Астрономи звернули свої погляди в майбутнє після останнього десятирічного дослідження астрономії та астрофізики Національної академії США, яке рекомендувало нове покоління космічних телескопів. Кіт Купер досліджує їхні перспективи та уроки, винесені з проблемної розробки космічного телескопа Джеймса Вебба
Різдво 2021 року було щасливою подією для більшості астрономів у всьому світі, як це було, коли довго відкладається Джеймс Вебб космічний телескоп (JWST) нарешті було запущено. Однак фанфари навколо його розгортання в космосі протягом наступного місяця, а також подальше радість з приводу його перших зображень приховали тривожну проблему в спостережній астрономії, яка полягає в більшості решти парку космічних орбітальних обсерваторій НАСА. старіє. The Космічний телескоп Хаббла працює з 1990 р., тоді як в Рентгенівська обсерваторія Чандра був запущений майже через десять років. Тим часом їх інфрачервоний співвітчизник, в Космічний телескоп Spitzer, запущений у 2003 році, більше не працює, оскільки був закритий у 2020 році.
Ось чому астрономи стурбовані тим, що якщо щось трапиться з одним або декількома з цих дедалі хиткіших телескопів, вони можуть бути відрізані від цілих ділянок електромагнітного спектру. З відключенням Spitzer далекий інфрачервоний діапазон (160 мкм) вже поза межами досяжності, оскільки JWST виходить на середній інфрачервоний діапазон лише на 26 мкм. Так само JWST не оптимізовано для спостереження видимого або ультрафіолетового діапазону, як це робить Хаббл. Звичайно, майбутній Римський космічний телескоп Ненсі Грейс – раніше Wide Field InfraRed Survey Telescope (WFIRST) – це оптичний та ближній інфрачервоний телескоп, але його поле зору набагато ширше, ніж у Хаббла, тобто він не призначений для детальної роботи великим планом; він також не має ультрафіолетового покриття Хаббла.
Великі обсерваторії
Щоб переконатися, що наше уявлення про Всесвіт у всьому спектрі залишається яскравим, астрономи США зараз обирають наступну когорту космічних телескопів. Головна рекомендація останнього десятирічного астрономічного огляду Національної академії наук, техніки та медицини США – 614-сторінковий звіт Шляхи до відкриттів в астрономії та астрофізиці на 2020-ті роки (Astro2020) – це плани впровадження нового покоління «великих обсерваторій», які розпочнуть запуск у 2040-х роках. Це повторюється, коли Чандра, Хаббл, Спітцер і інші Гамма-обсерваторія Комптона (яка працювала між 1991 і 2000 роками, а у 2008 році її змінив космічний телескоп Фермі) розроблялися, і які були оголошені «великими обсерваторіями».
Працюючи разом один з одним для вивчення Всесвіту, ці телескопи десятиліттями очолюють астрофізичні дослідження НАСА. Повторне використання фрази «великі обсерваторії» в новому десятирічному дослідженні є навмисним, каже співголова опитування, Фіона Гаррісон з Каліфорнійського технологічного інституту. «Потрібно зрозуміти, що панхроматичні спостереження, від рентгенівських до інфрачервоних, дійсно важливі для сучасної астрофізики», — каже вона. «Багато успіху [початкових] великих обсерваторій полягає в тому, що вони були розроблені та запущені одна за одною, із спостереженнями, що збігаються».
Створення успішного космічного телескопа – це тривалий процес, який зазвичай займає 25 років від початку розробки до запуску. Розробка концепції Хаббла почалася в 1960-х роках, тоді як плани щодо JWST вперше були розроблені в 1995 році, після Зображення Хаббла Deep Field показали, що перші галактики знаходяться в межах досяжності більшого телескопа. Таким чином, наступне покоління таких космічних зондів не буде запущено раніше 2040-х років. Але вони включатимуть рекомендацію номер один опитування: флагманська місія, яка замінить Хаббл, черпаючи натхнення з двох концепцій – Обсерваторія живих екзопланет (HabEx) і Великий ультрафіолетовий, оптичний та інфрачервоний (LUVOIR) телескоп. Також на креслярській дошці є рентгенівська місія та телескоп, який може спостерігати в далекому інфрачервоному діапазоні.
