Астрономы обратили свой взор в будущее после последнего обзора астрономии и астрофизики, проведенного Национальными академиями США за десятилетие, в котором были рекомендованы космические телескопы нового поколения. Кит Купер исследует их перспективы и уроки, извлеченные из проблемной разработки космического телескопа Джеймса Уэбба.
Рождество 2021 года стало счастливым событием для большинства астрономов всего мира, как это было, когда долгожданное открытие космического телескопа Джеймса Вебба (JWST) был наконец запущен. Тем не менее, фанфары вокруг его развертывания в космосе в течение следующего месяца, а также последующее ликование по поводу его первых изображений замаскировали тревожную проблему в наблюдательной астрономии, которая заключается в том, что большая часть остального флота космических орбитальных обсерваторий НАСА стареет. Космический телескоп Хаббла работает с 1990 года, а Чандра рентгеновская обсерватория был запущен почти десятилетие спустя. Между тем, их инфракрасный соотечественник, Космический телескоп Spitzer, запущенный в 2003 году, больше не работает, так как был закрыт в 2020 году.
Вот почему астрономы обеспокоены тем, что если что-то случится с одним или несколькими из этих все более шатких телескопов, они могут быть отрезаны от целых участков электромагнитного спектра. С закрытием «Спитцера» дальний инфракрасный (160 мкм) уже вне досягаемости, поскольку JWST отваживается работать только в среднем инфракрасном диапазоне на частоте 26 мкм. Сходным образом, JWST не оптимизирован для наблюдения в видимом или ультрафиолетовом диапазоне длин волн, как это делает Хаббл. Конечно, предстоящий Римский космический телескоп Нэнси Грейс - ранее Широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп (WFIRST) - это оптический и ближний инфракрасный телескоп, но его поле зрения намного шире, чем у Хаббла, а это означает, что он не предназначен для детальной работы крупным планом; и при этом он не имеет ультрафиолетового покрытия Хаббла.
Великие обсерватории
Чтобы наше представление о Вселенной во всем спектре оставалось ярким, американские астрономы в настоящее время подбирают следующую группу космических телескопов. Основная рекомендация последнего астрономического обзора за десятилетие Национальной академии наук, инженерии и медицины США — отчет на 614 страницах. Пути к открытиям в астрономии и астрофизике на 2020-е годы (Astro2020) — это планы по запуску нового поколения «великих обсерваторий» в 2040-х годах. Это повторяется, когда Чандра, Хаббл, Спитцер и Гамма-обсерватория Комптона (которые работали с 1991 по 2000 год, а в 2008 году им на смену пришел космический телескоп Ферми) разрабатывались и были провозглашены «великими обсерваториями».
Работая бок о бок друг с другом для изучения Вселенной, эти телескопы десятилетиями возглавляли астрофизические исследования НАСА. Повторное использование этой фразы «великие обсерватории» в новом десятилетнем обзоре является преднамеренным, говорит сопредседатель исследования. Фиона Харрисон из Калифорнийского технологического института. «Это нужно для того, чтобы понять, что панхроматические наблюдения, от рентгеновских до инфракрасных, действительно необходимы для современной астрофизики», — говорит она. «Во многом успех [первоначальных] великих обсерваторий заключается в том, что они были разработаны и запущены одна за другой, с перекрывающимися наблюдениями».
Создание успешного космического телескопа — длительный процесс, обычно занимающий 25 лет от начала разработки до запуска. Работа над концепцией Хаббла началась в 1960-х годах, а планы JWST впервые появились в 1995 году, после Изображения Хаббла Deep Field показали, что первые галактики находятся в пределах досягаемости более крупного телескопа. Следовательно, следующее поколение таких космических зондов не будет запущено до 2040-х годов. Но они будут включать в себя рекомендацию номер один опроса: флагманская миссия для замены Хаббла, черпая вдохновение из двух концепций — Обитаемая экзопланетная обсерватория (HabEx) и Большой ультрафиолетовый, оптический и инфракрасный (LUVOIR) телескоп. Также на чертежной доске находятся рентгеновская миссия и телескоп, который может вести наблюдения в дальнем инфракрасном диапазоне.
