Các nhà thiên văn học đã hướng tầm nhìn về tương lai sau cuộc khảo sát thập kỷ mới nhất về thiên văn học và vật lý thiên văn của Viện Hàn lâm Quốc gia Hoa Kỳ, trong đó đề xuất một thế hệ kính viễn vọng không gian mới. Keith Cooper khám phá triển vọng của họ và những bài học rút ra từ sự phát triển khó khăn của Kính viễn vọng Không gian James Webb
Ngày Giáng sinh 2021 là một dịp vui đối với hầu hết những người yêu thích thiên văn trên toàn thế giới, vì đó là khi sự kiện bị trì hoãn nhiều Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) cuối cùng đã được đưa ra. Tuy nhiên, sự phô trương xung quanh việc nó xuất hiện trong không gian trong tháng tới, cũng như sự hân hoan sau đó đối với những hình ảnh đầu tiên của nó, đã che đậy một vấn đề rắc rối trong thiên văn học quan sát – đó là phần lớn phần còn lại của hạm đội đài quan sát quỹ đạo dựa trên không gian của NASA đang già đi. Các Kính viễn vọng Không gian Hubble đã làm việc từ năm 1990, trong khi Đài quan sát tia X Chandra đã được đưa ra gần một thập kỷ sau đó. Trong khi đó, người đồng hương hồng ngoại của họ, Kính viễn vọng không gian Spitzer, ra mắt năm 2003, không còn hoạt động nữa, đã ngừng hoạt động vào năm 2020.
Đó là lý do tại sao các nhà thiên văn học lo lắng rằng nếu có điều gì đó xảy ra với một hoặc nhiều kính viễn vọng ngày càng ọp ẹp này, chúng có thể bị cắt khỏi toàn bộ dải quang phổ điện từ. Với việc tắt Spitzer, tia hồng ngoại xa (160 micron) đã nằm ngoài tầm với vì JWST chỉ mạo hiểm với vùng hồng ngoại trung bình ở 26 μm. Tương tự, JWST không được tối ưu hóa để quan sát các bước sóng khả kiến hoặc cực tím như Hubble. Chắc chắn, sắp tới Kính viễn vọng Không gian La Mã Nancy Grace – trước đây là Kính thiên văn Khảo sát hồng ngoại trường rộng (WFIRST) – là một kính viễn vọng quang học và cận hồng ngoại, nhưng trường nhìn của nó rộng hơn nhiều so với Hubble, nghĩa là nó không được thiết kế để chụp cận cảnh, công việc chi tiết; nó cũng không có vùng phủ sóng tia cực tím của Hubble.
Đài quan sát tuyệt vời
Để đảm bảo tầm nhìn của chúng ta về vũ trụ trên quang phổ vẫn sáng, các nhà thiên văn học Hoa Kỳ hiện đang chọn và chọn nhóm kính viễn vọng không gian tiếp theo. Khuyến nghị chính của cuộc khảo sát thập kỷ thiên văn mới nhất từ Viện Hàn lâm Khoa học, Kỹ thuật và Y học Quốc gia Hoa Kỳ - báo cáo dài 614 trang Con đường khám phá trong Thiên văn học và Vật lý thiên văn cho những năm 2020 (Astro2020) – dành cho các kế hoạch được đưa ra cho một thế hệ “đài thiên văn tuyệt vời” mới bắt đầu ra mắt vào những năm 2040. Điều này lặp lại khi Chandra, Hubble, Spitzer và Đài quan sát tia Gamma Compton (hoạt động từ năm 1991 đến năm 2000 và được thành công vào năm 2008 bởi Kính viễn vọng Không gian Fermi) đang được phát triển và được coi là "đài thiên văn vĩ đại".
Phối hợp với nhau để nghiên cứu vũ trụ, những kính viễn vọng này đã dẫn đầu nghiên cứu vật lý thiên văn của NASA trong nhiều thập kỷ. Đồng chủ tịch của cuộc khảo sát cho biết việc sử dụng lại cụm từ “các đài quan sát lớn” này trong cuộc khảo sát thập kỷ mới là có chủ ý. Fiona Harrison của Viện Công nghệ California. Cô ấy nói: “Cần hiểu rõ rằng các quan sát toàn sắc, từ tia X đến tia hồng ngoại, thực sự cần thiết cho vật lý thiên văn hiện đại. “Phần lớn thành công của các đài quan sát lớn [nguyên bản] là chúng được phát triển và phóng lần lượt, với các quan sát chồng chéo.”
