Mit dem jüngsten Start der Transit-Exoplaneten-Vermessungssatellit (TESS) - die am Mittwoch, dem 18. April 2018, stattfand - wurde viel Aufmerksamkeit auf die Weltraumteleskope der nächsten Generation gerichtet, die in den kommenden Jahren ins All gebracht werden. Dazu gehören nicht nur dieJames Webb Weltraumteleskop, dessen Start derzeit für 2020 geplant ist, aber einige andere fortschrittliche Raumschiffe, die bis 2030 eingesetzt werden sollen.
Dies war das Thema der jüngsten dekadischen Umfrage 2020 für Astrophysik, die vier Flaggschiff-Missionskonzepte umfasste, die derzeit untersucht werden. Wenn diese Missionen ins All gehen, werden sie dort weitermachen, wo Missionen es mögen Hubble, Kepler, Spitzer und Chandra weggelassen, hat aber eine größere Empfindlichkeit und Fähigkeit. Von ihnen wird erwartet, dass sie viel mehr über unser Universum und die darin enthaltenen Geheimnisse preisgeben.
Wie erwartet decken die Missionskonzepte, die der Dekadischen Umfrage 2020 vorgelegt wurden, eine breite Palette wissenschaftlicher Ziele ab - von der Beobachtung entfernter Schwarzer Löcher und des frühen Universums bis zur Untersuchung von Exoplaneten um nahegelegene Sterne und der Untersuchung der Körper des Sonnensystems. Diese Ideen wurden von der wissenschaftlichen Gemeinschaft gründlich geprüft, und vier wurden als verfolgungswürdig ausgewählt.
Susan Neff, die Chefwissenschaftlerin des Cosmic Origins-Programms der NASA, erklärte kürzlich in einer Pressemitteilung der NASA:
„Dies ist Spielzeit für Astrophysik. Wir möchten all diese Konzepte entwickeln, haben aber nicht das Budget, um alle vier Konzepte gleichzeitig umzusetzen. Ziel dieser dekadischen Studien ist es, den Mitgliedern der Astrophysik-Community die bestmöglichen Informationen zu geben, wenn sie entscheiden, welche Wissenschaft zuerst durchgeführt werden soll. “
Die vier ausgewählten Konzepte umfassen die Großer UV- / optischer / Infrarot-Vermesser (LUVOIR), ein riesiges Weltraumobservatorium, das in der Tradition des Hubble-Weltraumteleskop. Als eines von zwei Konzepten, die vom Goddard Space Flight Center der NASA untersucht werden, erfordert dieses Missionskonzept ein Weltraumteleskop mit einem massiven segmentierten Primärspiegel mit einem Durchmesser von etwa 15 Metern.
Im Vergleich dazu ist der JWST‘Der Primärspiegel des derzeit modernsten Weltraumteleskops (s) misst 6,5 m im Durchmesser. Ähnlich wie beim JWST würde der Spiegel von LUVOIR aus einstellbaren Segmenten bestehen, die sich entfalten würden, wenn er im Weltraum eingesetzt würde. Aktuatoren und Motoren würden diese Segmente aktiv anpassen und ausrichten, um den perfekten Fokus zu erzielen und Licht von schwachen und entfernten Objekten einzufangen.
Mit diesen fortschrittlichen Werkzeugen könnte LUVOIR erdgroße Planeten direkt abbilden und ihre Atmosphäre bewerten. Wie der Studienwissenschaftler Aki Roberge erklärte:
„Diese Mission ist ehrgeizig, aber herauszufinden, ob es Leben außerhalb des Sonnensystems gibt, ist der Preis. Alle hohen Stangen der Technologie werden von diesem Ziel angetrieben. Die physikalische Stabilität sowie die aktive Steuerung des Primärspiegels und eines internen Koronagraphen (ein Gerät zum Blockieren des Sternenlichts) führen zu einer Genauigkeit des Pikometers. Es geht nur um Kontrolle. "
Es gibt auch die Ursprünge Weltraumteleskop (OST), ein weiteres Konzept, das vom Goddard Space Flight Center verfolgt wird. Ähnlich wie die Spitzer-Weltraumteleskop und der Herschel-WeltraumobservatoriumDieses Ferninfrarot-Observatorium würde eine 10.000-mal höhere Empfindlichkeit bieten als jedes vorhergehende Ferninfrarot-Teleskop. Zu seinen Zielen gehört es, die entferntesten Bereiche des Universums zu beobachten, den Weg des Wassers durch die Stern- und Planetenbildung zu verfolgen und nach Lebenszeichen in der Atmosphäre von Exoplaneten zu suchen.
Sein Primärspiegel mit einem Durchmesser von etwa 9 m (30 ft) wäre das erste aktiv gekühlte Teleskop, das seinen Spiegel auf einer Temperatur von etwa 4 K (-269 ° C) und seine Detektoren bei einer Temperatur von etwa 4 K (-269 ° C) hält Eine Temperatur von 0,05 K. Um dies zu erreichen, wird das OST-Team auf fliegende Sonnenschutzschichten, vier Kryokühler und einen mehrstufigen kontinuierlichen adiabatischen Entmagnetisierungskühlschrank (CADR) angewiesen sein.
Laut Dave Leisawitz, einem Goddard-Wissenschaftler und OST-Studienwissenschaftler, ist die OST besonders auf große Anordnungen supraleitender Detektoren angewiesen, die in Millionen von Pixeln messen. "Wenn Leute nach technologischen Lücken bei der Entwicklung des Origins-Weltraumteleskops fragen, sage ich ihnen, dass die drei größten Herausforderungen Detektoren, Detektoren, Detektoren sind", sagte er. "Es geht nur um die Detektoren."
