Astronomer har vänt blicken mot framtiden efter US National Academies senaste decadalundersökning av astronomi och astrofysik, som rekommenderade en ny generation rymdteleskop. Keith Cooper utforskar deras framtidsutsikter och lärdomarna från den oroliga utvecklingen av rymdteleskopet James Webb
Juldagen 2021 var ett lyckligt tillfälle för de flesta astronomer runt om i världen, som det var när den mycket försenade James Webb rymdteleskop (JWST) lanserades äntligen. Men fanfaren kring dess utspel i rymden under den kommande månaden, liksom det efterföljande jublet över de första bilderna, har maskerat ett bekymmersamt problem inom observationsastronomi – vilket är att mycket av resten av NASA:s flotta av rymdbaserade observatorier i omloppsbana. åldras. De Hubble rymdteleskop har arbetat sedan 1990, medan Chandra röntgenobservatorium lanserades nästan ett decennium senare. Under tiden, deras infraröda landsman, den Spitzer rymdteleskop, som lanserades 2003, fungerar inte längre, efter att ha lagts ner 2020.
Det är därför astronomer är oroliga för att om något skulle hända med ett eller flera av dessa alltmer skrangliga teleskop, kan de skäras av från hela det elektromagnetiska spektrumet. Med avstängningen av Spitzer, fjärrinfraröda (160 ^ m) är redan utom räckhåll eftersom JWST bara vågar sig in i det mellaninfraröda vid 26 μm. Liknande, JWST är inte optimerad för att observera synliga eller ultravioletta våglängder som Hubble gör. Visst, den kommande Nancy Grace romerska rymdteleskop – tidigare Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – är ett optiskt och nära-infrarött teleskop, men dess synfält är mycket bredare än Hubbles, vilket innebär att det inte är anpassat för detaljerat arbete på nära håll; Den har inte heller Hubbles ultravioletta täckning.
Stora observatorier
För att säkerställa att vår syn på universum över hela spektrumet förblir ljus, håller amerikanska astronomer för närvarande på att välja och välja nästa kohort av rymdteleskop. Den främsta rekommendationen från den senaste astronomiska dekadalundersökningen från US National Academies of Sciences, Engineering and Medicine – den 614-sidiga rapporten Pathways to Discovery in Astronomy and Astrophysics för 2020-talet (Astro2020) – planerar att införas för en ny generation av "stora observatorier" som ska börja lanseras på 2040-talet. Detta ekar när Chandra, Hubble, Spitzer och Compton Gamma-Ray Observatory (som fungerade mellan 1991 och 2000 och efterträddes 2008 av Fermi Space Telescope) var under utveckling, och som utropades som de "stora observatorierna".
Dessa teleskop arbetar tillsammans med varandra för att studera universum och har stått i spetsen för NASA:s astrofysikforskning i årtionden. Återanvändningen av denna fras "stora observatorier" i den nya decadalundersökningen är avsiktlig, säger undersökningens medordförande, Fiona Harrison från California Institute of Technology. "Det är för att komma över poängen att pankromatiska observationer, från röntgenstrålar till infraröd, verkligen är avgörande för modern astrofysik," säger hon. "En stor del av framgången för de [ursprungliga] stora observatorierna är att de utvecklades och lanserades efter varandra, med överlappande observationer."
Att bygga ett framgångsrikt rymdteleskop är en lång process, som vanligtvis tar 25 år från utvecklingsstart till uppskjutning. Konceptarbetet för Hubble började på 1960-talet, medan planerna för JWST kom samman först 1995, efter att Hubble Deep Field-bilder visade att de första galaxerna är inom räckhåll för ett större teleskop. Nästa generation av sådana rymdbaserade sonder kommer därför inte att lanseras förrän på 2040-talet, tidigast. Men de kommer att inkludera undersökningens rekommendation nummer ett: ett flaggskeppsuppdrag för att ersätta Hubble, hämta inspiration från två koncept – Habitable Exoplanet Observatory (HabEx) och Stor ultraviolett, optisk och infraröd (LUVOIR) teleskop. På ritbordet finns också ett röntgenuppdrag och ett teleskop som kan observera i fjärrinfrarött.