Xây dựng thành công một kính viễn vọng không gian là một quá trình lâu dài, thường mất 25 năm kể từ khi bắt đầu phát triển đến khi phóng. Công việc lên ý tưởng cho Hubble bắt đầu vào những năm 1960, trong khi các kế hoạch cho JWST lần đầu tiên được đưa ra vào năm 1995, sau khi Hình ảnh Trường sâu Hubble cho thấy các thiên hà đầu tiên nằm trong tầm với của kính thiên văn lớn hơn. Do đó, thế hệ tiếp theo của các tàu thăm dò dựa trên không gian như vậy sẽ không ra mắt sớm nhất cho đến những năm 2040. Nhưng chúng sẽ bao gồm khuyến nghị số một của cuộc khảo sát: một nhiệm vụ hàng đầu để thay thế Hubble, lấy cảm hứng từ hai khái niệm – Đài quan sát ngoại hành tinh có thể sống được (HabEx) và Tia cực tím lớn, Quang học và Hồng ngoại (LUVOIR) kính thiên văn. Ngoài ra, trên bảng vẽ còn có một nhiệm vụ tia X và một kính thiên văn có thể quan sát ở vùng hồng ngoại xa.
Nhưng với sức khỏe bấp bênh của các loại kính viễn vọng không gian hiện tại của chúng ta và biết rằng các nhiệm vụ mới sẽ không được khởi động trong 20 năm nữa, các nhà thiên văn học có nên bắt đầu lên kế hoạch cho các đài quan sát lớn mới từ nhiều năm trước không? “Chắc chắn,” nói Steven Kahn của Đại học Stanford, người chủ trì một trong những hội thảo trong cuộc khảo sát về thập kỷ đang xem xét các kính viễn vọng không gian trong tương lai. Ông trích dẫn đài quan sát Constellation-X – một tàu thăm dò không gian tia X được đề xuất như một bước tiếp theo của Chandra trong cuộc khảo sát thập kỷ năm 2000, nhưng không bao giờ thành hiện thực vì sự phát triển kéo dài của JWST, đã hút hết tất cả. ngân sách vật lý thiên văn. Kahn giải thích: “Về cơ bản, JWST đã thống trị chương trình quan sát tuyệt vời tại NASA trong hai thập kỷ rưỡi. “Kết quả là, không có chỗ để thực hiện một sứ mệnh tia X tiếp theo, hoặc loại sứ mệnh hồng ngoại xa tiên phong mà chúng tôi đang hình dung.”
Người chiến thắng có tất cả
Thật vậy, quá trình phát triển của JWST gặp nhiều vấn đề, bao gồm cả chi phí và thời gian phát triển vượt quá lớn, khiến dự án gần như bị hủy bỏ. Ký ức về những sai lầm này bao trùm lên cuộc khảo sát về thập kỷ mới, ảnh hưởng đến một số khuyến nghị được đưa ra để khôi phục sự cân bằng cho vật lý thiên văn ở Hoa Kỳ. Nhưng nó không phải lúc nào cũng như thế này. Kahn than thở rằng, trước cuộc khảo sát năm 2000, chỉ cần có tên trong danh sách đề xuất trong cuộc khảo sát thập kỷ là đủ để gần như đảm bảo rằng dự án hoặc nhiệm vụ của bạn sẽ diễn ra. Nhưng trong kỷ nguyên hiện đại của những chiếc kính viễn vọng trị giá 10 tỷ đô la, Kahn nói: “Bạn phải là số một, nếu không bạn sẽ không hoàn thành nó”. “Vấn đề là trong môi trường kẻ thắng được tất cả này, mọi người đều muốn dốc hết sức mình vào một dự án bởi vì nếu bạn nghĩ rằng mình sẽ chỉ có một lần thực hiện một sứ mệnh lớn trong 50 năm tới , bạn muốn làm cho nó được tính.
Chính lối suy nghĩ này có thể dẫn đến các vấn đề mà JWST gặp phải và gây ra. Thiết kế nhiệm vụ càng trở nên phức tạp thì bạn càng muốn nó có nhiều công cụ và khả năng để làm cho nó trở nên đáng giá – điều đó có nghĩa là nó ngày càng đắt hơn và mất nhiều thời gian hơn để phát triển. Kahn tiếp tục: “Tất cả những điều đó đưa chúng ta trở lại cái vòng luẩn quẩn kẻ thắng lấy hết.
