Dzięki niedawnej premierze Tranzytowa satelita do badań Exoplanet (TESS) - która odbyła się w środę, 18 kwietnia 2018 r. - wiele uwagi poświęcono teleskopom kosmicznym nowej generacji, które będą zabierać w kosmos w nadchodzących latach. Należą do nich nie tylkoKosmiczny Teleskop Jamesa Webba, który jest obecnie planowany do wystrzelenia w 2020 r., ale niektóre inne zaawansowane statki kosmiczne, które zostaną rozmieszczone do 2030 r.
Taki był temat ostatniego badania dekadalnego na rok 2020 dla astrofizyki, które obejmowało cztery flagowe koncepcje misji, które są obecnie badane. Gdy te misje zabiorą się w kosmos, podejmą się takich misji Hubble, Kepler, Spitzer i Chandra przerwane, ale będą miały większą czułość i możliwości. W związku z tym oczekuje się, że ujawnią znacznie więcej na temat naszego Wszechświata i tajemnic, które on posiada.
Zgodnie z oczekiwaniami koncepcje misji poddane badaniom dekadalnym 2020 obejmują szeroki zakres celów naukowych - od obserwacji odległych czarnych dziur i wczesnego Wszechświata po badanie egzoplanet wokół pobliskich gwiazd i badanie ciał Układu Słonecznego. Pomysły te zostały dokładnie sprawdzone przez społeczność naukową, a cztery zostały wybrane jako warte realizacji.
Jak wyjaśniła Susan Neff, główny naukowiec programu kosmicznego pochodzenia NASA w niedawnym komunikacie prasowym NASA:
„To czas na astrofizykę. Chcemy zbudować wszystkie te koncepcje, ale nie mamy budżetu na wykonanie wszystkich czterech jednocześnie. Celem tych badań dekadalnych jest przekazanie członkom społeczności astrofizyki możliwie najlepszych informacji, gdy decydują, którą naukę zrobić jako pierwszą. ”
Cztery wybrane koncepcje obejmują Duży miernik promieniowania ultrafioletowego / optycznego / podczerwonego (LUVOIR), gigantyczne obserwatorium kosmiczne opracowane w tradycji Kosmiczny teleskop Hubble. Jako jedna z dwóch koncepcji badanych przez NASA Goddard Space Flight Center, ta koncepcja misji wymaga teleskopu kosmicznego z masywnym segmentowym lustrem pierwotnym o średnicy około 15 metrów.
Dla porównania JWST‘s (obecnie najbardziej zaawansowany teleskop kosmiczny) zwierciadło główne ma średnicę 6,5 m (21 stóp 4 cali). Podobnie jak JWST, lustro LUVOIR składałoby się z regulowanych segmentów, które rozkładałyby się po rozmieszczeniu w kosmosie. Siłowniki i silniki aktywnie dostosowują i wyrównują te segmenty, aby osiągnąć idealne skupienie i przechwytywać światło z słabych i odległych obiektów.
Dzięki tym zaawansowanym narzędziom LUVOIR byłby w stanie bezpośrednio zobrazować planety wielkości Ziemi i ocenić ich atmosferę. Jak wyjaśnił naukowiec Aki Roberge:
„Ta misja jest ambitna, ale nagrodą jest sprawdzenie, czy istnieje życie poza Układem Słonecznym. Wszystkie wysokie słupy technologiczne są napędzane tym celem… Stabilność fizyczna, a także aktywna kontrola nad lustrem głównym i wewnętrzny koronograf (urządzenie do blokowania światła gwiazd) zapewniają dokładność pikometru. Chodzi o kontrolę ”.
Jest też Kosmiczny Teleskop Origins (OST), kolejna koncepcja realizowana przez Goddard Space Flight Center. Podobnie jak Kosmiczny Teleskop Spitzera i Obserwatorium kosmiczne Herschela, to obserwatorium dalekiej podczerwieni oferuje czułość 10.000 razy większą niż jakikolwiek poprzedni teleskop dalekiej podczerwieni. Jego cele obejmują obserwowanie najdalszych zakątków wszechświata, śledzenie ścieżki wody poprzez formowanie się gwiazd i planet oraz poszukiwanie oznak życia w atmosferze egzoplanet.
Jego główne lustro, które mierzy około 9 m średnicy, byłoby pierwszym aktywnie chłodzonym teleskopem, utrzymującym jego lustro w temperaturze około 4 K (-269 ° C; -452 ° F), a jego detektory w temperaturze temperatura 0,05 K. Aby to osiągnąć, zespół OST będzie polegał na latających warstwach osłon przeciwsłonecznych, czterech chłodnicach kriogenicznych i wielostopniowej ciągłej adiabatycznej lodówce do demagnetyzacji (CADR).
Według Dave'a Leisawitza, naukowca Goddarda i badacza OST, OST jest szczególnie zależny od dużych układów detektorów nadprzewodzących, które mierzą miliony pikseli. „Kiedy ludzie pytają o luki technologiczne w opracowaniu Kosmicznego Teleskopu Origins, mówię im, że najważniejsze trzy wyzwania to detektory, detektory, detektory” - powiedział. „Chodzi o detektory”.
