My, ludzie, mamy nienasycony głód zrozumienia Wszechświata. Jak powiedział Carl Sagan: „Zrozumienie to ekstaza”. Ale aby zrozumieć Wszechświat, potrzebujemy coraz lepszych sposobów jego obserwacji. A to oznacza jedno: wielkie, ogromne, ogromne teleskopy.
W tej serii przyjrzymy się nadchodzącym super teleskopom na świecie:
- Olbrzymi Teleskop Magellana
- Przytłaczająco duży teleskop
- Teleskop 30 metrów
- Niezwykle duży europejski teleskop
- Duży synoptyczny teleskop pomiarowy
- Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba
- Szerokopasmowy teleskop pomiarowy w podczerwieni
Łatwo zapomnieć o wpływie Kosmicznego Teleskopu Hubble'a na nasz stan wiedzy o Wszechświecie. W rzeczywistości może to być najlepszy miernik jego sukcesu: bierzemy teleskop Hubble'a i wszystko, czego się z niego nauczyliśmy, jest teraz oczywistością. Opracowywane są jednak inne teleskopy kosmiczne, w tym WFIRST, który będzie znacznie potężniejszy niż Hubble. Jak daleko te teleskopy poszerzą naszą wiedzę o Wszechświecie?
„WFIRST może otworzyć nasze oczy na cuda wszechświata, podobnie jak Hubble.” - John Grunsfeld, Dyrekcja Misji Naukowej NASA
WFIRST może być prawdziwym następcą Hubble'a, mimo że James Webb Space Telescope (JWST) jest często reklamowany jako taki. Ale nawet nazwanie WFIRST teleskopem może być niepoprawne; dokładniej nazwać to obserwatorium astrofizyki. Jest tak, ponieważ jednym z jego głównych celów naukowych jest badanie Ciemnej Energii, tej dość tajemniczej siły, która napędza ekspansję Wszechświata, oraz Ciemnej Materii, trudnej do wykrycia materii, która spowalnia tę ekspansję.
WFIRST będzie miał zwierciadło o długości 2,4 metra, tego samego rozmiaru co Hubble. Ale będzie miał kamerę, która zwiększy moc tego lustra. Wide Field Instrument to 288-megapikselowa wielopasmowa kamera na podczerwień. Po uruchomieniu będzie przechwytywać obrazy tak samo ostre, jak te z Hubble'a. Ale jest jedna ogromna różnica: Instrument Wide Field przechwyci obrazy, które pokrywają ponad 100 razy niebo, co robi Hubble.
Wraz z instrumentem szerokiego pola, WFIRST będzie miał instrument koronarograficzny. Instrument koronograficzny przyspieszy badanie egzoplanet. Wykorzysta system filtrów i masek, aby zablokować światło innych gwiazd, i zaatakować planety krążące wokół tych gwiazd. Umożliwi to bardzo szczegółowe badanie atmosfery egzoplanet, jednego z głównych sposobów określania zamieszkiwania.
Uruchomienie WFIRST ma nastąpić w 2025 r., Ale jest zbyt wcześnie, aby podać dokładną datę. Jednak po uruchomieniu WFIRST planuje podróż do Słońca-Ziemi LaGrange Point 2 (L2.) L2 to grawitacyjnie zrównoważony punkt w przestrzeni, w którym WFIRST może wykonywać swoją pracę bez przerwy. Misja ma trwać około 6 lat.
„WFIRST może potencjalnie otworzyć nasze oczy na cuda wszechświata, podobnie jak Hubble” - powiedział John Grunsfeld, astronauta i zastępca administratora Dyrekcji Misji Naukowej NASA w siedzibie głównej w Waszyngtonie. „Ta misja w unikalny sposób łączy zdolność odkrywania i charakteryzowania planet poza naszym Układem Słonecznym z wrażliwością i optyką, aby patrzeć szeroko i głęboko w wszechświat w poszukiwaniu tajemnic ciemnej energii i ciemnej materii.”
Krótko mówiąc, istnieją dwie propozycje tego, czym może być Ciemna Energia. Pierwszą z nich jest stała kosmologiczna, w której Ciemna Energia jest jednolita w całym kosmosie. Drugi to tak zwane pola skalarne, w których gęstość Ciemnej Energii może zmieniać się w czasie i przestrzeni.
Od lat 90. obserwacje pokazują nam, że ekspansja Wszechświata przyspiesza. To przyspieszenie rozpoczęło się około 5 miliardów lat temu. Uważamy, że za tę przyspieszoną ekspansję odpowiada Dark Energy. Dostarczając tak duże, szczegółowe obrazy kosmosu, WFIRST pozwoli astronomom mapować ekspansję w czasie i na dużych obszarach. WFIRST będzie również dokładnie mierzyć kształty, pozycje i odległości milionów galaktyk, aby śledzić rozkład i wzrost struktur kosmicznych, w tym gromad galaktyk i towarzyszących im Ciemnych Materii. Mamy nadzieję, że da nam to kolejny poziom zrozumienia, jeśli chodzi o Ciemną Energię.
Jeśli to wszystko wydaje się zbyt skomplikowane, spójrz na to w ten sposób: Wiemy, że Wszechświat się rozszerza i wiemy, że to przyspieszenie. Chcemy wiedzieć, dlaczego się rozwija i jak. Nadaliśmy nazwę „Ciemna energia” sile, która napędza tę ekspansję, a teraz chcemy dowiedzieć się więcej na ten temat.
