Met de recente lancering van de Doorgaande Exoplanet Survey Satellite (TESS) - die plaatsvond op woensdag 18 april 2018 - er is veel aandacht besteed aan de ruimtetelescopen van de volgende generatie die de komende jaren de ruimte in zullen gaan. Deze omvatten niet alleen deJames Webb Space Telescope, die momenteel is gepland voor lancering in 2020, maar enkele andere geavanceerde ruimtevaartuigen die tegen 2030 zullen worden ingezet.
Dat was het onderwerp van de recente Decadal Survey for Astrophysics 2020, waarin vier vlaggenschip-missieconcepten waren opgenomen die momenteel worden bestudeerd. Wanneer deze missies de ruimte in gaan, zullen ze oppikken waar missies leuk zijn Hubble, Kepler, Spitzer en Chandra weggelaten, maar zal een grotere gevoeligheid en capaciteit hebben. Als zodanig wordt van hen verwacht dat ze veel meer onthullen over ons universum en de geheimen die het bevat.
Zoals verwacht bestrijken de missieconcepten die zijn ingediend bij de Decadal Survey 2020 een breed scala aan wetenschappelijke doelen - van het observeren van verre zwarte gaten en het vroege heelal tot het onderzoeken van exoplaneten rond nabijgelegen sterren en het bestuderen van de lichamen van het zonnestelsel. Deze ideeën zijn grondig doorgelicht door de wetenschappelijke gemeenschap en vier ervan zijn geselecteerd om te worden nagestreefd.
Zoals Susan Neff, de hoofdwetenschapper van NASA's Cosmic Origins Program, uitlegde in een recent NASA-persbericht:
'Dit is speeltijd voor astrofysica. We willen al deze concepten bouwen, maar we hebben niet het budget om ze alle vier tegelijk te doen. Het doel van deze decadale studies is om leden van de astrofysica-gemeenschap de best mogelijke informatie te geven als ze beslissen welke wetenschap ze het eerst gaan doen. ”
De vier geselecteerde concepten omvatten de Grote ultraviolette / optische / infrarood landmeter (LUVOIR), een gigantisch ruimteobservatorium ontwikkeld in de traditie van de Hubble-ruimtetelescoop. Als een van de twee concepten die worden onderzocht door het Goddard Space Flight Center van NASA, vraagt dit missieconcept om een ruimtetelescoop met een enorme gesegmenteerde primaire spiegel met een diameter van ongeveer 15 meter (49 voet).
Ter vergelijking: de JWST‘s (momenteel de meest geavanceerde ruimtetelescoop) primaire spiegel meet 6,5 m (21 ft 4 in) in diameter. Net als de JWST zou de LUVOIR-spiegel bestaan uit verstelbare segmenten die zich zouden ontvouwen zodra deze in de ruimte zou worden ingezet. Actuatoren en motoren zouden deze segmenten actief aanpassen en uitlijnen om de perfecte focus te bereiken en licht van zwakke en verre objecten op te vangen.
Met deze geavanceerde tools zou LUVOIR in staat zijn om planeten ter grootte van de aarde direct in beeld te brengen en hun atmosfeer te beoordelen. Zoals Studiewetenschapper Aki Roberge uitlegde:
'Deze missie is ambitieus, maar uitzoeken of er leven is buiten het zonnestelsel is de prijs. Alle technologie hoge palen worden aangedreven door dit doel ... Fysieke stabiliteit, plus actieve controle op de primaire spiegel en een interne coronagraaf (een apparaat om sterrenlicht te blokkeren) zal resulteren in picometer nauwkeurigheid. Het draait allemaal om controle. "
Er is ook de Origins Space Telescope (OST), een ander concept dat wordt nagestreefd door het Goddard Space Flight Center. Net als de Spitzer ruimtetelescoop en de Herschel Space Observatoryzou dit ver-infrarode observatorium 10.000 keer meer gevoeligheid bieden dan elke voorgaande ver-infraroodtelescoop. Het doel is onder meer het observeren van de verste uithoeken van het universum, het volgen van het pad van water door de vorming van sterren en planeten en het zoeken naar tekenen van leven in de atmosfeer van exoplaneten.
De primaire spiegel, die een diameter van ongeveer 9 m (30 ft) zou hebben, zou de eerste actief gekoelde telescoop zijn, die zijn spiegel op een temperatuur van ongeveer 4 K (-269 ° C; -452 ° F) zou houden en zijn detectoren op een temperatuur van 0,05 K. Om dit te bereiken, zal het OST-team vertrouwen op vliegende lagen zonneschermen, vier cryokoelers en een meertraps continue adiabatische demagnetisatiekoelkast (CADR).
Volgens Dave Leisawitz, een Goddard-wetenschapper en OST-studiewetenschapper, is de OST vooral afhankelijk van grote reeksen supergeleidende detectoren die meten in de miljoenen pixels. "Als mensen vragen stellen over hiaten in de technologie bij de ontwikkeling van de Origins-ruimtetelescoop, vertel ik hen dat de drie belangrijkste uitdagingen detectoren, detectoren, detectoren zijn", zei hij. "Het draait allemaal om de detectoren."
