Med den nylige lanseringen av Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) - som fant sted onsdag 18. april 2018 - har mye oppmerksomhet blitt fokusert på neste generasjon romteleskoper som skal ta plass i løpet av de kommende årene. Disse inkluderer ikke bareJames Webb romteleskop, som for tiden er planlagt lansert i 2020, men noen andre avanserte romfartøyer som vil være utplassert innen 2030-årene.
Slik var emnet for den nylige Decadal Survey for Astrophysics i 2020, som inkluderte fire flaggskip-oppdragskonsepter som for tiden studeres. Når disse oppdragene tar plass, vil de plukke opp der oppdrag liker Hubble, Kepler, Spitzer og Chandra igjen, men vil ha større følsomhet og evne. Som sådan forventes de å avsløre mye mer om universet vårt og hemmelighetene det har.
Som forventet dekker oppdragskonseptene som ble sendt inn i Decadal Survey i 2020, et bredt spekter av vitenskapelige mål - fra å observere fjerne sorte hull og det tidlige universet til å undersøke eksoplaneter rundt stjerner i nærheten og studere kroppene til solsystemet. Disse ideene ble grundig undersøkt av det vitenskapelige samfunnet, og fire har blitt valgt som verdige forfølgelser.
Som Susan Neff, sjefsforsker for NASAs Cosmic Origins Program, forklarte i en fersk pressemelding fra NASA:
“Dette er spilletid for astrofysikk. Vi ønsker å bygge alle disse konseptene, men vi har ikke budsjett til å gjøre alle fire samtidig. Poenget med disse tiårsstudiene er å gi medlemmene i astrofysikermiljøet best mulig informasjon når de bestemmer hvilken vitenskap de skal gjøre først. ”
De fire utvalgte konseptene inkluderer Stor ultrafiolett / optisk / infrarød kartlegger (LUVOIR), et gigantisk romobservatorium utviklet i tradisjonen til Hubble romteleskop. Som et av to konsepter som blir undersøkt av NASAs Goddard Space Flight Center, krever dette oppdragskonseptet et romteleskop med et massivt segmentert primærspeil som måler omtrent 15 meter (49 fot) i diameter.
Til sammenligning JWST‘s (for tiden det mest avanserte romteleskopet) primærspeil måler 6,5 m (21 fot 4 tommer) i diameter. På samme måte som JWST, vil speilet av LUVOIR bestå av justerbare segmenter som vil utfolde seg når det ble distribuert til verdensrommet. Aktuatorer og motorer vil aktivt justere og justere disse segmentene for å oppnå det perfekte fokuset og fange lys fra svake og fjerne objekter.
Med disse avanserte verktøyene, ville LUVOIR kunne direkte avbilde jordstore planeter og vurdere deres atmosfærer. Som studieviter Aki Roberge forklarte:
“Dette oppdraget er ambisiøst, men å finne ut om det er liv utenfor solsystemet er prisen. Alle de høye polene i teknologien er drevet av dette målet ... Fysisk stabilitet, pluss aktiv kontroll på primærspeilet og et internt avsnitt (en enhet for å blokkere stjernelys) vil resultere i pikometernøyaktighet. Det handler om kontroll. "
Det er også Origins Space Telescope (OST), et annet konsept som følges av Goddard Space Flight Center. Mye som Spitzer romteleskop og Herschel Space Observatory, ville dette langtinfrarøde observatoriet tilby 10.000 ganger mer følsomhet enn noe tidligere fjerninfrarødt teleskop. Målene inkluderer å observere universets fjerneste rekkevidde, spore vannveien gjennom dannelse av stjerne og planet og søke etter tegn på liv i atmosfærene til eksoplaneter.
Dets primære speil, som vil måle omtrent 9 m (30 fot) i diameter, ville være det første aktivt avkjølte teleskopet, og holde speilet ved en temperatur på omtrent 4 K (-269 ° C; -452 ° F) og detektorene ved en temperatur på 0,05 K. For å oppnå dette, vil OST-teamet stole på flygende lag med solskjerming, fire kryokjølere og et kontinuerlig adiabatisk demagnetiseringskjøleskap (CADR).
I følge Dave Leisawitz, en forsker fra Goddard og OST, er OST spesielt avhengig av store matriser av superledende detektorer som måler millioner av piksler. "Når folk spør om teknologihull i å utvikle Origins Space Telescope, forteller jeg dem at de tre største utfordringene er detektorer, detektorer, detektorer," sa han. "Det handler om detektorene."
