Marzenie astronomów – 4 kosmiczne obserwatoria przyszłości
Publikacja Astro2020 Decadal Survey zbliża się wielkimi krokami, a cztery koncepcje walczą o miano kolejnej flagowej misji NASA. Od poszukiwań egzoplanet podobnych do Ziemi, do tajemnic ukrytych w promieniach rentgenowskich. Co przyniesie przyszłość? Czy pewnego dnia zobrazujemy oceany na innej Ziemi? Czy zobaczymy sygnatury pierwszych czarnych dziur lub nakreślimy mapę prawie niewidzialnej sieci kosmicznej? Czy odkryjemy pochodzenie planet i samego życia? To jedne z najbardziej palących pytań w dzisiejszej astronomii i na nie właśnie mają odpowiedzieć kosmiczne obserwatoria w przyszłości.
W ciągu najbliższych kilku tygodni grupa wpływowych astronomów z różnych dyscyplin opublikuje wytyczne, które określą priorytety astronomii na następną dekadę. Wybrana przez Narodową Akademię Nauk grupa, rozważa cztery flagowe koncepcje teleskopów kosmicznych – z których każda może zmienić oblicze astronomii, a także 10 mniejszych sond kosmicznych. Astronomowie przedstawią wizję przyszłości w raporcie na kolejną dekadę, który ma zostać ogłoszony do końca września 2021.
Takie „plany dziesięcioletnie” nadawały ton „kosmicznej” astronomii obserwacyjnej przez ostatnie 50 lat. Do tej pory każda misja kosmiczna, która otrzymała najwyższy priorytet w danym dziesięcioleciu, w końcu trafiła na platformę startową. Lista ta obejmuje Kosmiczny Teleskop Hubble’a, który otrzymał priorytet w raporcie z 1972 roku i został wystrzelony 18 lat później, Obserwatorium Rentgenowskie Chandra, które otrzymało pierwszeństwo w 1982 roku i zostało uruchomione w 1999 roku, czy Kosmiczny Teleskop Spitzera, który otrzymał pierwszeństwo w 1991 roku i wystrzelony w 2003 roku. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) jest następny w kolejce, dostając pierwszeństwo w 2000 roku, a kolejnym może być Nancy Grace Roman Telescope (wcześniej znany jako Wide Field Infrared Survey Telescope lub WFIRST), który otrzymał pierwsze miejsce w 2010 roku.
W 2016 roku NASA zaczęła finansować szczegółowe badania obejmujące dosłownie wszystkie elementy, od modelowania kosztów po struktury podziału pracy – dla czterech koncepcji „wielkich misji kosmicznych”: HabEx, LUVOIR, Lynx i Origins Space Telescope (wymienione w kolejności alfabetycznej). Dzięki tym badaniom, NASA ma nadzieję zapobiec kolejnej sytuacji podobnej do „telenoweli” jakiej jesteśmy obecnie świadkami w przypadku JWST.
Potencjał, jaki niesie ze sobą każde z tych potencjalnych obserwatoriów, powinien wywołać dreszczyk emocji w każdym, komu leżą na sercu badania kosmosu. Od bezpośredniego obrazowania planet wielkości Ziemi, po wykrywanie pierwszych czarnych dziur u zarania dziejów Wszechświata. Każda z tych misji będzie wymagała jednak co najmniej kilku miliardów dolarów na projekt, budowę i uruchomienie. Można więc śmiało przewidzieć, że komisja przyzna priorytet tylko jednej z tych misji – oczywiście zakładając, że taki projekt uzna za konieczny.
| Misja | Lustro główne | Zakres widma | Cele naukowe |
| HabEx | 4 m (poza-osiowe wtórne) |
Ultrafiolet, widzialne, bliska podczerwień |
|
| LUVOIR | 8–15 m | Ultrafiolet, widzialne, bliska podczerwień |
|
| Lynx | 3 m | Promieniowanie rentgenowskie |
|
| Origins | 5.9 m | Średnia i daleka podczerwień |
|
- HABEX: HUBBLE 2.0
W dużym skrócie można pomyśleć o HabEx jako o Kosmicznym Teleskopie Hubble’a nowej generacji. Z 4-metrowym zwierciadłem głównym – prawie dwukrotnie większym od Hubble’a – HabEx wykryje światło w bliskiej podczerwieni, widzialne i ultrafioletowe. Wyposażony w koronograf i składany 52-metrowy „klosz”, oddalony o około 76.000 kilometrów od samego teleskopu, HabEx byłby przygotowany do bezpośredniego obrazowania mniejszych egzoplanet.