Але враховуючи нестабільний стан нашого нинішнього врожаю космічних телескопів і знаючи, що нові місії не запускатимуться ще 20 років, чи не варто було астрономам почати планувати нові чудові обсерваторії багато років тому? «Обов’язково», — каже Стівен Кан зі Стенфордського університету, який очолював одну з груп у десятирічному огляді майбутніх космічних телескопів. Він посилається на обсерваторію Constellation-X – рентгенівський космічний зонд, який було рекомендовано як продовження Чандри в дослідженні десятиріччя 2000 року, але так і не було реалізовано через тривалий розвиток JWST, який висмоктав усе. бюджет астрофізики. «JWST фактично домінував у великій обсерваторійній програмі NASA протягом двох з половиною десятиліть», — пояснює Кан. «Як наслідок, не було місця для подальшої рентгенівської місії або тієї піонерської місії в далекому інфрачервоному діапазоні, яку ми плануємо».
Переможець забирає все
Дійсно, під час розробки JWST виникло багато проблем, у тому числі величезні перевитрати коштів і часу розробки, що мало не призвело до скасування проекту. Пам’ять про ці помилки помітна в новому десятирічному дослідженні, що вплинуло на деякі рекомендації, зроблені для відновлення балансу в астрофізиці в США. Але так було не завжди. Кан нарікає на те, що до опитування 2000 року простого потрапляння до списку рекомендацій десятирічного опитування було достатньо, щоб практично гарантувати виконання вашого проекту чи місії. Але в сучасну епоху телескопів вартістю 10 мільярдів доларів «ви повинні бути номером один, інакше вам цього не вдасться», — каже Кан. «Проблема полягає в тому, що в цьому середовищі, коли переможець отримує все, кожен хоче вкласти в проект усе, що може, тому що якщо ви думаєте, що в наступні 50 років ви отримаєте лише один шанс у великій місії , ти хочеш, щоб це зарахувалося».
Саме такий спосіб мислення може призвести до проблем, з якими зіткнувся JWST і які вони викликали. Чим складнішою стає конструкція місії, тим більше інструментів і можливостей ви хочете мати, щоб вона була корисною, а це означає, що вона стає дорожчою та займає більше часу для розробки. «Все це повертає нас у це порочне коло, коли переможець отримує все», — продовжує Кан.
Гаррісон погоджується, підкреслюючи, що це нове десятирічне дослідження є спробою спробувати змінити підхід американської астрономії. «Для десятирічного дослідження сказати, що це річ номер один, ми повинні робити це незважаючи ні на що, якою б ціною це не закінчилося, не є відповідальним підходом», — каже вона. Намагаючись протистояти цьому, нещодавнє опитування містить ряд нових пропозицій. Серед них є ідея про те, що місії слід розробляти відповідно до конкретних наукових пріоритетів, а не дозволяти концепції місії втікати сама собою з усіма «наворотами», цитуючи Кана.
Наприклад, одним із ключових наукових питань, яке розглядала група Кана, було те, яким чином активні надмасивні чорні діри у далеких запилених галактиках впливають на формування зірок. Аккрецію матерії на такі чорні діри можна було б виявити за допомогою рентгенівського телескопа з високою кутовою роздільною здатністю, тоді як спектроскопічна місія в далекому інфрачервоному діапазоні могла б зазирнути крізь пил і дослідити специфічні спектральні лінії, пов’язані з утворенням зірок і зворотним зв’язком від вітри чорної діри. Є надія, що дві місії можуть бути запущені протягом кількох років одна від одної та працюватимуть в унісон. Однак те, яку форму приймуть ці місії, ще невідомо.
До десятирічного дослідження існувало дві концепції місії – Рентгенівська обсерваторія «Рись». і Витоки космічного телескопа – який працював би в середньому та далекому інфрачервоному діапазоні з діаметром дзеркала телескопа від 6 до 9 м. За оцінками, кожна з них коштувала приблизно 5 мільярдів доларів, але десятирічне опитування дійшло висновку, що ці витрати були недооцінені, а їхні наукові можливості не зовсім відповідали вимогам, які шукала група.
