Gökbilimciler, ABD Ulusal Akademilerinin yeni nesil uzay teleskoplarını öneren astronomi ve astrofizik alanındaki son on yıllık araştırmasının ardından gözlerini geleceğe çevirdiler. Keith Cooper umutlarını ve James Webb Uzay Teleskobu'nun sorunlu gelişiminden çıkarılan dersleri araştırıyor.
2021 Noel Günü, dünyanın dört bir yanındaki gökbilimcilerin çoğu için mutlu bir gündü, çünkü çok ertelenen Noel Günü'nde olduğu gibi. James Webb Uzay Teleskobu (JWST) nihayet başlatıldı. Bununla birlikte, önümüzdeki ay boyunca uzayda açılımını çevreleyen tantana ve ilk görüntülerinin müteakip sevinci, gözlemsel astronomide rahatsız edici bir sorunu maskeledi - ki bu, NASA'nın uzay tabanlı yörüngedeki gözlemevleri filosunun geri kalanının çoğudur. yaşlanıyor bu Hubble uzay teleskobu 1990'dan beri çalışıyor, Chandra X-ray Gözlemevi yaklaşık on yıl sonra piyasaya sürüldü. Bu arada, kızılötesi yurttaşları, Spitzer Uzay Teleskopu2003 yılında piyasaya sürülen , 2020'de kapatıldığı için artık faaliyet göstermiyor.
Bu nedenle astronomlar, giderek daha da köhneleşen bu teleskoplardan birine veya daha fazlasına bir şey olması durumunda, elektromanyetik spektrumun tüm alanlarından kesilebileceklerinden endişe ediyorlar. Spitzer'in kapanmasıyla uzak kızılötesi (160 um) zaten ulaşılamaz çünkü JWST yalnızca 26'da orta kızılötesine giriyor mikron Benzer şekilde, JWST, Hubble'ın yaptığı gibi görünür veya ultraviyole dalga boylarını gözlemlemek için optimize edilmemiştir. Elbette, önümüzdeki Nancy Grace Roma Uzay Teleskobu – eski adıyla Geniş Alan Kızılötesi Tarama Teleskopu (WFIRST) – optik ve yakın kızılötesi bir teleskoptur, ancak görüş alanı Hubble'ınkinden çok daha geniştir, yani yakın plan, ayrıntılı çalışma için tasarlanmamıştır; Hubble'ın ultraviyole kapsama alanına da sahip değildir.
Büyük gözlemevleri
Spektrum boyunca evrene bakışımızın parlak kalmasını sağlamak için, ABD'li astronomlar şu anda bir sonraki uzay teleskopları kohortunu seçip seçiyorlar. ABD Ulusal Bilimler, Mühendislik ve Tıp Akademilerinin en son astronomik on yıllık araştırmasının ana tavsiyesi - 614 sayfalık rapor 2020'ler için Astronomi ve Astrofizikte Keşfe Giden Yollar (Astro2020) - 2040'larda lansmana başlayacak yeni nesil "harika gözlemevleri" için uygulamaya konulacak planlar içindir. Bu, Chandra, Hubble, Spitzer ve Compton Gama Işını Gözlemevi (1991-2000 yılları arasında faaliyet gösteren ve yerini 2008 yılında Fermi Uzay Teleskobu'na bırakan) geliştirilmekte olan ve “büyük gözlemevleri” olarak lanse edilen yapılardır.
Evreni incelemek için yan yana çalışan bu teleskoplar, onlarca yıldır NASA'nın astrofizik araştırmalarına öncülük ediyor. Anketin eş başkanı, yeni on yıllık ankette bu "büyük gözlemevleri" ifadesinin kasıtlı olarak yeniden kullanıldığını söylüyor. California Teknoloji Enstitüsü'nden Fiona Harrison. “X-ışınlarından kızılötesine kadar pankromatik gözlemlerin modern astrofizik için gerçekten gerekli olduğu noktasını anlamak için” diyor. "[Orijinal] büyük gözlemevlerinin başarısının çoğu, örtüşen gözlemlerle birbiri ardına geliştirilip başlatılmalarıdır."