Insbesondere würde sich die OST auf zwei neu entstehende Detektortypen stützen: Transition Edge Sensors (TESs) oder Kinetic Inductance Detectors (KIDs). TES-Detektoren sind zwar noch relativ neu, reifen jedoch schnell und werden derzeit im HAWC + -Instrument an Bord des Stratosphärischen Observatoriums für Infrarotastronomie (SOFIA) der NASA eingesetzt.
Dann ist da noch die Bewohnbarer Exoplaneten-Imager (HabEx), das vom Jet Propulsion Laboratory der NASA entwickelt wird. Wie LUVOIR würde auch dieses Teleskop Planetensysteme direkt abbilden, um die Zusammensetzung der Planetenatmosphäre mit einem großen segmentierten Spiegel zu analysieren. Darüber hinaus würde es die frühesten Epochen in der Geschichte des Universums und den Lebenszyklus der massereichsten Sterne untersuchen und so Aufschluss darüber geben, wie die für das Leben notwendigen Elemente gebildet werden.
Ebenso wie LUVOIR wäre HabEx in der Lage, Studien im ultravioletten, optischen und nahen Infrarotbereich durchzuführen und die Helligkeit eines Elternsterns auszublenden, damit Licht von Planeten reflektiert werden kann, die es umkreisen. Neil Zimmerman, ein NASA-Experte auf dem Gebiet der Koronagraphie, erklärte:
„Um einen Planeten, der einen nahe gelegenen Stern umkreist, direkt abzubilden, müssen wir eine enorme Barriere im Dynamikbereich überwinden: die überwältigende Helligkeit des Sterns gegen die schwache Reflexion des Sternenlichts vom Planeten, wobei nur ein winziger Winkel die beiden trennt. Es gibt keine Standardlösung für dieses Problem, da es sich von keiner anderen Herausforderung in der Beobachtungsastronomie unterscheidet. “
Um dieser Herausforderung zu begegnen, erwägt das HabEx-Team zwei Ansätze, darunter externe blütenblattförmige Sternschattierungen, die das Licht blockieren, und interne Koronagraphien, die verhindern, dass das Sternenlicht die Detektoren erreicht. Eine andere Möglichkeit, die untersucht wird, besteht darin, Kohlenstoffnanoröhren auf die koronagraphischen Masken aufzubringen, um die Muster des noch durchgelassenen gebeugten Lichts zu modifizieren.
Zu guter Letzt ist das Röntgenvermesser bekannt als Luchs wird vom Marshall Space Flight Center entwickelt. Von den vier Weltraumteleskopen ist Lynx das einzige Konzept, das das Universum mit Röntgenstrahlen untersucht. Mit einem Röntgenmikrokalorimeter-Bildgebungsspektrometer erfasst dieses Weltraumteleskop Röntgenstrahlen, die von Supermassive Black Holes (SMBHs) im Zentrum der frühesten Galaxien im Universum stammen.
Diese Technik besteht aus Röntgenfotos, die auf die Absorber eines Detektors treffen und deren Energie in Wärme umwandeln, die mit einem Thermometer gemessen wird. Auf diese Weise hilft Lynx Astronomen dabei, die Entstehung der frühesten SMBHs zu erschließen. Als Rob Petre, ein Lynx-Studienmitglied bei Goddard, die Mission beschrieb:
„Es wurde beobachtet, dass supermassive Schwarze Löcher viel früher im Universum existieren, als unsere aktuellen Theorien vorhersagen. Wir verstehen nicht, wie sich so massive Objekte so bald nach der Zeit gebildet haben, als sich die ersten Sterne hätten bilden können. Wir brauchen ein Röntgenteleskop, um die ersten supermassiven Schwarzen Löcher zu sehen, um den Input für Theorien darüber zu liefern, wie sie sich gebildet haben könnten. “
Unabhängig davon, welche Mission die NASA letztendlich auswählt, haben die Agentur und einzelne Zentren begonnen, in fortschrittliche Tools zu investieren, um solche Konzepte in Zukunft zu verfolgen. Die vier Teams haben bereits im März ihre Zwischenberichte eingereicht. Bis zum nächsten Jahr werden sie voraussichtlich die Abschlussberichte für den Nationalen Forschungsrat (NRC) fertigstellen, anhand derer die NASA in den kommenden Jahren über ihre Empfehlungen informiert wird.
Als Thai Pham, der Technologieentwicklungsmanager des Astrophysics Program Office der NASA, erklärte:
"Ich sage nicht, dass es einfach sein wird. Es wird nicht sein. Dies sind ehrgeizige Missionen mit erheblichen technischen Herausforderungen, von denen sich viele überschneiden und für alle gelten. Die gute Nachricht ist, dass jetzt die Grundlagen gelegt werden. “
Mit dem Einsatz von TESS und dem geplanten Start des JWST bis 2020 werden die in den nächsten Jahren gewonnenen Erkenntnisse sicherlich in diese Missionen einfließen. Derzeit ist nicht klar, welches der folgenden Konzepte bis 2030 in den Weltraum gelangen wird. Zwischen ihren fortgeschrittenen Instrumenten und den Lehren aus früheren Missionen können wir jedoch erwarten, dass sie einige tiefgreifende Entdeckungen über das Universum machen werden.