Ciemna Energia i ekspansja Wszechświata to ogromna tajemnica i pytanie, które napędza kosmologów. (Naprawdę chcą wiedzieć, jak skończy się wszechświat!) Ale dla wielu z nas kolejne pytanie jest jeszcze bardziej przekonujące: czy jesteśmy sami we wszechświecie?
Nie będzie szybkiej odpowiedzi na to pytanie, ale każda znaleziona odpowiedź zaczyna się od studiowania egzoplanet, i to jest coś, w czym WFIRST będzie się wyróżniał.
„Program WFIRST został opracowany z myślą o obszarach nauki uznanych przez społeczność astronomiczną za najwyższe priorytety” - powiedział Paul Hertz, dyrektor Astrophysics Division w Waszyngtonie. „Instrument szerokiego pola da teleskopowi możliwość uchwycenia pojedynczego obrazu o głębokości i jakości Hubble'a, ale obejmującego 100 razy powierzchnię. Koronagram zapewni rewolucyjną naukę, rejestrując słabe, ale bezpośrednie obrazy odległych światów gazowych i super-Ziem. ”
„Koronagram zapewni rewolucyjną naukę, rejestrując słabe, ale bezpośrednie obrazy odległych światów gazowych i super-Ziem.” - Paul Hertz, NASA Astrophysics Division
Trudność w badaniu egzoplanet polega na tym, że wszystkie one krążą wokół gwiazd. Gwiazdy są tak jasne, że uniemożliwiają szczegółowe zobaczenie ich planet. To jak wpatrywanie się w oddaloną o milę latarnię morską i próbowanie zbadania owada w pobliżu latarni morskiej.
Instrument Coronagraphic na pokładzie WFIRST będzie wyróżniał się w blokowaniu światła odległych gwiazd. Czyni to za pomocą systemu luster i masek. To właśnie umożliwia badanie egzoplanet. Tylko wtedy, gdy rozpada się światło gwiazdy, można badać właściwości egzoplanet.
Umożliwi to szczegółowe pomiary składu chemicznego atmosfery egzoplanety. Robiąc to na tysiącach planet, możemy zacząć rozumieć formowanie się planet wokół różnych typów gwiazd. Istnieją jednak pewne ograniczenia dotyczące instrumentu koronograficznego.
Instrument Coronagraphic był swego rodzaju późnym dodatkiem do WFIRST. Niektóre inne instrumenty w WFIRST nie są zoptymalizowane do pracy z nim, więc istnieją pewne ograniczenia jego działania. Będzie mógł badać jedynie gazowych gigantów i tak zwane Super-Ziemie. Te większe planety nie wymagają tak subtelnej nauki, ze względu na ich wielkość. Światy podobne do Ziemi prawdopodobnie będą poza mocą Instrumentu Koronograficznego.
Na dłuższą metę ograniczenia te nie są niczym wielkim. Coronagraph jest właściwie raczej demonstracją technologii i nie reprezentuje końcowej fazy badań egzoplanet. Wszystko, czego nauczysz się z tego instrumentu, pomoże nam w przyszłości. Któregoś dnia nastąpi następca WFIRST, być może dekady, i do tego czasu technologia Coronagraph znacznie się rozwinie. W tym przyszłym czasie możliwe będą bezpośrednie migawki podobnych do Ziemi egzoplanet.
Ale może nie będziemy musieli czekać tak długo.
Istnieje plan zwiększenia skuteczności Coronagraph na WFIRST, który pozwoliłby mu zobrazować planety podobne do Ziemi. Nazywa się EXO-S Starshade.
EXO-S Starshade to rozsuwany system zacienienia o średnicy 34 m, który zablokuje światło gwiazd przed zakłóceniem działania WFIRST. Byłby to osobny statek, wystrzeliwany osobno i wysyłany na spotkanie z WFIRST na L2. Nie byłby uwiązany, ale ustawiałby się za pomocą WFIRST poprzez system kamer i świateł prowadzących. W rzeczywistości część mocy Gwiezdnego Cienia polega na tym, że odległość od WFIRST wynosi około 40 000 do 50 000 km.
Ciemna Energia i Egzoplanety są priorytetami dla WFIRST, ale zawsze są inne odkrycia oczekujące lepszych teleskopów. Nie można przewidzieć wszystkiego, czego nauczymy się od WFIRST. Z obrazami tak szczegółowymi jak obrazy Hubble'a, ale 100 razy większymi, czeka nas kilka niespodzianek.
„Ta misja zbada wszechświat, aby znaleźć najciekawsze obiekty.” - Neil Gehrels, naukowiec projektu WFIRST
„Oprócz ekscytujących możliwości ciemnej energii i egzoplanet, WFIRST zapewni skarbnicę znakomitych danych dla wszystkich astronomów” - powiedział Neil Gehrels, naukowiec projektu WFIRST w NASA Goddard Space Flight Center w Greenbelt, Maryland. „Ta misja zbada wszechświat, aby znaleźć najciekawsze obiekty.”
W związku z pojawieniem się wszystkich super teleskopów w najbliższych latach, możemy spodziewać się niesamowitych odkryć. Za 10 do 20 lat nasza wiedza znacznie się rozwinie. Czego dowiemy się o ciemnej materii i ciemnej energii? Co będziemy wiedzieć o populacjach egzoplanet?
W tej chwili wydaje się, że szukamy lepszego zrozumienia tych rzeczy, ale dzięki WFIRST i innym super teleskopom jesteśmy przygotowani na bardziej celowe badania.