Başarılı bir uzay teleskobu inşa etmek, geliştirmenin başlangıcından lansmanına kadar genellikle 25 yıl süren uzun bir süreçtir. Hubble için konsept çalışmaları 1960'larda başlarken, JWST için planlar ilk kez 1995'te bir araya geldi. Hubble Derin Alan görüntüleri ilk galaksilerin daha büyük bir teleskopun ulaşabileceği mesafede olduğunu gösterdi. Bu tür uzay tabanlı sondaların yeni nesli bu nedenle en erken 2040'lara kadar fırlatılmayacak. Ancak anketin bir numaralı tavsiyesini içerecekler: Hubble'ın yerini alacak, iki kavramdan ilham alan amiral gemisi bir görev - Yaşanabilir Ötegezegen Gözlemevi (HabEx) ve Büyük UltraViolet, Optik ve Kızılötesi (LUVOIR) teleskop. Ayrıca çizim tahtasında bir X-ışını görevi ve uzak kızılötesinde gözlem yapabilen bir teleskop var.
Ancak şu anki uzay teleskoplarımızın sağlıksız durumu göz önüne alındığında ve yeni görevlerin 20 yıl daha başlamayacağını bildikleri için, astronomların yeni büyük gözlemevleri için planlamaya yıllar önce başlamaları gerekmez miydi? "Kesinlikle" diyor Stanford Üniversitesi'nden Steven Kahn, geleceğin uzay teleskoplarına bakan on yıllık anketteki panellerden birine başkanlık etti. 2000 decadal araştırmasında Chandra'nın devamı olarak önerilen, ancak JWST'nin her şeyi emen uzun süreli gelişimi nedeniyle hiçbir zaman meyve vermeyen bir X-ışını uzay sondası olan Constellation-X gözlemevinden alıntı yapıyor. astrofizik bütçesi Kahn, "JWST, temelde NASA'daki büyük gözlemevi programına yirmi beş yıl boyunca hakim oldu" diye açıklıyor. "Sonuç olarak, devam eden bir X-ışını görevi veya öngördüğümüz türden bir öncü uzak kızılötesi görevi yapmak için yer yoktu."
Kazanan hepsini alır
Gerçekten de, JWST'nin gelişimi, maliyet ve geliştirme süresindeki büyük aşımlar da dahil olmak üzere, projenin neredeyse iptal edilmesine neden olan birçok sorunla karşılaştı. Bu hataların hatırası, ABD'de astrofizikte dengeyi yeniden sağlamak için yapılan bazı tavsiyeleri etkileyen yeni on yıllık araştırma üzerinde büyük önem taşıyor. Ama her zaman böyle değildi. Kahn, 2000 anketinden önce, on yıllık bir ankette sadece öneriler listesine girmenin, projenizin veya görevinizin gerçekleşeceğini neredeyse garanti etmek için nasıl yeterli olduğundan yakınıyor. Ancak 10 milyar dolarlık teleskopların modern çağında, "bir numara olmak zorundasınız yoksa işi bitiremezsiniz" diyor Kahn. “Sorun şu ki, kazananın her şeyi aldığı bu ortamda, herkes bir proje için elinden gelen tüm çanları ve ıslıkları atmak istiyor çünkü önümüzdeki 50 yıl içinde büyük bir görevde yalnızca bir şansınız olacağını düşünüyorsanız , saymak istiyorsun.
JWST'nin hem karşılaştığı hem de neden olduğu sorunlara yol açabilecek olan bu düşünce tarzıdır. Bir görev tasarımı ne kadar karmaşık hale gelirse, onu değerli kılmak için o kadar çok araç ve beceriye sahip olmasını istersiniz - bu da daha pahalı hale gelmesi ve geliştirilmesinin daha uzun sürmesi anlamına gelir. Kahn, "Bunların hepsi bizi bu kısır döngüye geri getiriyor, kazanan her şeyi alır," diye devam ediyor Kahn.
