului decenial a fost în mare parte pozitiv, NASA, the Laboratorul național de cercetare în astronomie optică-infraroșu (NOIRLab) si Observatorul Național de Radio Astronomie (NRAO) toți dându-i sigiliul de aprobare. Următorul pas, spune Harrison, este de a convinge politicienii să se despartă de fondurile care vor fi necesare pentru a face posibile marile observatoare.
Următorul pas este să-i convingem pe politicieni să se despartă de fondurile care vor fi necesare pentru a face posibile marile observatoare.
Fiona Harrison, Institutul de Tehnologie din California
„Cu siguranță, un accent acum pentru mine și pentru Robert Kennicutt [copreședinte al lui Harrison de la Universitatea din Arizona și Texas A&M University] este să încercăm să articulez Congresului entuziasmul proiectelor convingătoare recomandate de sondaj”, spune ea. „A fost un răspuns pozitiv din partea NASA și vrea să facă recomandările să se întâmple, dar bugetul trebuie să fie acolo.”
În cazul în care acești bani vor veni, atunci Rieke estimează că finanțarea necesară pentru maturizarea tehnologiei telescopului optic va fi de aproximativ jumătate de miliard de dolari. „Am fi atunci pregătiți, aproape de sfârșitul acestui deceniu, să avem toate rațele tehnologice la rând și vom putea intra în faza de construcție”, spune ea.
Perioadele de timp implicate sunt fenomenale. Dacă Hubble și Chandra sunt ceva de rezolvat, telescoapele de generație următoare lansate în anii 2040 ar putea fi încă operaționale în anii 2070 sau mai departe. Prin urmare, recomandările sondajului decenal nu sunt importante doar pentru următorii 10 ani de astronomie, ci și pentru impactul lor în mare parte a acestui secol. Prin urmare, a existat o presiune uriașă asupra sondajului pentru a fi corectat.
„Acolo este important să alegem obiective ambițioase”, spune Rieke. „Trebuie să identifici ceva care este atât de important încât toată lumea să fie de acord și este suficient de un pas înainte încât altceva să nu te depășească în timp ce faci asta.” Istoria va judeca dacă acest sondaj decenal și-a corectat deciziile cheie, dar din perspectiva actuală, viitorul astrofizicii promite să fie unul interesant.
