Med den nylige lancering af Transit Exoplanet Survey Satellite (TESS) - der fandt sted onsdag den 18. april 2018 - har der været meget opmærksomhed på den næste generation af rumteleskoper, som vil komme til rummet i de kommende år. Disse inkluderer ikke kunJames Webb-rumteleskop, som i øjeblikket er planlagt til lancering i 2020, men nogle andre avancerede rumfartøjer, der vil blive indsat i 2030'erne.
Sådan var emnet for den nylige Decadal Survey for Astrophysics 2020, der omfattede fire flagskibsmissionskoncepter, der i øjeblikket studeres. Når disse missioner tager plads, samler de sig op, hvor missionerne kan lide Hubble, Kepler, Spitzer og Chandra til venstre, men vil have større følsomhed og kapacitet. Som sådan forventes de at afsløre en hel del mere om vores univers og de hemmeligheder, det indeholder.
Som forventet dækker missionskoncepterne, der blev forelagt Decadal Survey i 2020, en lang række videnskabelige mål - fra iagttagelse af fjerne sorte huller og det tidlige univers til undersøgelse af eksoplaneter omkring stjerner i nærheden og undersøgelse af solsystemets kroppe. Disse ideer blev grundigt undersøgt af det videnskabelige samfund, og fire er blevet udvalgt til at være værd at forfølge.
Som Susan Neff, chefforsker for NASAs Cosmic Origins-program, forklarede i en nylig pressemeddelelse fra NASA:
”Dette er spilletid for astrofysik. Vi ønsker at opbygge alle disse koncepter, men vi har ikke budgettet til at gøre alle fire på samme tid. Pointen med disse dekadalsundersøgelser er at give medlemmer af astrofysikernes samfund den bedst mulige information, når de beslutter, hvilken videnskab de skal gøre først. ”
De fire valgte koncepter inkluderer Stor ultraviolet / optisk / infrarød landmåler (LUVOIR), et gigantisk rumobservatorium udviklet i traditionen for Hubble-rumteleskop. Som et af to koncepter, der undersøges af NASA's Goddard Space Flight Center, kræver dette missionskoncept et rumteleskop med et massivt segmenteret primært spejl, der måler cirka 15 meter (49 fod) i diameter.
Til sammenligning JWST‘s (i øjeblikket det mest avancerede rumteleskop) primære spejl måler 6,5 m (21 ft 4 in) i diameter. Ligesom JWST ville LUVOIR's spejl være sammensat af justerbare segmenter, der ville udfolde sig, når det først blev udsendt til rummet. Aktuatorer og motorer ville aktivt justere og justere disse segmenter for at opnå det perfekte fokus og fange lys fra svage og fjerne genstande.
Med disse avancerede værktøjer kunne LUVOIR være i stand til direkte at forestille planeter i jordstørrelsen og vurdere deres atmosfære. Som studieviter Aki Roberge forklarede:
”Denne mission er ambitiøs, men at finde ud af, om der er liv uden for solsystemet, er prisen. Alle de høje poler i teknologien drives af dette mål… Fysisk stabilitet plus aktiv kontrol på det primære spejl og et internt afsnit (en enhed til at blokere stjernelys) vil resultere i picometernøjagtighed. Det handler om kontrol. ”
Der er også Origins rumteleskop (OST), et andet koncept, der forfølges af Goddard Space Flight Center. Meget ligesom Spitzer-rumteleskop og Herschel Space Observatory, dette langt-infrarøde observatorium ville tilbyde 10.000 gange mere følsomhed end ethvert foregående langt-infrarødt teleskop. Dets mål inkluderer at observere universets fjerneste rækkevidde, spore vandets sti gennem dannelse af stjerne og planet og søge efter tegn på liv i atmosfære af exoplaneter.
Dets primære spejl, som måler ca. 9 m (30 ft) i diameter, ville være det første aktivt afkølede teleskop og holde sit spejl ved en temperatur på ca. 4 K (-269 ° C; -452 ° F) og detektorerne ved en temperatur på 0,05 K. For at opnå dette vil OST-teamet stole på flyvende lag med solskærme, fire kryokølere og et kontinuerligt adiabatisk demagnetiseringskøleskab (CADR).
Ifølge Dave Leisawitz, en Goddard-videnskabsmand og OST-undersøgelsesforsker, er OST især afhængig af store matrixer af superledende detektorer, der måler i millioner af pixels. ”Når folk spørger om teknologiske huller i udviklingen af Origins-rumteleskopet, fortæller jeg dem, at de tre største udfordringer er detektorer, detektorer, detektorer,” sagde han. ”Det handler om detektorerne.”