Harrison, bu yeni on yıllık araştırmanın ABD astronomisinin yaklaşımını değiştirmeye yönelik bir girişim olduğunu vurgulayarak aynı fikirde. "On yıllık bir anketin, bunun bir numaralı şey olduğunu söylemesi, ne pahasına olursa olsun, ne pahasına olursa olsun bunu yapmamız gerekiyor, sorumlu bir yaklaşım değil" diyor. Buna karşı koyma girişiminde, son anket bir dizi yeni teklifte bulunuyor. Bunların arasında, Kahn'dan alıntıyla, görev konseptinin tüm "ziller ve ıslıklar" ile kendi kendine kaçmasına izin vermek yerine, görevlerin belirli bilim öncelikleriyle uyumlu olarak tasarlanması gerektiği fikri var.
Örneğin, Kahn'ın panelinin baktığı kilit bilim sorularından biri, uzak, tozlu galaksilerdeki aktif süper kütleli karadeliklerin yıldız oluşumunu nasıl etkilediğiydi. Bu tür kara deliklerin üzerine madde yığılması, yüksek açısal çözünürlüklü bir X-ışını teleskopu tarafından tespit edilebilirken, uzak kızılötesi spektroskopik bir görev, tozun içinden bakıp yıldız oluşumu ve geri bildirimle ilgili belirli spektral çizgileri inceleyebilecektir. kara delik rüzgarları. Umut, iki misyonun birbiri ardına birkaç yıl içinde başlatılabilmesi ve uyum içinde çalışabilmesidir. Ancak bu görevlerin nasıl bir şekil alacağı henüz bilinmiyor.
Dekadal anketten önce iki misyon kavramı vardı - Lynx X-ışını Gözlemevi ve Origins Uzay Teleskobu - çapı 6 ila 9 m arasında olan bir teleskop aynasıyla orta ila uzak kızılötesi dalga boylarında çalışacak. Her birinin yaklaşık 5 milyar dolara mal olduğu tahmin ediliyordu, ancak on yıllık araştırma, bu maliyetlerin hafife alındığı ve bilim yeteneklerinin panelin aradığı gereksinimlere tam olarak uymadığı sonucuna vardı.
amiral gemisi misyonları
Ve burada, on yıllık araştırmanın diğer yeniliklerinden biri devreye giriyor - yani, birkaç milyar dolarlık bütçeye sahip, "sonda sınıfı" olarak anılan yeni bir uzay teleskobu sınıfı. "Her şey JWST kadar pahalı olsaydı, tüm büyük gözlemevlerinin aynı anda faaliyet göstermesinin zor olacağını kabul etmeliyiz" diyor. Arizona Üniversitesi'nden Marcia Rieke, optik ve yakın kızılötesi rejime odaklanan uzay teleskopları üzerine ikinci paneli yöneten. "Bunun yerine en iyi yol, bir amiral gemisi görevine sahip olmak ve ardından elektromanyetik spektrumun diğer kısımlarını araştırma misyonları tarafından kapsanmak olabilir."
Gerçekten de, olası herhangi bir X-ışını ve uzak kızılötesi sonda sınıfı misyonlar, bir sonda sınıfı ultraviyole teleskopla birleştirilebilir. Son birkaç on yılda ayna kaplamaları ve dedektörlerdeki gelişmeler, 1.5 m'lik bir teleskopun aslında ultraviyole dalga boylarında Hubble'dan daha hassas olabileceği anlamına geliyor. Rieke, "Bu, Hubble'ın tamamen başarısız olmasına karşı biraz sağlamlık sağlar" diyor.
İster 10 milyar dolarlık devler olarak ilerlesinler, ister daha mütevazı (ama yine de iddialı) araştırma görevleri olarak ilerlesinler, bu geleceğin uzay teleskoplarının geliştirilmesine yardımcı olmak için on yıllık araştırma, NASA'nın yeni bir uzay teleskopu oluşturmasını tavsiye ediyor. Büyük Gözlemevleri Misyon ve Teknoloji Olgunlaştırma Programı. Harrison, sadece teknolojiyi geliştirmekle kalmayacak, aynı zamanda "görev konseptlerini olgunlaştıracak" diyor. NASA, bu yeni programın bir parçası olarak halihazırda atölye çalışmaları düzenliyor ve araştırma görevleri için bir taslak çağrı hazırladı.