Но, учитывая шаткое состояние нашего нынешнего поколения космических телескопов и зная, что новые миссии не будут запущены в ближайшие 20 лет, не должны ли астрономы начать планировать новые великие обсерватории много лет назад? «Наверняка, — говорит Стивен Кан из Стэнфордского университета, который возглавлял одну из групп в десятилетнем обзоре будущих космических телескопов. Он цитирует обсерваторию Constellation-X — космический рентгеновский зонд, который был рекомендован в качестве продолжения «Чандры» в десятилетнем обзоре 2000 года, но так и не был реализован из-за затянувшейся разработки JWST, которая поглотила все бюджет астрофизики. «JWST в основном доминировал в большой программе обсерватории НАСА в течение двух с половиной десятилетий», — объясняет Кан. «В результате не было места для последующей рентгеновской миссии или новаторской миссии в дальнем инфракрасном диапазоне, которую мы планируем».
Победитель получает все
Действительно, при разработке JWST было много проблем, в том числе огромный перерасход средств и времени разработки, из-за которых проект чуть не был отменен. Память об этих ошибках нависла над новым десятилетним обзором, влияя на некоторые рекомендации, сделанные для восстановления баланса в астрофизике в США. Но так было не всегда. Кан сетует на то, что до опроса 2000 года достаточно было попасть в список рекомендаций в десятилетнем опросе, чтобы практически гарантировать реализацию вашего проекта или миссии. Но в современную эпоху телескопов стоимостью 10 миллиардов долларов «вы должны быть номером один, иначе у вас ничего не получится», — говорит Кан. «Проблема в том, что в этой среде, где победитель получает все, каждый хочет добавить в проект все навороты и свистки, которые только могут, потому что если вы думаете, что в ближайшие 50 лет у вас будет только один шанс на большую миссию, , вы хотите, чтобы это считалось».
Именно такой образ мышления может привести к проблемам, с которыми JWST столкнулся и которые они вызвали. Чем сложнее становится дизайн миссии, тем больше инструментов и возможностей вы хотите, чтобы она имела смысл, а это означает, что она становится дороже и требует больше времени для разработки. «Все это возвращает нас в порочный круг, когда победитель получает все, — продолжает Кан.
Харрисон соглашается, подчеркивая, что это новое десятилетнее исследование является попыткой изменить подход американской астрономии. «Чтобы в десятилетнем опросе сказать, что это дело номер один, мы должны делать это, несмотря ни на что, какой бы ценой это ни было, — это неответственный подход», — говорит она. В попытке противостоять этому в недавнем обзоре делается ряд новых предложений. Среди них — идея о том, что миссии должны разрабатываться в соответствии с конкретными научными приоритетами, а не позволять концепции миссии ускользать от самой себя, со всеми «прибамбасами», как сказал Кан.
Например, одним из ключевых научных вопросов, который рассматривала группа Кана, было то, каким образом активные сверхмассивные черные дыры в далеких пыльных галактиках влияют на звездообразование. Аккреция вещества на такие черные дыры могла бы быть обнаружена рентгеновским телескопом с высоким угловым разрешением, в то время как спектроскопическая миссия в дальнем инфракрасном диапазоне могла бы заглянуть сквозь пыль и исследовать определенные спектральные линии, связанные с формированием звезд и обратной связью. ветры черной дыры. Есть надежда, что две миссии могут быть запущены с разницей в несколько лет и работать в унисон. Однако то, какую форму примут эти миссии, пока неясно.
До десятилетнего исследования существовало две концепции миссии: Рентгеновская обсерватория Lynx и Космический телескоп Origins - который будет работать в диапазоне длин волн от среднего до дальнего инфракрасного диапазона с диаметром зеркала телескопа от 6 до 9 м. Каждый из них оценивался примерно в 5 миллиардов долларов, но десятилетний обзор пришел к выводу, что эти затраты были занижены и что их научные возможности не совсем соответствовали требованиям, которые искала комиссия.