Specifikt vil OST være afhængige af to nye typer detektorer: Overgangsrandsensorer (TES'er) eller Kinetiske induktansdetektorer (KID'er). Mens de stadig er relativt nye, modnes TES-detektorer hurtigt og bruges i øjeblikket i HAWC +-instrumentet ombord på NASAs Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA).
Så er der Brugbar Exoplanet Imager (HabEx), der udvikles af NASAs Jet Propulsion Laboratory. Ligesom LUVOIR ville dette teleskop også direkte afbilde planetariske systemer for at analysere sammensætningen af planetenes atmosfærer med et stort segmenteret spejl. Derudover ville det studere de tidligste epoker i universets historie og livscyklussen for de mest massive stjerner og således kaste lys over, hvordan de elementer, der er nødvendige for livet, dannes.
Ligesom LUVOIR ville HabEx være i stand til at gennemføre undersøgelser i de ultraviolette, optiske og næsten-infrarøde bølgelængder og være i stand til at blokere en moderstjernes lysstyrke, så den kunne se lys reflekteres fra planeter, der kredser rundt om det. Som Neil Zimmerman, en NASA-ekspert inden for koronagraphy, forklarede:
”For direkte at forestille en planet, der kredser rundt en nærliggende stjerne, må vi overvinde en enorm barriere i dynamisk rækkevidde: stjernens overvældende lysstyrke mod den svage reflektion af stjernelys fra planeten, med kun en lille vinkel, der adskiller de to. Der er ingen løsningsmodel til dette problem, fordi det er så ulig enhver anden udfordring inden for observationsastronomi. ”
For at imødegå denne udfordring overvejer HabEx-teamet to tilgange, der inkluderer eksterne kronbladformede stjerneskygger, der blokerer for lys og interne koronafsnit, der forhindrer stjernelys i at nå detektorerne. En anden mulighed, der undersøges, er at anvende carbon nanorør på de koronagrafiske masker for at ændre mønstrene i ethvert diffraktion, der stadig kommer igennem.
Sidst, men ikke mindst, er Røntgenmåler kendt som Los bliver udviklet af Marshall Space Flight Center. Af de fire rumteleskoper er Lynx det eneste koncept, der vil undersøge universet i røntgenstråler. Ved hjælp af et røntgenbillede-mikrokalorimeter-billedspektrometer vil dette rumteleskop detektere røntgenstråler, der kommer fra Supermassive Black Holes (SMBH'er) i midten af de tidligste galakser i universet.
Denne teknik består af røntgenbilleder, der rammer en detektors forstyrrelser og konverterer deres energi til varme, der måles med et termometer. På denne måde vil Lynx hjælpe astronomer med at låse op, hvordan de tidligste SMBH'er dannede sig. Som Rob Petre, et Lynx-studiemedlem på Goddard, beskrev mission:
”Supermassive sorte huller er blevet observeret at eksistere meget tidligere i universet, end vores nuværende teorier forudsiger. Vi forstår ikke, hvordan sådanne massive genstande dannede sig så hurtigt efter det tidspunkt, hvor de første stjerner kunne have dannet sig. Vi har brug for et røntgenteleskop for at se de allerførste supermassive sorte huller for at give input til teorier om, hvordan de måtte have dannet sig. ”
Uanset hvilken mission NASA i sidste ende vælger, er agenturet og de enkelte centre begyndt at investere i avancerede værktøjer til at forfølge sådanne koncepter i fremtiden. De fire hold indsendte deres interimsrapporter tilbage i marts. I næste år forventes de at afslutte de endelige rapporter for National Research Council (NRC), som vil blive brugt til at informere sine henstillinger til NASA i de kommende år.
Som Thai Pham, teknologiudviklingschef for NASAs Astrophysics Program Office, angav:
”Jeg siger ikke, at det vil være let. Det bliver det ikke. Dette er ambitiøse missioner med betydelige tekniske udfordringer, hvoraf mange overlapper hinanden og gælder for alle. Den gode nyhed er, at grundlæggelsen lægges nu. ”
Med TESS nu implementeret og JWST planlagt at blive lanceret i 2020, vil de erfaringer, der er gjort i de næste par år, helt sikkert blive integreret i disse missioner. På nuværende tidspunkt er det ikke klart, hvilket af de følgende koncepter vil komme til rummet i 2030'erne. Imidlertid kan vi mellem deres avancerede instrumenter og erfaringerne fra tidligere missioner forvente, at de vil gøre nogle dybe opdagelser om universet.