Şimdilik "Ateş" ve "Duman" olarak adlandırılan X-ışınları ve uzak kızılötesi görevler, sonda sınıfı olacaksa, amiral gemisi büyük gözlemevi, Hubble Uzay Teleskobu'nun uzun zamandır beklenen doğrudan yerini alacak. Öncü konsept LUVOIR'dir ve teleskopun iki versiyonu önerilmiştir: ya son derece iddialı 15 m'lik bir teleskop ya da 8 m'lik bir teleskop, ikincisi hala şimdiye kadar fırlatılan en büyük uzay teleskobu olacak.
Diğer Dünyalar
Maliyet ve pratiklik nedenleriyle, on yıllık araştırma, 15 metrelik versiyonun rafa kaldırılmasını ve son tasarımın hem LUVOIR hem de HabEx'in en iyi kısımlarını birleştirmesini tavsiye etti. Rieke, bu teleskobun temel bilimsel amacının, yıldızların yaşanabilir bölgesindeki Dünya kütleli gezegenleri tespit edebilmesi olduğunu açıklıyor. Bu amaçla, Rieke'nin paneli, ötegezegen topluluğuyla, teleskopun boyutunun bir fonksiyonu olarak kaç tane potansiyel olarak yaşanabilir gezegenin tespit edilebileceği hakkında bir tartışma başlattı.
“Grup olarak soruyorsunuz: temel bilim hedefleri neler? Ne düzeyde bir hassasiyet gereklidir? İşi yapacak en küçük teleskop nedir?” diyor Rieke. Aldığı yanıt, potansiyel olarak yaşanabilir ötegezegenler bulmak istiyorsanız, 6-8 m açıklıklı bir teleskopun gitmeye cesaret edebileceğiniz kadar küçük olduğuydu.
Başarı sadece teleskopun boyutundan ibaret değildir; enstrümanlarının da sıfırdan olması gerekiyor. Dünya büyüklüğündeki gezegenleri yıldızlarına yakın başarılı bir şekilde görüntülemek, tasarımının bir parçası olarak bir koronagraf gerektirecektir. Dünya büyüklüğündeki ötegezegenler normalde görüntülenemez çünkü yıldızlarının parıltısı çok kuvvetlidir. Bir koronagraf, yıldızın ışığını engelleyerek, katılan herhangi bir gezegenin görülmesini kolaylaştırır. Onlarca yıldır Güneş'le ilgili çalışmaların temelini oluşturuyorlar - adları, gökbilimcilerin güneş koronasını görebilmeleri için Güneş'in diskini bloke etmekten geliyor. Ancak, yıldızın parlaklığı ile gezegenlerin ışığı arasındaki kontrastı 10'a düşürerek, yıldızdan sadece miliyaysaniye uzaktaki gezegenlerin görünür olmasına izin verirken, esasen bir nokta kaynağı gibi görünen bir yıldızın parlak ışığını tam olarak engelleyebilen bir koronagraf tasarlamak.-10, "daha önce yaptığımız her şeyin çok ötesinde", diyor Rieke.
Uzayın ötesinde, yerdeki teleskoplar
On yıllık anketin tavsiyelerinin tümü uzaydaki dev teleskoplarla ilgili değil. Gerçekten de, bazıları Dünya'ya sıkıca kök salmış dev teleskoplardır. Örneğin, tartışmalı Otuz Metre Teleskop Hawaii'deki Mauna Kea üzerine inşa edilecek olan proje, bazı Hawaii yerlilerinin protestolarına rağmen ilerlemeye devam ediyor. bu yüzden Büyük Macellan TeleskopuŞili'de yapım aşamasında olan ve 8.4 m'lik etkili bir çap vermek üzere yedi adet 24.5 m'lik teleskop içerecek.