Men med tanke på den osäkra hälsan hos vår nuvarande skörd av rymdteleskop, och med att veta att de nya uppdragen inte kommer att starta om 20 år till, borde inte astronomer ha börjat planera för nya stora observatorier för flera år sedan? "Visst", säger Steven Kahn från Stanford University, som var ordförande för en av panelerna i den decadalundersökning som tittade på framtida rymdteleskop. Han citerar Constellation-X-observatoriet – en röntgenrymdsond som rekommenderades som en uppföljning till Chandra i 2000 års decadalundersökning, men som aldrig kom till resultat på grund av den utdragna utvecklingen av JWST, som sög upp alla astrofysikbudgeten. "JWST dominerade i princip det stora observatorieprogrammet vid NASA i två och ett halvt decennier", förklarar Kahn. "Som ett resultat fanns det inte utrymme att göra ett uppföljande röntgenuppdrag, eller den typ av banbrytande långt-infraröda uppdrag som vi tänker oss."
Vinnaren tar allt
Faktum är att JWST:s utveckling såg många problem, inklusive enorma överskridanden av kostnader och utvecklingstid, vilket nästan ledde till att projektet avbröts. Minnet av dessa misstag skymtar stort under den nya decadalundersökningen, vilket påverkar några av de rekommendationer som gjorts för att återställa balansen i astrofysiken i USA. Men det var inte alltid så här. Kahn beklagar hur det, före undersökningen 2000, bara att komma på listan över rekommendationer i en decadalundersökning var tillräckligt för att praktiskt taget garantera att ditt projekt eller uppdrag skulle hända. Men i den moderna eran med teleskop för 10 miljarder dollar, "måste du vara nummer ett annars kommer du inte att få det gjort", säger Kahn. "Problemet är att i den här vinnaren-tar-allt-miljön vill alla kasta alla klockor och visselpipor de kan på ett projekt för om du tror att du bara kommer att få en chans på ett stort uppdrag under de kommande 50 åren , du vill få det att räknas."
Det är detta sätt att tänka som kan leda till de problem som JWST både stod inför och orsakade. Ju mer komplex en uppdragsdesign blir, desto fler instrument och kapacitet vill du att den ska ha för att göra det värt besväret – vilket innebär att det blir dyrare och tar längre tid att utveckla. "Allt som får oss tillbaka in i denna onda cirkel av vinnare tar allt", fortsätter Kahn.
Harrison håller med, och betonar att denna nya decadalundersökning är ett försök att försöka ändra USA:s astronomis tillvägagångssätt. "För att en decadal undersökning ska säga är det här den viktigaste saken, vi måste göra det oavsett vad, till vilken kostnad det än blir, inte ett ansvarsfullt tillvägagångssätt", säger hon. I ett försök att motverka detta ger den senaste undersökningen ett antal nya förslag. Bland dem är idén att uppdrag bör utformas i samklang med specifika vetenskapliga prioriteringar, snarare än att låta uppdragskonceptet springa iväg med sig självt, med alla "klockor och visselpipor", för att citera Kahn.
Till exempel var en av de viktigaste vetenskapliga frågorna som Kahns panel tittade på hur aktiva supermassiva svarta hål i avlägsna, dammiga galaxer påverkar stjärnbildningen. Ansamlingen av materia på sådana svarta hål skulle kunna detekteras av ett röntgenteleskop med hög vinkelupplösning, medan ett långt infrarött spektroskopiskt uppdrag skulle kunna titta genom dammet och undersöka specifika spektrallinjer relaterade till stjärnbildning och återkoppling från svarthålsvindar. Förhoppningen är att de två uppdragen skulle kunna lanseras inom några år från varandra och fungera unisont. Men vilken form dessa uppdrag kommer att ta är fortfarande i luften.
Före decadalundersökningen fanns det två missionskoncept – den Lynx röntgenobservatorium och Origins rymdteleskop – som skulle fungera på medel- till långt infraröda våglängder, med en teleskopspegel mellan 6 och 9 m i diameter. Var och en beräknades kosta cirka 5 miljarder dollar, men decadalundersökningen drog slutsatsen att dessa kostnader underskattades och att deras vetenskapliga kapacitet inte riktigt passade in i de krav som panelen letade efter.
