Astronomi so pogled usmerili v prihodnost po zadnji desetletni raziskavi astronomije in astrofizike ameriških nacionalnih akademij, ki je priporočila novo generacijo vesoljskih teleskopov. Keith Cooper raziskuje njihove možnosti in izkušnje, pridobljene pri težavnem razvoju vesoljskega teleskopa Jamesa Webba
Božični dan 2021 je bil vesel dogodek za večino astronomov po vsem svetu, tako kot takrat, ko je veliko odlašalo Vesoljski teleskop James Webb (JWST) je bil končno predstavljen. Vendar pa je fanfare, ki obkrožajo njegovo razkritje v vesolju v naslednjem mesecu, kot tudi poznejše veselje nad njegovimi prvimi slikami, zakrile zaskrbljujoč problem v opazovalni astronomiji – ki je velik del preostale NASA-ine flote vesoljskih orbitalnih observatorijev se stara. The Hubblov vesoljski teleskop deluje od leta 1990, medtem ko je Rentgenski observatorij Chandra je bil predstavljen skoraj desetletje pozneje. Medtem je njihov infrardeči rojak, the Vesoljski teleskop Spitzer, ustanovljen leta 2003, ne deluje več, saj so ga leta 2020 zaprli.
Zato so astronomi zaskrbljeni, da bi lahko bili odrezani od celih delov elektromagnetnega spektra, če bi se kaj zgodilo z enim ali več teh vse bolj razmajanih teleskopov. Z zaustavitvijo Spitzerja je daljni infrardeči (160 Μm) je že izven dosega, saj se JWST poda v sredino infrardečega sevanja šele pri 26 μm. Podobno, JWST ni optimiziran za opazovanje vidnih ali ultravijoličnih valovnih dolžin, kot to počne Hubble. Seveda, prihajajoče Rimski vesoljski teleskop Nancy Grace – prej Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – je optični in bližnji infrardeči teleskop, vendar je njegovo vidno polje veliko širše od Hubblovega, kar pomeni, da ni prilagojen za delo od blizu in podrobno; niti nima Hubblove ultravijolične pokritosti.
Odlični observatoriji
Da bi zagotovili, da naš pogled na vesolje v celotnem spektru ostane svetel, ameriški astronomi trenutno izbirajo in izbirajo naslednjo kohorto vesoljskih teleskopov. Glavno priporočilo najnovejše desetletne astronomske raziskave Nacionalnih akademij znanosti, tehnike in medicine ZDA – poročilo na 614 straneh Poti do odkritij v astronomiji in astrofiziki za leta 2020 (Astro2020) – gre za načrte, ki naj bi se uvedli za novo generacijo »velikih observatorijev«, ki naj bi se začela lansirati v 2040-ih. To odmeva, ko so Chandra, Hubble, Spitzer in drugi Comptonov observatorij gama žarkov (ki je deloval med letoma 1991 in 2000 in ga je leta 2008 nasledil Fermijev vesoljski teleskop) so se razvijali in so bili razglašeni za »velike observatorije«.
Ti teleskopi, ki delajo skupaj pri preučevanju vesolja, že desetletja vodijo NASA-ine raziskave astrofizike. Ponovna uporaba tega izraza "veliki observatoriji" v novi desetletni raziskavi je namerna, pravi sopredsedujoči raziskave, Fiona Harrison s Kalifornijskega inštituta za tehnologijo. »Pojasniti je treba, da so pankromatska opazovanja, od rentgenskih do infrardečih, resnično bistvena za sodobno astrofiziko,« pravi. "Velik del uspeha [prvotnih] velikih observatorijev je, da so bili razviti in lansirani drug za drugim, s prekrivajočimi se opazovanji."
Izdelava uspešnega vesoljskega teleskopa je dolg proces, ki običajno traja 25 let od začetka razvoja do izstrelitve. Konceptno delo za Hubble se je začelo v šestdesetih letih 1960. stoletja, načrti za JWST pa so se prvič pojavili leta 1995, potem ko Hubblove slike globokega polja pokazala, da so prve galaksije v dosegu večjega teleskopa. Naslednja generacija takšnih vesoljskih sond bo torej izstreljena šele v 2040. letih. Vendar bodo vključevali priporočilo številka ena raziskave: vodilna misija, ki bo nadomestila Hubbla, ki bo črpala navdih iz dveh konceptov – Observatorij za naseljive eksoplanete (HabEx) in Veliki ultravijolični, optični in infrardeči (LUVOIR) teleskop. Na risalni deski sta tudi misija z rentgenskimi žarki in teleskop, ki lahko opazuje v daljni infrardeči svetlobi.