Флагманские миссии
И здесь вступает в действие одно из других нововведений десятилетнего исследования, а именно новый класс космических телескопов, именуемый «зондовым», с бюджетом в несколько миллиардов долларов. «Мы должны признать, что если бы все было так же дорого, как JWST, было бы трудно, чтобы все великие обсерватории работали одновременно», — говорит он. Марсия Рике из Университета Аризоны, который руководил второй панелью космических телескопов, сосредоточив внимание на оптическом и ближнем инфракрасном режимах. «Вместо этого лучше всего было бы провести одну флагманскую миссию, а затем покрыть другие части электромагнитного спектра миссиями зондов».
Действительно, к любым возможным миссиям зондового класса в рентгеновском и дальнем инфракрасном диапазонах также может быть присоединен ультрафиолетовый телескоп зондового класса. Усовершенствования в зеркальных покрытиях и детекторах за последние несколько десятилетий означают, что 1.5-метровый телескоп может быть более чувствительным, чем Хаббл, в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. «Это обеспечило бы некоторую устойчивость к полному отказу Хаббла», — говорит Рике.
Чтобы помочь в разработке этих будущих космических телескопов, независимо от того, будут ли они развиваться как гиганты стоимостью 10 миллиардов долларов или станут более скромными (но все же амбициозными) исследовательскими миссиями, десятилетний обзор рекомендует, чтобы НАСА создало новую Миссия великих обсерваторий и программа развития технологий. По словам Харрисона, это не только разовьет технологию, но и «созреет концепцию миссии». Со своей стороны, НАСА уже проводит семинары в рамках этой новой программы и подготовило проект заявки на запуск зондов.
Если рентгеновские и дальние инфракрасные миссии — пока называемые «Огонь» и «Дым» — будут относиться к классу зондов, то флагманская великая обсерватория станет долгожданной прямой заменой космического телескопа «Хаббл». Концепция, которая ведет вперед, - это LUVOIR, и были предложены две версии телескопа: либо чрезвычайно амбициозный 15-метровый телескоп, либо 8-метровый телескоп, последний из которых по-прежнему будет самым большим космическим телескопом, когда-либо запущенным.
Другие Земли
Из соображений стоимости и практичности десятилетний обзор рекомендовал, чтобы 15-метровая версия отошла на второй план и чтобы окончательный дизайн объединил лучшие части как LUVOIR, так и HabEx. Ключевая научная цель этого телескопа, объясняет Рике, заключается в том, что он должен обнаруживать планеты с массой Земли в обитаемой зоне звезд. С этой целью группа Рике провела обсуждение с сообществом экзопланет о том, сколько потенциально пригодных для жизни планет может быть обнаружено в зависимости от размера телескопа.
«Как группа, вы спрашиваете: каковы ключевые цели науки? Какой уровень чувствительности нужен? Какой самый маленький телескоп справится с этой задачей?» говорит Рике. Ответ, который она получила, заключался в том, что телескоп с апертурой 6–8 м — это то, на что вы осмелились бы пойти, если хотите найти потенциально обитаемые экзопланеты.
Однако успех зависит не только от размера телескопа; его инструменты тоже должны быть на высоте. Для успешного фотографирования планет размером с Землю, близких к их звездам, потребуется коронограф как часть его конструкции. Экзопланеты размером с Землю обычно невозможно отобразить, потому что свет их звезды слишком силен. Коронограф блокирует свет звезды, облегчая наблюдение за присутствующими планетами. Они были основным продуктом изучения Солнца на протяжении десятилетий — их название происходит от блокировки солнечного диска, чтобы астрономы могли видеть солнечную корону. Но разработка коронографа, который может точно блокировать яркий свет звезды, который выглядит как точечный источник, в то же время позволяя видеть планеты, находящиеся всего в миллисекундах дуги от звезды, за счет уменьшения контраста между бликом звезды и светом планет до 10-10, — это «настоящий шаг вперед по сравнению со всем, что мы делали раньше», — говорит Рике.