Głównym celem tej nietypowej konfiguracji jest odnalezienie i pozyskanie informacji o planetach podobnych do Ziemi. HabEx miałby zobrazować i scharakteryzować tuzin skalistych planet wielkości Ziemi wokół gwiazd podobnych do Słońca. Zestaw instrumentów misji został zaprojektowany w celu poszukiwania elemntów atmosfery nadającej się do zamieszkania i chemicznych oznak życia (tzw biosygnatury). Obejmuje to możliwość pomiaru cech absorpcji tlenu, dwutlenku węgla i metanu w atmosferach tych planet. HabEx byłby nawet w stanie wykryć światło gwiazd odbijające się od oceanów.
Element który sprawi, że to wszystko stanie się możliwe, stanowi również najtrudniejszą część misji. Okulter (określany również jako „kosmiczna stokrotka” lub „słonecznik”) będzie czymś zupełnie nowatorskim, chociaż koncepcja ta była badana od lat 90. XX wieku. Powodem, dla którego jest on konieczny, jest fakt, że chociaż koronograf wewnątrz teleskopu będzie w stanie blokować większość światła gwiazdy macierzystej, część tego światła rozproszy się z powrotem w polu widzenia.
Wyzwania są dwojakie: po pierwsze, okulter musi sam przemieszczać się poza teleskopem, używając własnego układu napędowego, aby nie tylko pozostawać w linii z teleskopem, ale także precyzyjnie kierować się na nowe cele. Po drugie, gwiezdny klosz ma być bardzo duży więc musi zostać złożony przed startem, a następnie rozłożony w przestrzeni kosmicznej. Taka procedura nie wybaczy żadnych błędów. HabEx nie będzie w 100% zależny od okultera: zespół rozważa łącznie dziewięć konfiguracji. Alternatywy obejmują zastąpienie zwierciadła o średnicy 4 metrów zwierciadłem segmentowym o długości 3,2 metra, a także opcję nieuwzględniania koronografu, okultera lub obu tych elementów.
Jednak pomimo swojej nazwy (w pełnej wersji: Habitable Exoplanet Observatory), HabEx to znacznie więcej niż badania egzoplanet. Połowa czasu obserwacji teleskopu ma być poświęcona ogólnym przedsięwzięciom, które pozwolą astronomom przyjrzeć się bliżej wielu zagadnieniom, od zorzy polarnej lodowych olbrzymów – Urana i Neptuna po brakującą materię Wszechświata. W pewnym sensie, teleskop miałby przejąć szerokie „obowiązki” Teleskopu Hubble’a.
- LUVOIR: OGROMNY, BARDZIEJ UNIWERSALNY I W OGÓLE WYPAS
Jeśli HabEx jest Hubblem nowej generacji, to Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR) można porównać do Hubble’a lub JWST ugryzionego przez radioaktywnego pająka. Supermocą LUVOIR jest jego podzielone na segmenty 15-metrowe lustro, które może przywodzić na myśl skojarzenie z lustrem JWST. Zespół odpowiedzialny za projekt analizuje również alternatywną konfigurację z mniejszym, ale wciąż ogromnym, 8-metrowym lustrem.
Podobnie jak w przypadku innych koncepcji dużych misji, LUVOIR zostałby umieszczony w punkcie L2 Lagrange’a, 1,5 miliona kilometrów w kierunku przeciwnym do Słońca. Jednak w odróżnieniu od konkurencji, LUVOIR miałby być przeznaczony do obsługi technicznej (wymiany i modernizacji instrumentów) przez astronautów na miejscu, co zwiększa prawdopodobieństwo sukcesu misji choć wiązałoby się z dużymi kosztami.