Flaggskeppsuppdrag
Och här kommer en av decadalundersökningens andra innovationer in – nämligen en ny klass av rymdteleskop som kallas "probe-class", med budgetar på några miljarder dollar. "Vi måste erkänna att om allt skulle bli lika dyrt som JWST, skulle det vara svårt att ha alla stora observatorier i drift samtidigt", säger Marcia Rieke från University of Arizona, som ledde den andra panelen på rymdteleskop, med fokus på den optiska och nära-infraröda regimen. "Det bästa sättet i stället kan vara att ha ett flaggskeppsuppdrag och sedan låta de andra delarna av det elektromagnetiska spektrumet täckas av sonduppdrag."
Faktum är att alla möjliga röntgen- och fjärrinfraröda sondklassuppdrag kan också förenas med ett ultraviolettteleskop av sondklass. Förbättringar av spegelbeläggningar och detektorer under de senaste decennierna innebär att ett 1.5 m teleskop faktiskt kan vara känsligare än Hubble vid ultravioletta våglängder. "Det skulle ge en viss robusthet mot att Hubble misslyckas helt och hållet", säger Rieke.
För att hjälpa till att utveckla dessa framtida rymdteleskop, oavsett om de fortsätter som 10 miljarder dollar eller fortsätter som mer blygsamma (men fortfarande ambitiösa) sonderingsuppdrag, rekommenderar decadalundersökningen att NASA skapar en ny Great Observatories Mission and Technology Mognadsprogram. Det skulle inte bara utveckla tekniken, utan också "mogna uppdragskoncepten", säger Harrison. För sin del håller NASA redan workshops som en del av detta nya program och har tagit fram ett utkast till inbjudan till sonderingsuppdrag.
Om röntgen- och fjärrinfraröduppdragen – med smeknamnet "Fire" och "Smoke" för tillfället – ska vara sondklass, kommer flaggskeppets stora observatorium att vara den efterlängtade direkta ersättningen för rymdteleskopet Hubble. Konceptet som leder vägen är LUVOIR, och två versioner av teleskopet har föreslagits: antingen ett mycket ambitiöst 15 m teleskop, eller ett 8 m teleskop, varav det senare fortfarande skulle vara det största rymdteleskopet som någonsin lanserats.
Andra jordar
Av kostnads- och praktiska skäl rekommenderade decadalundersökningen att 15 m-versionen skulle falla förbi, och att den slutliga designen förenar de bästa delarna av både LUVOIR och HabEx. Det viktigaste vetenskapliga målet för detta teleskop, förklarar Rieke, är att det måste kunna upptäcka planeter med jordmassa i stjärnornas beboeliga zon. I det syftet engagerade Riekes panel en diskussion med exoplanetsamhället om hur många potentiellt beboeliga planeter som kunde upptäckas som en funktion av teleskopets storlek.
"Som grupp frågar ni: vilka är de viktigaste vetenskapliga målen? Vilken nivå av känslighet behövs? Vilket är det minsta teleskopet som kommer att göra jobbet?” säger Rieke. Svaret hon fick tillbaka var att ett teleskop med 6–8 m-öppning är ungefär så litet man vågar gå om man vill hitta potentiellt beboeliga exoplaneter.
Framgång handlar dock inte bara om storleken på teleskopet; dess instrument måste vara upp till noll också. För att framgångsrikt kunna avbilda planeter i jordstorlek nära sina stjärnor kommer det att krävas en koronagraf som en del av designen. Exoplaneter lika stora som jorden kan normalt inte avbildas eftersom bländningen av deras stjärna är för överväldigande. En koronagraf blockerar stjärnans ljus, vilket gör det lättare att se alla planeter som är närvarande. De har varit en stapelvara i studier av solen i decennier – deras namn kommer från att blockera solens skiva så att astronomer kan se solkoronan. Men att utforma en koronagraf som exakt kan blockera det starka ljuset från en stjärna, som i huvudsak verkar som en punktkälla, samtidigt som planeter bara millibågsekunder från stjärnan kan synas genom att minska kontrasten mellan stjärnans bländning och planeternas ljus till 10-10, är "ganska ett steg bortom allt vi har gjort tidigare", säger Rieke.