Harrison đồng ý, nhấn mạnh rằng cuộc khảo sát thập kỷ mới này là một nỗ lực nhằm thử và thay đổi cách tiếp cận của thiên văn học Hoa Kỳ. Cô ấy nói: “Đối với một cuộc khảo sát về thập kỷ, đây là điều quan trọng nhất, chúng ta cần phải làm điều đó bất kể điều gì xảy ra, bằng bất cứ giá nào, không phải là một cách tiếp cận có trách nhiệm. Trong một nỗ lực để chống lại điều này, cuộc khảo sát gần đây đưa ra một số đề xuất mới. Trong số đó có ý tưởng rằng các sứ mệnh nên được thiết kế phù hợp với các ưu tiên khoa học cụ thể, thay vì để khái niệm sứ mệnh tự chạy trốn, với tất cả “chuông và còi”, trích lời Kahn.
Ví dụ, một trong những câu hỏi khoa học quan trọng mà hội đồng của Kahn xem xét là cách thức mà các lỗ đen siêu lớn đang hoạt động trong các thiên hà xa xôi, đầy bụi ảnh hưởng đến sự hình thành sao. Sự bồi tụ vật chất vào các lỗ đen như vậy sẽ có thể phát hiện được bằng kính viễn vọng tia X có độ phân giải góc cao, trong khi sứ mệnh quang phổ hồng ngoại xa có thể nhìn xuyên qua lớp bụi và thăm dò các vạch quang phổ cụ thể liên quan đến sự hình thành sao và phản hồi từ gió lỗ đen. Hy vọng là hai nhiệm vụ có thể được khởi động trong vòng vài năm với nhau và hoạt động đồng thời. Tuy nhiên, những nhiệm vụ đó sẽ diễn ra như thế nào vẫn còn trong không khí.
Trước cuộc khảo sát thập phân, có hai khái niệm nhiệm vụ - nhiệm vụ Đài quan sát tia X Lynx và Nguồn gốc Kính viễn vọng Không gian – sẽ hoạt động ở bước sóng từ trung bình đến hồng ngoại xa, với gương kính viễn vọng có đường kính từ 6 đến 9 m. Mỗi chiếc được ước tính trị giá khoảng 5 tỷ đô la, nhưng cuộc khảo sát thập kỷ đã kết luận rằng những chi phí này đang bị đánh giá thấp và khả năng khoa học của chúng không hoàn toàn phù hợp với yêu cầu mà hội thảo đang tìm kiếm.
nhiệm vụ hàng đầu
Và đây là một trong những cải tiến khác của cuộc khảo sát thập phân - cụ thể là, một loại kính viễn vọng không gian mới được gọi là "lớp thăm dò", với ngân sách vài tỷ đô la. “Chúng tôi phải thừa nhận rằng nếu tất cả mọi thứ đều đắt đỏ như JWST, thì sẽ khó có tất cả các đài quan sát tuyệt vời hoạt động cùng một lúc,” nói Marcia Rieke của Đại học Arizona, người dẫn đầu nhóm thứ hai về kính viễn vọng không gian, tập trung vào chế độ quang học và cận hồng ngoại. “Thay vào đó, cách tốt nhất có thể là thực hiện một nhiệm vụ hàng đầu, và sau đó có các phần khác của phổ điện từ được bao phủ bởi các nhiệm vụ thăm dò.”
Thật vậy, bất kỳ nhiệm vụ nào có thể có của lớp thăm dò tia X và tia hồng ngoại xa cũng có thể được tham gia bởi kính viễn vọng tia cực tím của lớp thăm dò. Những cải tiến về lớp phủ gương và máy dò trong vài thập kỷ qua có nghĩa là kính viễn vọng 1.5 m thực sự có thể nhạy hơn Hubble ở bước sóng cực tím. Rieke nói: “Điều đó sẽ cung cấp một số sức mạnh chống lại sự thất bại hoàn toàn của Hubble.
Để giúp phát triển các kính viễn vọng không gian trong tương lai này, cho dù chúng tiến hành với số tiền khổng lồ 10 tỷ đô la hay tiếp tục với các sứ mệnh thăm dò khiêm tốn hơn (nhưng vẫn đầy tham vọng), cuộc khảo sát thập kỷ khuyến nghị rằng NASA nên tạo ra một kế hoạch mới. Chương trình phát triển công nghệ và sứ mệnh của Đài quan sát vĩ đại. Nó sẽ không chỉ phát triển công nghệ mà còn “hoàn thiện các khái niệm sứ mệnh”, Harrison nói. Về phần mình, NASA đã tổ chức các cuộc hội thảo như một phần của chương trình mới này và đã đưa ra một bản dự thảo kêu gọi các nhiệm vụ thăm dò.