Toda glede na negotovo zdravje našega trenutnega pridelka vesoljskih teleskopov in zavedanje, da se nove misije ne bodo začele še naslednjih 20 let, ali ne bi morali astronomi že pred leti začeti načrtovati nove velike observatorije? "Zagotovo," pravi Steven Kahn z univerze Stanford, ki je predsedoval enemu od panelov v desetletni raziskavi o prihodnjih vesoljskih teleskopih. Navaja observatorij Constellation-X – rentgensko vesoljsko sondo, ki je bila priporočena kot nadaljevanje Chandre v desetletni raziskavi leta 2000, vendar ni nikoli uresničena zaradi dolgotrajnega razvoja JWST, ki je posrkal vse. proračun za astrofiziko. »JWST je dve desetletji in pol v bistvu prevladoval v velikem observatorijskem programu pri Nasi,« pojasnjuje Kahn. "Posledično ni bilo prostora za nadaljnjo misijo z rentgenskimi žarki ali pionirske misije z infrardečimi žarki, ki jo načrtujemo."
Zmagovalec vzame vse
Dejansko se je pri razvoju JWST pojavilo veliko težav, vključno z velikimi prekoračitvami stroškov in časa razvoja, zaradi česar je bil projekt skoraj preklican. Spomin na te napake je v ospredju nove desetletne raziskave in vpliva na nekatera priporočila za ponovno vzpostavitev ravnovesja v astrofiziki v ZDA. Vendar ni bilo vedno tako. Kahn obžaluje, da je bilo pred raziskavo iz leta 2000 samo uvrstitev na seznam priporočil v desetletni raziskavi dovolj, da je dejansko zagotovilo, da se bo vaš projekt ali misija uresničil. Toda v moderni dobi teleskopov, vrednih 10 milijard dolarjev, »morate biti številka ena, sicer vam ne bo uspelo,« pravi Kahn. »Težava je v tem, da si v tem okolju, kjer zmagovalec dobi vse, vsi želijo v projekt vložiti vse, kar lahko, ker če mislite, da boste v naslednjih 50 letih dobili samo en poskus za veliko misijo , želite, da to šteje.«
Ta način razmišljanja lahko vodi do težav, s katerimi se je JWST soočil in jih je povzročil. Bolj ko zapletena postaja zasnova misije, več instrumentov in zmogljivosti, ki jih želite imeti, da bi se splačala – kar pomeni, da postane dražja in traja dlje za razvoj. »Vse to nas pripelje nazaj v ta začarani krog zmagovalec vzame vse,« nadaljuje Kahn.
Harrison se strinja in poudarja, da je ta nova desetletna raziskava poskus poskusa spremeniti pristop ameriške astronomije. »Da bi desetletna raziskava rekla, da je to stvar številka ena, to moramo storiti ne glede na vse, za kakršno koli ceno se konča, ni odgovoren pristop,« pravi. Da bi se temu zoperstavili, je nedavna raziskava podala številne nove predloge. Med njimi je zamisel, da bi morale biti misije zasnovane v skladu s posebnimi znanstvenimi prednostnimi nalogami, namesto da bi koncept misije pobegnil sam od sebe, z vsemi "zvonci in piščalkami", če citiram Kahna.
Na primer, eno od ključnih znanstvenih vprašanj, ki si jih je Kahnova komisija ogledala, je bil način, na katerega aktivne supermasivne črne luknje v oddaljenih, prašnih galaksijah vplivajo na nastajanje zvezd. Kopičenje snovi na takšne črne luknje bi bilo mogoče zaznati z rentgenskim teleskopom z visoko kotno ločljivostjo, medtem ko bi spektroskopska misija v daljnem infrardečem spektru lahko zrla skozi prah in sondirala specifične spektralne črte, povezane z nastajanjem zvezd in povratnimi informacijami iz vetrovi črne luknje. Upamo, da bi se obe misiji lahko začeli v nekaj letih druga za drugo in delovali usklajeno. Toda kakšna bo oblika teh misij, je še vedno v zraku.
Pred desetletno raziskavo sta obstajala dva koncepta misije – Rentgenski observatorij Lynx in Vesoljski teleskop Origins – ki bi deloval na srednjih do daljnih infrardečih valovnih dolžinah, s teleskopskim ogledalom premera med 6 in 9 m. Vsak naj bi stal okoli 5 milijard dolarjev, vendar je desetletna raziskava pokazala, da so bili ti stroški podcenjeni in da njihove znanstvene zmogljivosti niso povsem ustrezale zahtevam, ki jih je iskala komisija.