Serwis jest również niezbędny, jeśli długość misji ma przekroczyć 10 lat. Aby uchronić statek kosmiczny przed koziołkowaniem w kosmosie, niezbędne będą niewielkie silniki zamiast działających niczym żyroskop, mniej precyzyjnych i bardziej niebezpiecznych dla struktury teleskopu kół reakcyjnych, które dodatkowo zawiodły w przypadku Hubble’a i Keplera. Jednak z ogromnym 15-metrowym lustrem i 80-metrowym kloszem chroniącym go przed ciepłem słonecznym, LUVOIR szybko spali posiadane paliwo, ograniczając żywotność systemu, chyba że brak będzie uzupełniany.
Głównym celem LUVOIR jest bezpośrednie obrazowanie egzo-ziem, nie tylko tuzina, jak HabEx, ale setki. W przeciwieństwie do HabEx, dla telelskopu LUVOIR nie przewidziano okulatera. Jednak jego duże lustro, ogromna dokładność na poziomie pikometrów dla optyki teleskopu i koronograf nowej generacji powinny z nawiązką nadrobić brak okultera.
Oczywiście egzoplanety nie będą jedynym celem dla LUVOIR. Teleskop osiągnie 33-34 mag, pozwalając na obserwację słabszych obiektów niż te, które kiedykolwiek można będzie zobaczyć z Ziemi ze względu na poświatę niebieską ogranicząjącą zasięg teleskopom naziemnym do około 30 mag. Przekroczy również limit 31,5 mag Hubble’a.
Obserwacje na tym poziomie prawdopodobnie ujawni galaktyki karłowate w całym wszechświecie, których obecne teleskopy nie są w stanie wykryć. „Z czymś takim jak LUVOIR”, zauważa John O’Meara (W. M. Keck Observatory), „bylibyśmy w stanie zobaczyć galaktykę karłowatą o masie 100 mas Słońca, znajdującą się w odległości 10 miliardów lat świetlnych”. Tak potężny teleskop może również, po raz pierwszy mapować gorący gaz wokół galaktyk, o którym wiemy, że tam jest, ale nie jesteśmy w stanie jeszcze bezpośrednio go zobrazować.
Ale tak wielka moc ma świetną cenę. „LUVOIR jest prawdopodobnie najbardziej ambitną z czterech misji” – mówi O’Meara. „To oczywiście wiąże się z kosztami. Czy koszt wyniesie ponad 5 miliardów dolarów? Tak.”„To zależy od tego, jak ambitne są Twoje cele i jaki rodzaj nauki chcesz robić” – dodaje O’Meara. „To najbardziej ekscytująca rzecz, nad którą pracowałem w mojej karierze i wiem, że możemy to zbudować. Mamy możliwości i mamy ludzi, potrzebujemy tylko odwagi, aby to zrobić.”
- LYNX: RENTGEN NOWEJ GENERACJI
Kolejna koncepcja misji przenosi nas poza światło widzialne i okoliczne zakresy fal, aż do promieniowania rentgenowskiego, które pochodzi z najgorętszych i najbardziej energetycznych procesów we Wszechświecie, tym samym rzucając światło na pochłaniające materię czarne dziury, eksplodujące gwiazdy i gorący gaz między galaktykami. Z uwagi na to, że ziemska atmosfera całkowicie je blokuje, aż do „ery kosmicznej” nie wiedzieliśmy nawet, że kosmiczne źródła promieniowania X w ogóle istnieją.
Teleskop Lynx (z łaciny – Ryś), nazwany na cześć dużego kota, który w wielu minionych kulturach uważany był za stworzenie dostrzegające prawdziwą naturę rzeczy, miałby spowodować ogromny jakościowy przeskok w stosunku do istniejących teleskopów rentgenowskich (Chandra i XMM-Newton).
