Vi mennesker har en umættelig sult efter at forstå universet. Som Carl Sagan sagde: "Forståelse er ekstase." Men for at forstå universet har vi brug for bedre og bedre måder at observere det på. Og det betyder én ting: store, enorme, enorme teleskoper.
I denne serie ser vi på verdens kommende Super Teleskoper:
- The Giant Magellan Telescope
- Det overvældende stort teleskop
- Det 30 meter teleskop
- Det europæiske ekstremt store teleskop
- Det store synoptiske undersøgelseskikkert
- James Webb-rumteleskopet
- Det brede feltinfrarøde målingsteleskop
Det er let at glemme den indflydelse, som Hubble-rumteleskopet har haft på vores videnstilstand om universet. Faktisk kan det være den bedste måling af dens succes: Vi tager Hubble og alt hvad vi har lært af det, for givet nu. Men der udvikles andre rumteleskoper, inklusive WFIRST, som vil være meget mere kraftfuld end Hubble. Hvor langt vil disse teleskoper udvide vores forståelse af universet?
"WFIRST har potentialet til at åbne vores øjne for universets vidundere, omtrent på samme måde som Hubble har." - John Grunsfeld, direktoratet for videnskabsmission for NASA
WFIRST er muligvis den sande efterfølger for Hubble, selvom James Webb-rumteleskopet (JWST) ofte er udråbt som sådan. Men det kan være forkert at endda kalde WFIRST et teleskop; det er mere nøjagtigt at kalde det et astrofysisk observatorium. Det skyldes, at et af dets primære videnskabelige mål er at studere Dark Energy, den temmelig mystiske kraft, der driver udvidelsen af universet, og Dark Matter, det vanskeligt at opdage stof, der bremser denne ekspansion.
WFIRST har et 2,4 meter spejl, i samme størrelse som Hubble. Men det vil have et kamera, der udvider kraften i dette spejl. Wide Field Instrument er et 288-megapixel multi-band nær-infrarødt kamera. Når den er i brug, vil den fange billeder, der er lige så skarpe som dem fra Hubble. Men der er en enorm forskel: Det brede feltinstrument vil fange billeder, der dækker over 100 gange den himmel, som Hubble gør.
Langs det brede feltinstrument vil WFIRST have Coronagraphic-instrumentet. Coronagraphic-instrumentet vil fremme studiet af eksoplaneter. Det vil bruge et system med filtre og masker til at blokere lyset fra andre stjerner og klippe ind på planeter, der kredser rundt om stjernerne. Dette vil give mulighed for meget detaljeret undersøgelse af atmosfærerne i exoplaneter, en af de vigtigste måder til at bestemme beboedygtighed.
WFIRST er beregnet til at blive lanceret i 2025, selvom det er for tidligt at have en nøjagtig dato. Men når det lanceres, er planen for WFIRST at rejse til Sun-Earth LaGrange Point 2 (L2.) L2 er et tyngdepunktet afbalanceret punkt i rummet, hvor WFIRST kan udføre sit arbejde uden afbrydelse. Missionen er indstillet til at vare omkring 6 år.
”WFIRST har potentialet til at åbne vores øjne for universets vidundere, på samme måde som Hubble har,” sagde John Grunsfeld, astronaut og associeret administrator af NASAs Science Mission Directorate i hovedkvarteret i Washington. "Denne mission kombinerer unikt evnen til at opdage og karakterisere planeter ud over vores eget solsystem med følsomheden og optikken til at se bredt og dybt ind i universet i en søgen efter at afsløre mysterierne om mørk energi og mørk stof."
Kort sagt er der to forslag til, hvad Dark Energy kan være. Den første er den kosmologiske konstant, hvor Dark Energy er ensartet i hele kosmos. Det andet er det, der er kendt som skalarfelter, hvor massen af mørk energi kan variere i tid og rum.
Siden 1990'erne har observationer vist os, at udvidelsen af universet accelererer. Denne acceleration startede for omkring 5 milliarder år siden. Vi tror, at Dark Energy er ansvarlig for den accelererede ekspansion. Ved at tilvejebringe så store, detaljerede billeder af kosmos vil WFIRST lade astronomer kortlægge ekspansion over tid og over store områder. WFIRST vil også præcist måle figurer, positioner og afstande på millioner af galakser for at spore fordelingen og væksten af kosmiske strukturer, herunder galakse klynger og Dark Matter, der ledsager dem. Håbet er, at dette vil give os et næste niveau af forståelse, når det kommer til Dark Energy.
Hvis det lyder for kompliceret, skal du se på det på denne måde: Vi ved, at universet ekspanderer, og vi ved, at udvidelsen accelererer. Vi vil gerne vide, hvorfor det udvides, og hvordan. Vi har givet navnet 'Dark Energy' til den kraft, der driver denne ekspansion, og nu vil vi vide mere om det.