Vodilne misije
In tu nastopi ena od drugih inovacij desetletne raziskave – namreč nov razred vesoljskega teleskopa, imenovan »razred sonde«, s proračunom nekaj milijard dolarjev. "Priznati moramo, da če bi bile vse stvari tako drage kot JWST, bi bilo težko imeti vse velike observatorije, ki bi delovale hkrati," pravi Marcia Rieke z Univerze v Arizoni, ki je vodil drugi panel o vesoljskih teleskopih, s poudarkom na optičnem in bližnjem infrardečem režimu. "Namesto tega je najboljši način, da imamo eno vodilno misijo, nato pa druge dele elektromagnetnega spektra pokrivajo misije sond."
Vsem morebitnim rentgenskim in daljnoinfrardečim misijam tipa sonde bi se lahko pridružil tudi ultravijolični teleskop razreda sonde. Izboljšave zrcalnih premazov in detektorjev v zadnjih nekaj desetletjih pomenijo, da bi lahko bil 1.5-metrski teleskop dejansko bolj občutljiv kot Hubble pri ultravijoličnih valovnih dolžinah. "To bi zagotovilo nekaj robustnosti proti Hubblovim napakam," pravi Rieke.
Da bi pomagali pri razvoju teh prihodnjih vesoljskih teleskopov, ne glede na to, ali bodo nadaljevali kot velikani v vrednosti 10 milijard dolarjev ali bodo šli naprej kot skromnejše (a še vedno ambiciozne) misije sond, desetletna raziskava priporoča, da NASA ustvari novo Misija Great Observatories in program zorenja tehnologije. To ne bi samo razvilo tehnologije, ampak tudi "zorilo koncepte misije", pravi Harrison. Nasa že organizira delavnice v okviru tega novega programa in je pripravila osnutek razpisa za misije sond.
Če naj bi bili rentgenski in daljnoinfrardeči misiji – za zdaj z vzdevkoma »Ogenj« in »Dim« – namenjeni sondi, bo vodilni veliki observatorij dolgo pričakovana neposredna zamenjava za vesoljski teleskop Hubble. Koncept, ki vodi pot, je LUVOIR, predlagani pa sta bili dve različici teleskopa: bodisi divje ambiciozen 15-metrski teleskop ali 8-metrski teleskop, pri čemer bi bil slednji še vedno največji vesoljski teleskop, ki je bil kdaj izstreljen.
Druge Zemlje
Zaradi stroškov in praktičnosti je desetletna raziskava priporočila, da 15-metrska različica ostane ob strani in da končna zasnova združuje najboljše dele LUVOIR in HabEx. Ključni znanstveni cilj tega teleskopa, pojasnjuje Rieke, je, da mora biti sposoben zaznati planete z maso Zemlje v bivalnem območju zvezd. V ta namen se je Riekejev panel vključil v razpravo s skupnostjo eksoplanetov o tem, koliko potencialno naseljivih planetov bi lahko odkrili glede na velikost teleskopa.
»Kot skupina sprašujete: kateri so ključni znanstveni cilji? Kakšna stopnja občutljivosti je potrebna? Kateri je najmanjši teleskop, ki bo opravil to delo?« pravi Rieke. Odgovor, ki ga je dobila nazaj, je bil, da je teleskop z odprtino 6–8 m približno tako majhen, kot si upaš narediti, če želiš najti potencialno naseljive eksoplanete.
Uspeh pa ni samo velikost teleskopa; tudi njegovi instrumenti morajo biti na tekočem. Za uspešno slikanje planetov v velikosti Zemlje v bližini njihovih zvezd bo potreben koronagraf kot del njegove zasnove. Eksoplanetov velikosti Zemlje običajno ni mogoče posneti, ker je bleščanje njihove zvezde premočno. Koronograf blokira svetlobo zvezde, zaradi česar je lažje videti vse prisotne planete. Že desetletja so stalnica študij Sonca – njihovo ime izhaja iz blokiranja Sončevega diska, tako da lahko astronomi vidijo Sončevo korono. Toda zasnova koronagrafa, ki lahko natančno blokira močno svetlobo zvezde, ki se zdi v bistvu kot točkasti vir, hkrati pa omogoča, da so vidni planeti le milisekund od zvezde, tako da zmanjša kontrast med bleščanjem zvezde in svetlobo planetov na 10-10, je "precej korak dlje od vsega, kar smo počeli prej", pravi Rieke.