Wysokoenergetyczna natura promieniowania, która sprawia, że fotony uchwycone przez teleskop Lynx będą tworzyć tak dokładne obrazy, sprawia również, że trudno je kontrolować. Promienie rentgenowskie na ogół przechodzą przez materiał, a nie odbijają się od niego. Aby promienie X wyostrzyły się, muszą najpierw odbić się pod odpowiednim kątem od dokładnie wypolerowanego lustra, jak gładkie kamyki od nieruchomego stawu. Obserwatorium rentgenowskie Chandra posiada cztery takie lustra, zagnieżdżone w sobie niczym rosyjskie matrioszki, co pozwala na wygenerowanie obrazów rentgenowskich o rozdzielczości poniżej jednej sekundy łuku. XMM-Newton, satelita rentgenowski Europejskiej Agencji Kosmicznej, posiada 58 zagnieżdżonych luster w każdym ze swoich trzech teleskopów.
Symulacja jasności powierzchni w miękkim promieniowaniu rentgenowskim teleskopu Lynx. Źródło: https://www.lynxobservatory.com/blog/legacy
Lynx z łatwością przewyższy je wszystkie. „Będzie zawierał najbardziej niezwykłe lustro rentgenowskie, jakie kiedykolwiek stworzono, piękny żyrandol z 37.000 segmentów z wysoce wypolerowanego krzemu”, mówi członek zespołu Grant Tremblay (Centrum Astrofizyki, Harvard & Smithsonian). Te krzemowe kawałki zostaną ułożone w 611 modułów, które zostaną połączone w półsferyczne powłoki. Dzięki temu teleskop osiągnie 100-krotną czułość Chandry, co umożliwi mu zobaczenie pierwszych czarnych dziur u zarania Wszechświata. Astronomowie od dawna zastanawiali się, w jaki sposób czarne dziury w centrach galaktyk mogły urosnąć do milionów mas Słońca zaledwie miliard lat po Wielkim Wybuchu. Lynx będzie mógł zajrzeć 500 milionów lat wcześniej, widząc genezę tych supermasywnych czarnych dziur.
Lynx będzie również badać niebo 800 razy szybciej niż Chandra, z polem widzenia 22 minut kątowych i dokładnością znacznie poniżej sekundy kątowej dla większości pola. W połączeniu z czułością i rozdzielczością spektralną, taka wydajność przeglądu pomoże Lynxowi zmapować prawie niewidoczny gorący gaz, który otacza galaktyki, przenika gromady galaktyk i zarysowuje „kosmiczną sieć”. Ten gorący gaz odpowiada za większość „zwykłej” (tj. nie ciemnej) materii Wszechświata i stanowi podstawę jego struktury, wyjaśnia przewodniczący zespołu Lynx, Alexey Vikhlinin (Centrum Astrofizyki, Harvard & Smithsonian). Chociaż zrozumienie tej struktury od dawna jest możliwe dzięki kosmologocznym symulacjom, dzięki Lynxowi uzyskamy jej prawdziwy obraz.
Ze wszystkich potencjalnych misji Lynx ma tę zaletę, że przynosi przełom w nauce z najmniejszym zapotrzebowaniem na nowe technologie. Zespół luster reprezentuje główny postęp technologiczny misji; reszta statku kosmicznego jest w zasadzie taka sama jak Chandra, która została wystrzelona ponad 20 lat temu.„Żadnej rozkładającej się osłony przeciwsłonecznej, żadnego okultera, który jest technicznie oddzielnym statkiem kosmicznym – mówi Tremblay. „To przetestowana, sprawdzona konstrukcja. Wyjmujemy „oko” Chandry i zastępujemy je najpotężniejszym okiem, jakie można sobie wyobrazić.
ORIGINS SPACE TELESCOPE: SKĄD SIĘ TUTAJ WZIELIŚMY?”
Kosmiczny Teleskop Origins prześledzi historię naszych początków od momentu, gdy pył i ciężkie pierwiastki na stałe zmieniły kosmiczny krajobraz, aż do współczesnego życia. W jaki sposób galaktyki ewoluowały od najwcześniejszych układów galaktycznych do tych obserwowanych we współczesnym Wszechświecie? Jak powstają planety nadające się do zamieszkania? Jak powszechne są światy mogące gościć życie?