Spesielt vil OST stole på to nye typer detektorer: Overgangsrandsensorer (TES) eller Kinetiske induktansdetektorer (KID). Selv om de fortsatt er relativt nye, modnes TES-detektorene raskt og brukes for tiden i HAWC +-instrumentet ombord på NASAs Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA).
Så er det Vennlig Exoplanet Imager (HabEx) som utvikles av NASAs Jet Propulsion Laboratory. I likhet med LUVOIR, vil dette teleskopet også direkte avbilde planetariske systemer for å analysere sammensetningen av planetenes atmosfærer med et stort segmentert speil. I tillegg ville den studere de tidligste epokene i universets historie og livssyklusen til de mest massive stjernene, og på den måten kaste lys over hvordan elementene som er nødvendige for livet dannes.
I likhet med LUVOIR vil HabEx kunne utføre studier på de ultrafiolette, optiske og nærinfrarøde bølgelengdene, og kunne blokkere en forelderstjernes lysstyrke slik at den kunne se lys reflekteres av planeter som kretser rundt den. Som Neil Zimmerman, en NASA-ekspert på området coronagraphy, forklarte:
For å direkte avbilde en planet som kretser rundt en stjerne i nærheten, må vi overvinne en enorm barriere i dynamisk rekkevidde: stjernens overveldende lysstyrke mot den svake refleksjonen av stjernelys utenfor planeten, med bare en liten vinkel som skiller de to. Det er ingen løsning på dette problemet fordi det er så ulikt noen annen utfordring i observasjonsastronomi. "
For å håndtere denne utfordringen vurderer HabEx-teamet to tilnærminger, som inkluderer ytre kronbladformede stjerneskjermer som blokkerer lys og indre avsnitt som forhindrer stjernelys i å nå detektorene. En annen mulighet som blir undersøkt er å påføre karbon nanorør på de koronagrafiske maskene for å modifisere mønstrene til eventuelt spredt lys som fremdeles kommer gjennom.
Sist, men ikke minst, er den Røntgenmåler kjent som Lynx utvikles av Marshall Space Flight Center. Av de fire romteleskopene er Lynx det eneste konseptet som vil undersøke universet i røntgenstråler. Ved bruk av et røntgenbilde-mikrokalorimeter-imaging-spektrometer, vil dette romteleskopet oppdage røntgenstråler som kommer fra Supermassive Black Holes (SMBH) i sentrum av de tidligste galaksene i universet.
Denne teknikken består av røntgenbilder som treffer en detektors absurs og konverterer energien deres til varme, som måles med et termometer. På denne måten vil Lynx hjelpe astronomer med å låse opp hvordan de tidligste SMBH-ene ble dannet. Som Rob Petre, et Lynx-studiemedlem på Goddard, beskrev oppdraget:
”Det er observert at supermassive sorte hull eksisterte mye tidligere i universet enn våre nåværende teorier forutsier. Vi forstår ikke hvordan slike massive gjenstander dannet seg så snart etter tiden da de første stjernene kunne ha dannet seg. Vi trenger et røntgenteleskop for å se de aller første supermassive sorte hullene, for å gi innspill til teorier om hvordan de kan ha dannet seg. ”
Uansett hvilket oppdrag NASA til slutt velger, har byrået og de enkelte sentre begynt å investere i avanserte verktøy for å forfølge slike konsepter i fremtiden. De fire lagene leverte sine delrapporter tilbake i mars. Innen neste år forventes de å fullføre sluttrapporter for Nasjonalt forskningsråd (NRC), som vil bli brukt til å informere sine anbefalinger til NASA de kommende årene.
Som Thai Pham, teknologiutviklingssjef for NASAs Astrophysics Program Office, indikerte:
"Jeg sier ikke at det vil være enkelt. Det blir det ikke. Dette er ambisiøse oppdrag, med betydelige tekniske utfordringer, hvorav mange overlapper og gjelder alle. Den gode nyheten er at grunnlaget legges nå. ”
Med TESS nå utplassert og JWST planlagt å lanseres innen 2020, vil lærdommen de neste årene absolutt bli integrert i disse oppdragene. For øyeblikket er det ikke klart hvilke av de følgende konseptene som skal gå til verdensrommet innen 2030-årene. Imidlertid, mellom deres avanserte instrumenter og leksjonene fra tidligere oppdrag, kan vi forvente at de vil gjøre noen dype funn om universet.