W szczególności OST opierałby się na dwóch nowych typach detektorów: czujnikach krawędzi przejścia (TES) lub detektorach indukcyjności kinetycznej (KID). Mimo że stosunkowo nowe, detektory TES szybko dojrzewają i są obecnie używane w instrumencie HAWC + na pokładzie NASA Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA).
Potem jest Habitable Exoplanet Imager (HabEx), który jest rozwijany przez NASA Jet Propulsion Laboratory. Podobnie jak LUVOIR, ten teleskop również bezpośrednio obrazuje systemy planetarne w celu analizy składu atmosfery planet za pomocą dużego segmentowego lustra. Ponadto badałby najwcześniejsze epoki w historii Wszechświata i cykl życia najbardziej masywnych gwiazd, rzucając tym samym światło na to, jak powstają pierwiastki niezbędne do życia.
Podobnie jak LUVOIR, HabEx byłby w stanie przeprowadzić badania w zakresie długości fal ultrafioletowych, optycznych i bliskiej podczerwieni, a także byłby w stanie zablokować jasność gwiazdy macierzystej, tak aby mogła zobaczyć odbijanie światła od planet krążących wokół niej. Jak wyjaśnił Neil Zimmerman, ekspert NASA w dziedzinie koronografii:
„Aby bezpośrednio zobrazować planetę krążącą wokół pobliskiej gwiazdy, musimy pokonać ogromną barierę w zakresie dynamicznym: przytłaczającą jasność gwiazdy wobec słabego odbicia światła gwiazd od planety, z niewielkim kątem oddzielającym te dwie gwiazdy. Nie ma gotowego rozwiązania tego problemu, ponieważ jest tak niepodobne do żadnego innego wyzwania w astronomii obserwacyjnej. ”
Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół HabEx rozważa dwa podejścia, które obejmują zewnętrzne odcienie gwiazd w kształcie płatków, które blokują światło i wewnętrzne koronografy, które uniemożliwiają docieranie światła do detektorów. Inną badaną możliwością jest zastosowanie nanorurek węglowych na maskach koronograficznych, aby zmodyfikować wzory każdego dyfrakcyjnego światła, które wciąż przechodzi.
Ostatni, ale nie mniej ważny, jest Geodeta znany jako Ryś opracowywane przez Marshall Space Flight Center. Spośród czterech teleskopów kosmicznych Lynx jest jedyną koncepcją, która zbada Wszechświat za pomocą promieni rentgenowskich. Za pomocą spektrometru mikrokalorymetru rentgenowskiego ten teleskop kosmiczny wykryje promieniowanie rentgenowskie pochodzące z supermasywnych czarnych dziur (SMBH) w centrum najwcześniejszych galaktyk we Wszechświecie.
Ta technika polega na tym, że zdjęcia rentgenowskie uderzają w absorder detektora i przetwarzają ich energię w ciepło, co jest mierzone termometrem. W ten sposób Lynx pomoże astronomom odkryć, w jaki sposób powstały najwcześniejsze SMBH. Jak Rob Petre, członek badania Lynx w Goddard, opisał misję:
„Zaobserwowano, że supermasywne czarne dziury istnieją we wszechświecie znacznie wcześniej, niż przewidują nasze obecne teorie. Nie rozumiemy, jak powstały tak masywne obiekty tak szybko po tym, jak mogły powstać pierwsze gwiazdy. Potrzebujemy teleskopu rentgenowskiego, aby zobaczyć pierwsze supermasywne czarne dziury, aby dostarczyć danych wejściowych do teorii na temat tego, jak mogły powstać. ”
Niezależnie od tego, którą misję ostatecznie wybierze NASA, agencja i poszczególne centra zaczęły inwestować w zaawansowane narzędzia do realizacji takich koncepcji w przyszłości. Cztery zespoły przekazały swoje raporty okresowe w marcu. Oczekuje się, że do przyszłego roku zakończą końcowe raporty dla National Research Council (NRC), które zostaną wykorzystane do przekazania zaleceń NASA w nadchodzących latach.
Jak powiedział Thai Pham, kierownik ds. Rozwoju technologii w biurze programu astrofizyki NASA:
„Nie twierdzę, że będzie łatwo. Nie będzie. Są to ambitne misje, z dużymi wyzwaniami technicznymi, z których wiele nakłada się i dotyczy wszystkich. Dobrą wiadomością jest to, że teraz położono podwaliny. ”
Po wdrożeniu TESS i uruchomieniu JWST do 2020 r. Wnioski wyciągnięte w ciągu najbliższych kilku lat z pewnością zostaną uwzględnione w tych misjach. Obecnie nie jest jasne, które z poniższych pojęć pojawią się w kosmosie do lat 30. XX wieku. Jednak między ich zaawansowanymi instrumentami a lekcjami wyciągniętymi z poprzednich misji możemy spodziewać się, że dokonają głębokich odkryć na temat Wszechświata.