Aby odpowiedzieć na te intrygujące pytania, Origins będzie operował na długościach fal średniej i dalekiej podczerwieni (IR) i oferował potężne instrumenty spektroskopowe oraz czułość o trzy rzędy wielkości lepszą niż w Obserwatorium Kosmicznym Herschela, największym do tej pory teleskopie umieszczonym w przestrzeni kosmicznej. Podstawowy projekt obejmuje teleskop o średnicy 5,9 m chłodzony kriogenicznie do zaledwie 4,5K (4,5 stopnia powyżej zera absolutnego) i wyposażony w trzy instrumenty naukowe:
- Instrument średniej podczerwieni (spektrometr średniej podczerwieni i spektrometr Camera Transit) mający mierzyć widma tranzytujących egzoplanet w zakresie długości fal od 2,8 do 20μm i zapewnić niespotykaną precyzję spektrofotometryczną, umożliwiając skuteczne wykrywanie biosygnatur egzoplanet.
- Polarymetr z obrazem dalekiej podczerwieni będący w stanie badać tysiące stopni kwadratowych z obrazowaniem szerokopasmowym przy 50 i 250 μm.
- Spektrometr Origins Survey obejmujący fale o długości od 25 do 588 μm, wykonujący szerokie i głębokie przeglądy spektroskopowe.
Origins został zaprojektowany tak, aby zminimalizować koszt wdrażania nowych i skomplikowanych technologii. Architektura miałaby czerpać z Kosmicznego Teleskopu Spitzera i wymagać bardzo niewielu działań już po wystrzeleniu, podczas gdy projekt systemu kriotermicznego wykorzystuje technologię i doświadczenie z budowy Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba.
„Termin „podczerwień” obejmuje podczerwień bliską, średnią i daleką, z których każda jest tak ekspansywna, jak samo światło widzialne lub ultrafioletowe”, mówi członek zespołu Origins, Cara Battersby (University of Connecticut). „Chociaż istnieje pewne pokrycie z JWST, Origins miałby eksplorować Wszechświat w zakresie długości fal (daleka podczerwień), który ledwo został wykorzystany i ciągle jest pełen możliwości”. Kosmiczny Teleskop Spitzera NASA i Obserwatorium Kosmiczne Herschela Europejskiej Agencji Kosmicznej były ostatnimi, które badały ten zakres. Herschel obserwował niebo w dalekiej podczerwieni od 2009 do 2013 roku i chociaż Spitzer nadal działa, prowadzi obserwacje w „ciepłym” trybie, który znacznie ogranicza jego możliwości. Origins zapewniłby 1000-krotny wzrost czułości w tych obserwatoriach.
Ze względu na naturę rozszerzającego się Wszechświata, długie fale, na które wrażliwy byłby Origins, umożliwiają głębszą eksplorację naszej kosmicznej przeszłości niż obecne i nadchodzące teleskopy – cofając się aż do ery pierwszych gwiazd, nazwanej Epoką Rejonizacji. Podobnie jak HabEx i LUVOIR, Origins również miałby odgrywać kluczową rolę w badaniach egzoplanet. Dzięki spektroskopii w średniej podczerwieni misja byłaby w stanie wykryć biosygnatury na planetach typu ziemskiego.
Największą potencjalną zaletą tego projektu jest niewiadoma. „Za każdym razem, gdy ludzkość spojrzała na nowy zakres długości fal mając do dyspozycji przełomowe narzędzia, widzieliśmy niesamowite nowe rzeczy” – mówi Battersby. „Najbardziej kusząca jest dla mnie nauka, której jeszcze nie znamy i być może nawet się jej nie spodziewamy”.
Nieuczciwym byłoby stwierdzenie, że powyższe koncepcje konkurują ze sobą. W końcu nie ma obowiązku wyboru jednego z czterech. Czy po problematycznej misji JWST, społeczność naukowa zdecyduje się na kolejne ambitne „Wielkie Obserwatorium”, czy jednak zachowa większą ostrożność przed kolejnym „flagowym projektem”?
- https://www.space.com/space-telescope2030s.html
- https://www.scientificamerican.com/nasa-s-next-big-telescope/
- https://www.spiedigitallibrary.org/Origins-Space-Telescope
- https://asd.gsfc.nasa.gov/firs/
- https://spie.org/news/potential-next-great-observatories
- https://www.greatobservatories.org
- https://www.nature.com/articles/s41550-018-0559-0
521 views