Bortom rymden, teleskop på marken
Inte alla av decadalundersökningens rekommendationer är relaterade till jätteteleskop i rymden. Vissa av dem är faktiskt gigantiska teleskop som är fast rotade på jorden. Till exempel det kontroversiella Trettio meter teleskop att byggas på Mauna Kea på Hawaii, trots protesterna från några infödda Hawaiianer, fortsätter att gå framåt. Så är det också Stora Magellan-teleskopet, som är under uppbyggnad i Chile och kommer att innehålla sju 8.4 m teleskop för att ge en effektiv diameter på 24.5 m.
Undersökningen rekommenderar också att Nästa generations mycket stora array – 244 radioskålar med 18 m diameter och 19 tallrikar med 6 m diameter spridda över sydvästra USA – bör börja byggas i slutet av decenniet. Det kommer att ersätta det åldrande Very Large Array i New Mexico och det Very Long Baseline Array av rätter över hela USA. Uppgraderingar till Stort interferometer gravitationsvågobservatorium (LIGO) och planer på en eventuell efterträdare rekommenderas också.
Samtidigt kommer kosmologer att bli glada över att höra att undersökningen också kräver ett nytt markbaserat observatorium, kallat CMB Stage 4-observatoriet, för att upptäcka polarisering i den kosmiska mikrovågsbakgrundsstrålningen för att söka efter bevis för primordiala gravitationsvågor som är resultatet av kosmisk inflation i universums tidigaste ögonblick.
Till sist, tillbaka i rymden, är högsta prioritet för medelstora uppdrag ett snabbsvars-tidsdomän- och multibudbärarprogram för att ersätta NASA:s Swift-rymdfarkoster och upptäcka supernovor, gammastrålningsskurar, kilonovaer och olika andra typer av astronomiska transienter. Av avgörande betydelse är att uppdragen i detta nya program måste kunna arbeta med och stödja de markbaserade observationerna av LIGO, Cherenkov Telescope Array och Isbit neutrinodetektor, för vilken en "Generation 2"-detektor också har rekommenderats.
Tillräckligt finansierat?
Det allmänna svaret på decadalundersökningens rekommendationer har varit mestadels positivt, med NASA, den National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory (NOIRLab) och National Radio Astronomy Observatory (NRAO) alla ger det sitt godkännande. Nästa steg, säger Harrison, är att övertyga politikerna att ta avstånd med de medel som kommer att behövas för att göra de stora observatorierna möjliga.
Nästa steg är att övertyga politikerna att ta avstånd från de medel som kommer att behövas för att göra de stora observatorierna möjliga.
Fiona Harrison, California Institute of Technology
"Visst ett fokus nu för mig själv och Robert Kennicutt [Harrisons medordförande från University of Arizona och Texas A&M University] är att försöka uttrycka för kongressen spänningen i de övertygande projekt som rekommenderas av undersökningen", säger hon. "Det var ett positivt svar från NASA, och den vill få rekommendationerna att hända, men budgeten måste finnas där."
Skulle de pengarna komma, uppskattar Rieke finansieringen som krävs för att mogna tekniken för det optiska teleskopet till cirka en halv miljard dollar. "Vi skulle då vara redo, mot slutet av detta decennium, att ha alla teknikankor på rad och vi kommer att kunna gå in i byggfasen", säger hon.
Tidsramarna är fenomenala. Om Hubble och Chandra är något att gå efter, kan nästa generations teleskop som lanserades på 2040-talet fortfarande vara i drift på 2070-talet eller senare. Decadalundersökningens rekommendationer är därför inte bara viktiga för de kommande 10 åren av astronomi, utan för deras inverkan på stora delar av detta århundrade. Det var därför en enorm press på undersökningen att få rätt.
"Det är där det är viktigt att välja ambitiösa mål", säger Rieke. "Du måste identifiera något som är så viktigt att alla är överens, och är ett tillräckligt steg framåt för att något annat inte kommer att gå om dig medan du gör det." Historien kommer att bedöma om denna decadalundersökning fick sina nyckelbeslut korrekta, men ur dagens perspektiv lovar astrofysikens framtid att bli spännande.