Флагманські місії
І тут з’являється одна з інших інновацій десятирічного огляду – а саме новий клас космічних телескопів, який називають «класом зондів», з бюджетом у кілька мільярдів доларів. «Ми повинні визнати, що якби все було так дорого, як JWST, було б важко мати всі чудові обсерваторії, що працюють одночасно», — каже Марсія Ріке з Університету Арізони, який очолив другу панель з космічних телескопів, зосередившись на оптичному та ближньому інфрачервоному режимі. «Натомість найкращим способом було б мати одну флагманську місію, а потім інші частини електромагнітного спектру охоплювати місії зондів».
Дійсно, до будь-яких можливих рентгенівських та далекоінфрачервоних місій класу зондів також може приєднатися ультрафіолетовий телескоп класу зондів. Удосконалення покриттів дзеркал і детекторів за останні кілька десятиліть означають, що 1.5-метровий телескоп насправді може бути більш чутливим, ніж Хаббл, на ультрафіолетових хвилях. «Це забезпечить певну надійність проти постійних збоїв Хаббла», — каже Ріке.
Щоб допомогти в розробці цих майбутніх космічних телескопів, незалежно від того, чи будуть вони бігемотами вартістю 10 мільярдів доларів, чи йдуть вперед як більш скромні (але все ще амбітні) дослідницькі місії, десятирічне дослідження рекомендує NASA створити новий Місія Великих обсерваторій і програма розвитку технологій. Це дозволить не тільки розвинути технологію, але й «дозріти концепції місії», каже Харрісон. Зі свого боку, NASA вже проводить семінари в рамках цієї нової програми та підготувало проект заклику до місій зонда.
Якщо рентгенівські та далекоінфрачервоні місії – наразі прозвані «Вогонь» і «Дим» – будуть зондовими, то флагманська велика обсерваторія стане довгоочікуваною прямою заміною космічного телескопа Хаббл. Провідною концепцією є LUVOIR, і було запропоновано дві версії телескопа: або надзвичайно амбітний 15-метровий телескоп, або 8-метровий телескоп, останній з яких все одно буде найбільшим космічним телескопом, коли-небудь запущеним.
Інші Землі
З міркувань вартості та практичності десятирічний огляд рекомендував відкласти 15-метрову версію, а остаточний дизайн об’єднав найкращі частини LUVOIR і HabEx. Ключова наукова мета цього телескопа, пояснює Ріке, полягає в тому, щоб він міг виявляти планети масою Земля в зоні життя зірок. З цією метою експертна група Ріке обговорила зі спільнотою екзопланет про те, скільки потенційно населених планет можна виявити залежно від розміру телескопа.
«Як група, ви запитуєте: які ключові цілі науки? Який рівень чутливості потрібен? Який найменший телескоп виконає цю роботу?» каже Ріке. Вона отримала відповідь, що телескоп з апертурою 6–8 м настільки малий, наскільки ви наважитеся, якщо хочете знайти потенційно придатні для життя екзопланети.
Однак успіх залежить не лише від розміру телескопа; його інструменти також повинні бути на належному рівні. Для успішного зображення планет розміром із Землю поблизу їхніх зірок потрібен коронограф як частина його конструкції. Екзопланети розміром із Землю зазвичай не можна сфотографувати, оскільки відблиск їхньої зірки надто сильний. Коронограф блокує світло зірки, завдяки чому легше бачити будь-які планети, які присутні. Протягом десятиліть вони були основним елементом дослідження Сонця – їх назва походить від того, що вони блокують сонячний диск, щоб астрономи могли бачити сонячну корону. Але розробка коронографа, який може точно блокувати яскраве світло зірки, яка, по суті, виглядає як точкове джерело, водночас дозволяючи планетам бути видимими всього за мілі кутових секунд від зірки, зменшуючи контраст між відблисками зірки та світлом планет до 10-10, це «значний крок вперед за все, що ми робили раніше», — каже Ріке.