Nếu các nhiệm vụ tia X và hồng ngoại xa – hiện có biệt danh là “Lửa” và “Khói” – thuộc loại tàu thăm dò, thì đài quan sát vĩ đại hàng đầu sẽ là sự thay thế trực tiếp được chờ đợi từ lâu cho Kính viễn vọng Không gian Hubble. Khái niệm dẫn đường là LUVOIR, và hai phiên bản của kính viễn vọng đã được đề xuất: hoặc là kính viễn vọng 15 m cực kỳ tham vọng hoặc kính viễn vọng 8 m, phiên bản sau vẫn sẽ là kính viễn vọng không gian lớn nhất từng được phóng.
Trái đất khác
Vì lý do chi phí và tính thực tế, cuộc khảo sát thập phân đã khuyến nghị rằng phiên bản 15 m nên được loại bỏ và thiết kế cuối cùng kết hợp những phần tốt nhất của cả LUVOIR và HabEx. Rieke giải thích, mục tiêu khoa học chính của kính viễn vọng này là nó phải có khả năng phát hiện các hành tinh có khối lượng bằng Trái đất trong vùng các ngôi sao có thể ở được. Cuối cùng, hội đồng của Rieke đã tham gia vào một cuộc thảo luận với cộng đồng ngoại hành tinh về số lượng hành tinh có khả năng sinh sống được có thể được phát hiện như là một chức năng của kích thước của kính thiên văn.
“Là một nhóm, bạn hỏi: các mục tiêu khoa học chính là gì? Mức độ nhạy cảm nào là cần thiết? Kính viễn vọng nhỏ nhất sẽ thực hiện công việc là gì? Rieke nói. Câu trả lời mà cô ấy nhận được là một chiếc kính viễn vọng có khẩu độ 6–8 m nhỏ bằng mức bạn dám đi nếu bạn muốn tìm các ngoại hành tinh có khả năng sinh sống được.
Tuy nhiên, thành công không chỉ ở kích thước của kính thiên văn; các công cụ của nó cũng phải được nâng cấp. Chụp ảnh thành công các hành tinh có kích thước Trái đất gần các ngôi sao của chúng sẽ yêu cầu một vành nhật hoa như một phần trong thiết kế của nó. Các ngoại hành tinh có kích thước bằng Trái đất thông thường không thể được chụp ảnh vì ánh sáng chói của ngôi sao của chúng quá mạnh. Một vành nhật hoa chặn ánh sáng của ngôi sao, giúp dễ dàng nhìn thấy bất kỳ hành tinh nào có mặt. Chúng là thành phần chính của các nghiên cứu về Mặt trời trong nhiều thập kỷ - tên của chúng xuất phát từ việc chặn đĩa Mặt trời để các nhà thiên văn học có thể nhìn thấy vành nhật hoa. Nhưng việc tạo ra một coronagraph có thể chặn chính xác ánh sáng rực rỡ của một ngôi sao, về cơ bản xuất hiện dưới dạng một nguồn điểm, đồng thời cho phép nhìn thấy các hành tinh chỉ cách ngôi sao một phần nghìn giây bằng cách giảm độ tương phản giữa ánh sáng chói của ngôi sao và ánh sáng của các hành tinh xuống 10-10, là “một bước vượt xa mọi thứ mà chúng tôi đã làm trước đây”, Rieke nói.
Ngoài không gian, kính viễn vọng trên mặt đất
Không phải tất cả các khuyến nghị của cuộc khảo sát về thập kỷ đều liên quan đến kính viễn vọng khổng lồ trong không gian. Thật vậy, một số trong số đó là những chiếc kính viễn vọng khổng lồ bắt nguồn từ Trái đất. Ví dụ, điều gây tranh cãi Kính viễn vọng Ba mươi mét được xây dựng trên Mauna Kea ở Hawaii, bất chấp sự phản đối của một số người Hawaii bản địa, vẫn tiếp tục tiến lên. Vì vậy, quá là Kính thiên văn Grand Magellan, đang được xây dựng ở Chile và sẽ có bảy kính viễn vọng 8.4 m để có đường kính hiệu dụng là 24.5 m.