Mørk energi og udvidelsen af universet er et enormt mysterium og et spørgsmål, der driver kosmologer. (De vil virkelig vide, hvordan universet ender!) Men for mange af os andre er et andet spørgsmål endnu mere overbevisende: Er vi alene i universet?
Der vil ikke være noget hurtigt svar på det, men ethvert svar, vi finder, begynder med at studere eksoplaneter, og det er noget, som WFIRST også vil udmærke sig ved.
"WFIRST er designet til at adressere videnskabsområder, der er identificeret som de højeste prioriteter af det astronomiske samfund," sagde Paul Hertz, direktør for NASAs Astrofysikafdeling i Washington. ”Bredfeltinstrumentet giver teleskopet muligheden for at fange et enkelt billede med dybden og kvaliteten af Hubble, men dækker 100 gange området. Andet afsnit vil give revolutionerende videnskab, der fanger de svage, men direkte billeder af fjerne gasformige verdener og superjord. "
"Anden afsnit vil give revolutionerende videnskab, der fanger de svage, men direkte billeder af fjerne gasformige verdener og superjord." - Paul Hertz, NASAs astrofysikafdeling
Problemer med at studere eksoplaneter er, at de alle kredser rundt om stjerner. Stjerner er så lyse, at de gør det umuligt at se deres planeter i detaljer. Det er som at stirre ind i et fyrtårn kilometer væk og prøve at undersøge et insekt nær fyrtårnet.
Coronagraphic-instrumentet ombord på WFIRST vil udmærke sig i at blokere lyset for fjerne stjerner. Det gør det med et system med spejle og masker. Det er dette, der gør det muligt at studere eksoplaneter. Først når lyset fra stjernen behandles, kan eksoplaneternes egenskaber undersøges.
Dette tillader detaljerede målinger af den kemiske sammensætning af en eksoplanet atmosfære. Ved at gøre dette over tusinder af planeter, kan vi begynde at forstå dannelsen af planeter omkring forskellige typer stjerner. Der er dog nogle begrænsninger for Coronagraphic-instrumentet.
Coronagraphic Instrument var en form for en sen tilføjelse til WFIRST. Nogle af de andre instrumenter på WFIRST er ikke optimerede til at arbejde med den, så der er nogle begrænsninger i dens funktion. Det vil kun være i stand til at studere gasgiganter og såkaldte Super-Earths. Disse større planeter kræver ikke så stor finesse at studere, blot på grund af deres størrelse. Jordlignende verdener vil sandsynligvis være uden for kraften i Coronagraphic Instrument.
Disse begrænsninger er ikke noget stort på lang sigt. Coronagraph er faktisk mere en teknologidemonstration, og den repræsenterer ikke slutspillet til exoplanetundersøgelse. Uanset hvad man lærer af dette instrument vil hjælpe os i fremtiden. Der vil blive en eventuel efterfølger af WFIRST en dag, måske årtier fra nu, og på det tidspunkt vil Coronagraph-teknologien have fremskredt meget. På det fremtidige tidspunkt kan direkte snapshots af jordlignende eksoplaneter meget godt være muligt.
Men måske behøver vi ikke vente så længe.
Der er en plan for at øge effektiviteten af Coronagraph på WFIRST, der ville gøre det muligt for billedet af jordlignende planeter. Det kaldes EXO-S Starshade.
EXO-S Starshade er et skudsystem, der kan udsættes for 34 m i diameter, og som forhindrer starlight i at forringe funktionen af WFIRST. Det ville faktisk være et separat håndværk, lanceret separat og sendt på vej til møde med WFIRST på L2. Det ville ikke være bundet, men ville orientere sig med WFIRST gennem et system med kameraer og styrelys. Faktisk er en del af styrken i Starshade, at den ville være omkring 40.000 til 50.000 km væk fra WFIRST.
Dark Energy og Exoplanets er prioriteter for WFIRST, men der er altid andre opdagelser, der venter på bedre teleskoper. Det er ikke muligt at forudsige alt, hvad vi lærer af WFIRST. Med billeder så detaljerede som Hubbles, men 100 gange større, er vi i for nogle overraskelser.
”Denne mission vil undersøge universet for at finde de mest interessante objekter derude.” - Neil Gehrels, WFIRST projektforsker
"Ud over dets spændende evner til mørk energi og eksoplaneter, vil WFIRST give en skattekiste af udsøgte data for alle astronomer," sagde Neil Gehrels, WFIRST-projektforsker ved NASA's Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. ”Denne mission vil undersøge universet for at finde de mest interessante objekter derude.”
Med alle Super-teleskoper, der kommer på linje i de næste par år, kan vi forvente nogle fantastiske opdagelser. Om 10 til 20 år vil vores viden være steget betydeligt. Hvad lærer vi om Dark Matter og Dark Energy? Hvad vil vi vide om eksoplanetpopulationer?
Lige nu ser det ud til, at vi bare famler mod en bedre forståelse af disse ting, men med WFIRST og de andre Super-teleskoper er vi klar til en mere målrettet undersøgelse.