Anket ayrıca şunları önermektedir: Yeni Nesil Çok Büyük Dizi - ABD'nin güneybatısına yayılmış 244 m çapında 18 radyo çanağı ve 19 m çapında 6 çanak - on yılın sonunda inşa edilmeye başlanmalıdır. New Mexico'daki eskiyen Çok Büyük Dizinin ve ABD'deki Çok Uzun Temel Yemek Dizisinin yerini alacak. yükseltmeleri Büyük İnterferometre Yerçekimi Dalgası Gözlemevi (LIGO) ve nihai bir halef için planlar da önerilir.
Bu arada, kozmologlar, anketin kozmik enflasyondan kaynaklanan ilkel yerçekimi dalgalarının kanıtlarını aramak için kozmik mikrodalga arka plan radyasyonundaki kutuplaşmayı tespit etmek için CMB Aşama 4 gözlemevi olarak adlandırılan yeni bir yer tabanlı gözlemevi gerektirdiğini duyunca cesaretlenecekler. evrenin ilk anlarında.
Son olarak, uzayda, orta ölçekli görevler için en yüksek öncelik, NASA'nın Swift uzay aracının yerini alacak ve süpernovaları, gama ışını patlamalarını, kilonovaları ve diğer çeşitli astronomik geçişleri tespit edecek hızlı yanıtlı bir zaman alanı ve çoklu mesajlaşma programıdır. En önemlisi, bu yeni programdaki görevlerin LIGO'nun yer tabanlı gözlemleriyle çalışabilmesi ve bunları destekleyebilmesi gerekiyor. Çerenkov Teleskop Dizisi ve Buz küpü "2. Nesil" dedektörünün de önerildiği nötrino dedektörü.
Yeterince finanse edildi mi?
On yıllık anketin tavsiyelerine verilen genel yanıt, NASA ile çoğunlukla olumlu oldu. Ulusal Optik Kızılötesi Astronomi Araştırma Laboratuvarı (NOIRLab) ve Ulusal Radyo Astronomi Gözlemevi (NRAO) hepsi ona onay mührü veriyor. Harrison, bir sonraki adımın politikacıları büyük gözlemevlerini mümkün kılmak için gerekli olacak fonlardan ayrılmaya ikna etmek olduğunu söylüyor.
Bir sonraki adım, politikacıları büyük gözlemevlerini mümkün kılmak için gerekli olacak fonlardan ayrılmaya ikna etmektir.
Fiona Harrison, Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü
"Artık kesinlikle benim ve Robert Kennicutt'ın [Harrison'ın Arizona Üniversitesi ve Texas A&M Üniversitesi'nden eşbaşkanı] odak noktası, ankette önerilen zorlayıcı projelerin heyecanını Kongre'ye ifade etmeye çalışmaktır" diyor. "NASA'dan olumlu bir yanıt geldi ve tavsiyelerin gerçekleşmesini istiyor, ancak bütçenin orada olması gerekiyor."
Bu paranın yakında gelmesi durumunda, Rieke optik teleskop teknolojisini olgunlaştırmak için gereken fonun yaklaşık yarım milyar dolar olacağını tahmin ediyor. "O zaman, bu on yılın sonuna doğru, tüm teknoloji ördeklerini arka arkaya oturtmaya hazır hale geleceğiz ve inşaat aşamasına geçebileceğiz," diyor.
İlgili zaman ölçekleri olağanüstü. Hubble ve Chandra denecek bir şey varsa, 2040'larda başlatılan yeni nesil teleskoplar 2070'lerde veya sonrasında hala çalışır durumda olabilir. On yıllık anketin tavsiyeleri bu nedenle sadece astronominin önümüzdeki 10 yılı için değil, aynı zamanda bu yüzyılın büyük bir kısmı üzerindeki etkileri açısından da önemlidir. Bu nedenle, anketin doğru olması için üzerinde muazzam bir baskı vardı.
Rieke, "İddialı hedefler seçmenin önemli olduğu yer burasıdır" diyor. “Herkesin hemfikir olduğu ve bunu yaparken başka bir şeyin sizi geride bırakmaması için ileriye doğru bir adım atacak kadar önemli bir şey belirlemelisiniz.” Tarih, bu on yıllık araştırmanın önemli kararlarını doğru alıp almadığına karar verecek, ancak bugünün bakış açısından, astrofiziğin geleceği heyecan verici olacağa benziyor.