За межами космосу, телескопи на землі
Не всі рекомендації десятирічного огляду стосуються гігантських телескопів у космосі. Дійсно, деякі з них є гігантськими телескопами, які міцно вкоренилися на Землі. Наприклад, суперечливий Тридцятиметровий телескоп який буде побудований на Мауна-Кеа на Гаваях, незважаючи на протести деяких корінних гавайців, продовжує рухатися вперед. Так само Великий Магеллановий телескоп, який будується в Чилі та матиме сім 8.4-метрових телескопів, що дасть ефективний діаметр 24.5 метрів.
Опитування також рекомендує, щоб Дуже великий масив нового покоління – 244 радіоантени діаметром 18 м і 19 антен діаметром 6 м, розташовані на південному заході США, повинні почати будувати до кінця десятиліття. Він замінить застарілий дуже великий набір страв у Нью-Мексико та дуже довгий базовий набір страв у США. Оновлення до Велика інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO) і плани щодо можливого наступника також рекомендуються.
Тим часом космологи будуть раді почути, що опитування також передбачає нову наземну обсерваторію, яка отримала назву обсерваторії CMB Stage 4, для виявлення поляризації в космічному мікрохвильовому фоновому випромінюванні для пошуку доказів первісних гравітаційних хвиль, які є результатом космічної інфляції. у найдавніші моменти Всесвіту.
Нарешті, у космосі найвищим пріоритетом для місій середнього масштабу є програма швидкого реагування у часовій області та мультимесенджер, яка замінить космічний корабель NASA Swift і визначить наднові, спалахи гамма-випромінювання, кілонові та різні інші види астрономічних перехідних процесів. Важливо, що місії в цій новій програмі повинні мати можливість працювати та підтримувати наземні спостереження LIGO, Телескоп Черенкова і IceCube детектор нейтрино, для якого також рекомендовано детектор «покоління 2».
Достатньо фінансується?
Загальна реакція на рекомендації десятирічного дослідження була в основному позитивною, з NASA Національна дослідницька лабораторія оптичної інфрачервоної астрономії (NOIRLab) і Національна радіоастрономічна обсерваторія (NRAO) усі вони підтверджують це. Наступним кроком, каже Гаррісон, є переконати політиків розлучитися з коштами, які знадобляться для створення великих обсерваторій.
Наступний крок полягає в тому, щоб переконати політиків розлучитися з коштами, які знадобляться для створення великих обсерваторій.
Фіона Гаррісон, Каліфорнійський технологічний інститут
«Безумовно, зараз я і Роберт Кенікутт (співголова Гаррісона з Університету Арізони та Техаського університету A&M) зосереджені на тому, щоб спробувати сформулювати Конгресу захоплення від переконливих проектів, рекомендованих опитуванням», — каже вона. «Це була позитивна відповідь NASA, і воно хоче втілити рекомендації в життя, але бюджет має бути».
Якщо ці гроші надійдуть, Ріке оцінює фінансування, необхідне для розвитку технології оптичного телескопа, приблизно в півмільярда доларів. «Тоді ближче до кінця цього десятиліття ми будемо готові до того, що всі технологічні качки будуть сидіти в ряд, і ми зможемо увійти до фази будівництва», – каже вона.
Задіяні часові рамки феноменальні. Якщо говорити про Hubble і Chandra, то телескопи наступного покоління, запущені в 2040-х роках, можуть працювати в 2070-х роках або пізніше. Тому рекомендації десятирічного огляду важливі не лише для наступних 10 років астрономії, але й для їх впливу на більшу частину цього століття. Тому на опитування чинився величезний тиск, щоб все було правильно.
«Ось тут важливо обирати амбітні цілі», — каже Ріке. «Ви повинні визначити те, що є настільки важливим, щоб усі погодилися, і це достатній крок вперед, щоб щось інше не наздогнало вас, поки ви це робите». Історія розсудить, чи це десятирічне дослідження принесло ключові рішення правильними, але з сьогоднішньої точки зору майбутнє астрофізики обіцяє бути захоплюючим.