Cuộc khảo sát cũng khuyến nghị rằng Mảng rất lớn thế hệ tiếp theo – 244 đĩa radio có đường kính 18 m và 19 đĩa có đường kính 6 m trải khắp miền tây nam Hoa Kỳ – sẽ bắt đầu được xây dựng vào cuối thập kỷ này. Nó sẽ thay thế Mảng Rất Lớn đã cũ ở New Mexico và Mảng Cơ sở Rất Dài gồm các món ăn trên khắp Hoa Kỳ. Nâng cấp lên Đài quan sát sóng hấp dẫn giao thoa kế lớn (LIGO) và các kế hoạch cho người kế vị cuối cùng cũng được đề xuất.
Trong khi đó, các nhà vũ trụ học sẽ vui mừng khi biết rằng cuộc khảo sát cũng kêu gọi thành lập một đài quan sát trên mặt đất mới, được đặt tên là đài quan sát CMB Giai đoạn 4, để phát hiện sự phân cực trong bức xạ nền vi sóng vũ trụ nhằm tìm kiếm bằng chứng về sóng hấp dẫn nguyên thủy phát sinh từ sự lạm phát vũ trụ trong những khoảnh khắc sớm nhất của vũ trụ.
Cuối cùng, trở lại không gian, ưu tiên cao nhất cho các nhiệm vụ quy mô trung bình là chương trình đa phương tiện và miền thời gian phản ứng nhanh để thay thế tàu vũ trụ Swift của NASA và phát hiện siêu tân tinh, vụ nổ tia gamma, kilonovae và nhiều loại chuyển tiếp thiên văn khác. Điều quan trọng, các nhiệm vụ trong chương trình mới này cần có khả năng làm việc và hỗ trợ các quan sát trên mặt đất của LIGO, Mảng kính thiên văn Cherenkov và khối băng máy dò neutrino, trong đó máy dò “Thế hệ 2” cũng đã được đề xuất.
Đủ tài chính?
Phản hồi chung đối với các khuyến nghị của cuộc khảo sát về thập kỷ hầu hết là tích cực, với NASA, cơ quan Phòng thí nghiệm nghiên cứu thiên văn học quang học-hồng ngoại quốc gia (NOIRLab) và Đài quan sát thiên văn vô tuyến quốc gia (NRAO) tất cả đều cho nó con dấu chấp thuận của họ. Harrison nói, bước tiếp theo là thuyết phục các chính trị gia tham gia tài trợ vốn cần thiết để xây dựng các đài thiên văn lớn.
Bước tiếp theo là thuyết phục các chính trị gia chia sẻ kinh phí cần thiết để xây dựng các đài quan sát lớn.
Fiona Harrison, Viện Công nghệ California
“Chắc chắn trọng tâm hiện nay đối với tôi và Robert Kennicutt [đồng chủ tịch của Harrison từ Đại học Arizona và Đại học Texas A&M] là cố gắng trình bày trước Quốc hội về sự phấn khích của các dự án hấp dẫn được đề xuất bởi cuộc khảo sát,” cô nói. “Đó là một phản ứng tích cực từ NASA và họ muốn thực hiện các khuyến nghị, nhưng ngân sách phải ở đó.”
Nếu số tiền đó sắp đến, thì Rieke ước tính số tiền tài trợ cần thiết để hoàn thiện công nghệ cho kính viễn vọng quang học là khoảng nửa tỷ đô la. “Sau đó, chúng ta sẽ sẵn sàng, vào gần cuối thập kỷ này, để có tất cả những chú vịt công nghệ ngồi thành một hàng và chúng ta sẽ có thể bước vào giai đoạn xây dựng,” cô nói.
Khoảng thời gian liên quan là phi thường. Nếu Hubble và Chandra là bất cứ điều gì xảy ra, thì các kính viễn vọng thế hệ tiếp theo được phóng vào những năm 2040 vẫn có thể hoạt động vào những năm 2070 hoặc hơn thế nữa. Do đó, các đề xuất của cuộc khảo sát về thập kỷ không chỉ quan trọng đối với thiên văn học trong 10 năm tới mà còn đối với tác động của chúng đối với phần lớn thế kỷ này. Do đó, có áp lực rất lớn đối với cuộc khảo sát để làm cho đúng.
Rieke nói: “Đó là điều quan trọng để chọn những mục tiêu đầy tham vọng. “Bạn phải xác định điều gì đó quan trọng đến mức mọi người đều đồng ý, và đủ để tiến lên một bước để điều gì đó khác sẽ không vượt qua bạn khi bạn đang làm việc đó.” Lịch sử sẽ đánh giá liệu cuộc khảo sát về thập kỷ này có đưa ra những quyết định quan trọng chính xác hay không, nhưng từ quan điểm ngày nay, tương lai của ngành vật lý thiên văn hứa hẹn sẽ là một điều thú vị.