За пределами космоса, телескопы на земле
Не все рекомендации десятилетнего обзора связаны с гигантскими телескопами в космосе. Действительно, некоторые из них представляют собой гигантские телескопы, прочно укоренившиеся на Земле. Например, спорный Тридцатиметровый телескоп который будет построен на Мауна-Кеа на Гавайях, несмотря на протесты некоторых коренных гавайцев, продолжает двигаться вперед. Так же и Большой Магелланов Телескоп, который строится в Чили и будет включать семь 8.4-метровых телескопов, что даст эффективный диаметр 24.5 метра.
Исследование также рекомендует, чтобы Очень большой массив нового поколения – 244 радиотарелки диаметром 18 м и 19 антенн диаметром 6 м, разбросанные по юго-западу США, должны начать строиться к концу десятилетия. Он заменит устаревший Very Large Array в Нью-Мексико и Very Long Baseline Array тарелок в США. Обновления до Большая интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) и планы возможного преемника также рекомендуются.
Между тем, космологи будут воодушевлены, узнав, что обзор также требует новой наземной обсерватории, получившей название обсерватории CMB Stage 4, для обнаружения поляризации в космическом микроволновом фоновом излучении для поиска свидетельств первичных гравитационных волн, возникших в результате космической инфляции. в самые ранние моменты Вселенной.
Наконец, в космосе высшим приоритетом для миссий среднего масштаба является программа быстрого реагирования во временной области и мультимессенджера, которая заменит космический корабль НАСА Swift и будет обнаруживать сверхновые, гамма-всплески, килоновые и различные другие виды астрономических транзиентов. Важно отметить, что миссии этой новой программы должны иметь возможность работать и поддерживать наземные наблюдения LIGO, Черенковский телескоп и Кубик льда нейтринный детектор, для которого также был рекомендован детектор «Поколения 2».
Достаточно финансируется?
Общая реакция на рекомендации десятилетнего обзора была в основном положительной: НАСА, Национальная оптико-инфракрасная исследовательская лаборатория астрономии (NOIRLab) и Национальная радиоастрономическая обсерватория (НРАО) все дали ему свою печать одобрения. Следующий шаг, говорит Харрисон, — убедить политиков расстаться со средствами, которые потребуются для создания больших обсерваторий.
Следующий шаг — убедить политиков расстаться со средствами, которые потребуются для создания великих обсерваторий.
Фиона Харрисон, Калифорнийский технологический институт
«Конечно, сейчас я и Роберт Кенникатт [сопредседатель Харрисона из Университета Аризоны и Техасского университета A&M] сосредоточили свое внимание на том, чтобы попытаться донести до Конгресса интерес к интересным проектам, рекомендованным в ходе опроса», — говорит она. «Это был положительный ответ НАСА, и оно хочет, чтобы рекомендации были реализованы, но бюджет должен быть в наличии».
Если эти деньги поступят, Рике оценивает финансирование, необходимое для усовершенствования технологии оптического телескопа, примерно в полмиллиарда долларов. «Ближе к концу этого десятилетия мы будем готовы к тому, что все технологические утки будут сидеть в ряд, и мы сможем перейти к этапу строительства», — говорит она.
Задействованные временные рамки феноменальны. Если верить Хабблу и Чандре, телескопы следующего поколения, запущенные в 2040-х годах, могут работать в 2070-х или позже. Таким образом, рекомендации десятилетнего обзора важны не только для следующих 10 лет астрономии, но и для их влияния на большую часть этого века. Поэтому на исследование оказывалось огромное давление, чтобы оно было правильным.
«Именно здесь важно ставить перед собой амбициозные цели, — говорит Рике. «Вы должны определить что-то, что настолько важно, чтобы все согласились, и является достаточным шагом вперед, чтобы что-то еще не настигло вас, пока вы это делаете». История рассудит, были ли верны ключевые решения этого десятилетнего обзора, но с сегодняшней точки зрения будущее астрофизики обещает быть захватывающим.