Onstran vesolja, teleskopi na tleh
Vsa priporočila desetletne raziskave niso povezana z ogromnimi teleskopi v vesolju. Dejansko so nekateri med njimi velikanski teleskopi, trdno zakoreninjeni na Zemlji. Na primer, kontroverzno Trideset metrski teleskop ki bo zgrajena na Mauna Kea na Havajih, se kljub protestom nekaterih domačih Havajcev nadaljuje. Prav tako je Veliki Magellanov teleskop, ki je v izgradnji v Čilu in bo vseboval sedem 8.4 m teleskopov, kar bo dalo efektivni premer 24.5 m.
Raziskava tudi priporoča, da Zelo velik niz naslednje generacije – 244 radijskih krožnikov premera 18 m in 19 radijskih krožnikov premera 6 m, razporejenih po jugozahodu ZDA – naj bi začeli graditi do konca desetletja. Zamenjal bo zastareli Very Large Array v Novi Mehiki in Very Long Baseline Array jedi po ZDA. Nadgradnje na Observatorij za gravitacijske valove velikega interferometra (LIGO) in načrti za morebitnega naslednika so tudi priporočljivi.
Medtem bodo kozmologi navdušeni, ko bodo izvedeli, da raziskava zahteva tudi nov zemeljski observatorij, poimenovan CMB Stage 4 observatorij, ki bi zaznaval polarizacijo v kozmičnem mikrovalovnem sevanju ozadja in iskal dokaze o prvobitnih gravitacijskih valovih, ki so bili posledica kozmične inflacije. v najzgodnejših trenutkih vesolja.
Nazadnje, v vesolju je najvišja prioriteta za misije srednjega obsega hitroodzivni program časovne domene in multimessengerja, ki bo nadomestil Nasino vesoljsko plovilo Swift in zaznal supernove, izbruhe žarkov gama, kilonove in razne druge vrste astronomskih prehodov. Bistveno je, da morajo biti misije v tem novem programu sposobne delati in podpirati zemeljska opazovanja LIGO, Niz teleskopov Čerenkov in Ledena kocka nevtrinskega detektorja, za katerega je priporočljiv tudi detektor "generacije 2".
Dovolj financiran?
Splošni odziv na priporočila desetletne raziskave je bil večinoma pozitiven, pri čemer je NASA Nacionalni raziskovalni laboratorij za optično infrardečo astronomijo (NOIRLab) in Nacionalni radioastronomski observatorij (NRAO) vsi dajejo svoj pečat odobritve. Naslednji korak, pravi Harrison, je prepričati politike, da se ločijo od sredstev, ki bodo potrebna za vzpostavitev velikih observatorijev.
Naslednji korak je prepričati politike, da se ločijo od sredstev, ki bodo potrebna za vzpostavitev velikih observatorijev
Fiona Harrison, Kalifornijski inštitut za tehnologijo
»Vsekakor se zdaj osredotočava zame in Roberta Kennicutta [Harrisonovega sopredsedujočega z Univerze v Arizoni in Teksaške univerze A&M], da poskušava kongresu artikulirati navdušenje nad prepričljivimi projekti, ki jih priporoča raziskava,« pravi. "To je bil pozitiven odziv NASA in želi uresničiti priporočila, vendar mora biti proračun tam."
Če bi ta denar prišel, Rieke ocenjuje, da bo financiranje, potrebno za razvoj tehnologije za optični teleskop, približno pol milijarde dolarjev. »Proti koncu tega desetletja bi bili pripravljeni, da bi vse tehnološke race sedele v vrsti in da bi lahko vstopili v fazo gradnje,« pravi.
Vključeni časovni okviri so fenomenalni. Če sta Hubble in Chandra karkoli primerna, bi teleskopi naslednje generacije, ki so bili izstreljeni v 2040. letih 2070. stoletja, lahko še vedno delovali v 10. ali pozneje. Priporočila desetletne raziskave torej niso pomembna samo za naslednjih XNUMX let astronomije, ampak za njihov vpliv na večji del tega stoletja. Zato je bil na anketo ogromen pritisk, da je bila pravilna.
»Tukaj je pomembno izbrati ambiciozne cilje,« pravi Rieke. "Identificirati morate nekaj, kar je tako pomembno, da se vsi strinjajo, in je dovolj korak naprej, da vas nekaj drugega ne bo prehitelo, medtem ko to počnete." Zgodovina bo presodila, ali je ta desetletna raziskava sprejela svoje ključne odločitve pravilne, toda z današnje perspektive se obeta, da bo prihodnost astrofizike vznemirljiva.