In het bijzonder zou de OST afhankelijk zijn van twee opkomende soorten detectoren: Transition Edge Sensors (TESs) of Kinetic Inductance Detectors (KIDs). Hoewel ze nog relatief nieuw zijn, worden TES-detectoren snel volwassen en worden ze momenteel gebruikt in het HAWC + -instrument aan boord van NASA's Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA).
Dan is er de Bewoonbare Exoplanet Imager (HabEx) die wordt ontwikkeld door NASA's Jet Propulsion Laboratory. Net als LUVOIR zou deze telescoop ook direct planetaire systemen in beeld brengen om de samenstelling van de atmosfeer van planeten te analyseren met een grote gesegmenteerde spiegel. Bovendien zou het de vroegste tijdperken in de geschiedenis van het heelal en de levenscyclus van de meest massieve sterren bestuderen, en zo licht werpen op hoe de elementen die nodig zijn voor het leven worden gevormd.
Net als LUVOIR zou HabEx in staat zijn om studies uit te voeren in de ultraviolette, optische en nabij-infrarode golflengten en de helderheid van een ouderster te blokkeren, zodat het licht zou kunnen worden weerkaatst door planeten die eromheen draaien. Zoals Neil Zimmerman, een NASA-expert op het gebied van coronagraaf, uitlegde:
“Om een planeet die in een baan om een nabije ster draait direct in beeld te brengen, moeten we een enorme barrière in dynamisch bereik overwinnen: de overweldigende helderheid van de ster tegen de zwakke reflectie van sterrenlicht van de planeet, met slechts een kleine hoek die de twee scheidt. Er is geen kant-en-klare oplossing voor dit probleem, omdat het zo anders is dan elke andere uitdaging in de observationele astronomie. '
Om deze uitdaging aan te gaan, overweegt het HabEx-team twee benaderingen, waaronder externe bloembladvormige stertinten die licht blokkeren en interne coronagrafen die voorkomen dat sterlicht de detectoren bereikt. Een andere mogelijkheid die wordt onderzocht, is het aanbrengen van koolstofnanobuisjes op de coronagrafische maskers om de patronen van eventueel afgebogen licht dat nog doorkomt te wijzigen.
Last but not least is het X-ray landmeter bekend als Lynx wordt ontwikkeld door het Marshall Space Flight Center. Van de vier ruimtetelescopen is Lynx het enige concept dat het heelal in röntgenstralen zal onderzoeken. Met behulp van een röntgenmicrocalorimeter-beeldvormingsspectrometer zal deze ruimtetelescoop röntgenstralen detecteren die afkomstig zijn van superzware zwarte gaten (SMBH's) in het centrum van de vroegste sterrenstelsels in het heelal.
Deze techniek bestaat uit röntgenfoto's die de absorders van een detector raken en hun energie omzetten in warmte, die wordt gemeten met een thermometer. Op deze manier helpt Lynx astronomen te ontsluiten hoe de vroegste SMBH's zijn gevormd. Zoals Rob Petre, een Lynx-studielid bij Goddard, de missie beschreef:
“Superzware zwarte gaten zijn veel eerder in het universum waargenomen dan onze huidige theorieën voorspellen. We begrijpen niet hoe zulke enorme objecten zo snel zijn gevormd na de tijd dat de eerste sterren zich hadden kunnen vormen. We hebben een röntgentelescoop nodig om de allereerste superzware zwarte gaten te zien, om de input te leveren voor theorieën over hoe ze zich zouden kunnen hebben gevormd. ”
Ongeacht welke missie NASA uiteindelijk kiest, het bureau en individuele centra zijn begonnen met het investeren in geavanceerde hulpmiddelen om dergelijke concepten in de toekomst na te streven. De vier teams hebben in maart hun tussentijdse rapporten ingediend. Verwacht wordt dat ze volgend jaar de eindrapporten voor de National Research Council (NRC) zullen afronden, die de komende jaren zal worden gebruikt om haar aanbevelingen aan de NASA te verstrekken.
Zoals Thai Pham, de technologieontwikkelingsmanager van NASA's Astrophysics Program Office, aangaf:
"Ik zeg niet dat het gemakkelijk zal zijn. Dat zal het niet zijn. Dit zijn ambitieuze missies, met aanzienlijke technische uitdagingen, waarvan er vele elkaar overlappen en op iedereen van toepassing zijn. Het goede nieuws is dat de basis nu wordt gelegd. '
Nu TESS is geïmplementeerd en de JWST tegen 2020 moet worden gelanceerd, zullen de lessen die de komende jaren worden geleerd zeker in deze missies worden opgenomen. Op dit moment is het niet duidelijk welke van de volgende concepten tegen 2030 de ruimte in gaan. Maar tussen hun geavanceerde instrumenten en de lessen die uit eerdere missies zijn geleerd, kunnen we verwachten dat ze een aantal diepgaande ontdekkingen over het heelal zullen doen.
