الحلم بمستقبل التلسكوبات الكبيرة. تلسكوبات مونستر الفضائية التي يمكن أن تطير بحلول عام 2030
مع الإطلاق الأخير لـ عبور قمر صناعي لمسح الكواكب الخارجية (تيس) - الذي وقع يوم الأربعاء 18 أبريل 2018 - تم التركيز بشكل كبير على الجيل القادم من التلسكوبات الفضائية التي ستنقل إلى الفضاء في السنوات القادمة. وتشمل هذه ليس فقط تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، والتي من المقرر إطلاقها حاليًا في عام 2020 ، ولكن سيتم نشر بعض المركبات الفضائية المتقدمة الأخرى بحلول عام 2030.
كان هذا هو موضوع الأخير 2020 المسح العقدى للفيزياء الفلكية ، والتي تضمنت أربعة مفاهيم مهمة رئيسية التي تجري دراستها حاليًا. عندما تنتقل هذه المهام إلى الفضاء ، فإنها ستنتقل إلى حيث تحب هابل و كبلر و سبيتزر و شاندرا توقفت ، ولكن سيكون لديها حساسية وقدرة أكبر. على هذا النحو ، من المتوقع أن يكشفوا الكثير عن كوننا والأسرار التي يحملها.
كما هو متوقع ، تغطي مفاهيم المهمة المقدمة إلى المسح العقدي لعام 2020 مجموعة واسعة من الأهداف العلمية - من مراقبة الثقوب السوداء البعيدة والكون المبكر إلى استكشاف الكواكب الخارجية حول النجوم القريبة ودراسة أجسام النظام الشمسي. تم فحص هذه الأفكار بدقة من قبل المجتمع العلمي ، وتم اختيار أربعة أفكار على أنها تستحق المتابعة.
مفهوم الفنان للتلسكوب الفضائي الكبير فوق البنفسجي / البصري / الأشعة تحت الحمراء (LUVOIR). ائتمانات: NASA / GSFC
مثل سوزان نيف ، كبيرة العلماء في وكالة ناسا برنامج الأصول الكونية ، موضحًا في وكالة ناسا الأخيرة خبر صحفى :
'هذا هو وقت لعبة الفيزياء الفلكية. نريد بناء كل هذه المفاهيم ، لكن ليس لدينا الميزانية للقيام بالأربعة في نفس الوقت. الهدف من هذه الدراسات العقدية هو إعطاء أعضاء مجتمع الفيزياء الفلكية أفضل المعلومات الممكنة عندما يقررون أي علم يجب القيام به أولاً '.
تشمل المفاهيم الأربعة المختارة مساح كبير للأشعة فوق البنفسجية / البصرية / الأشعة تحت الحمراء (LUVOIR) ، وهو مرصد فضائي عملاق تم تطويره وفقًا لتقليدتلسكوب هابل الفضائي. كواحد من مفهومين يتم التحقيق فيهما من قبل مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا ، يستدعي مفهوم المهمة هذا تلسكوبًا فضائيًا به مرآة أساسية مجزأة ضخمة يبلغ قطرها حوالي 15 مترًا (49 قدمًا).
بالمقارنة ، فإن JWST'ق (حاليًا أكثر تلسكوب فضائي تقدمًا) يبلغ قطر المرآة الأساسية 6.5 متر (21 قدمًا و 4 بوصات). تشبه إلى حد كبير JWST ، سوف تتكون مرآة LUVOIR من مقاطع قابلة للتعديل من شأنها أن تنفتح بمجرد نشرها في الفضاء. ستقوم المحركات والمحركات بضبط هذه المقاطع ومواءمتها بنشاط من أجل تحقيق التركيز المثالي والتقاط الضوء من الأجسام الباهتة والبعيدة.
https://asd.gsfc.nasa.gov/luvoir/design/LUVOIR_15m_DeploymentAnimation_hires.mp4باستخدام هذه الأدوات المتقدمة ، سيكون LUVOIR قادرًا على تصوير الكواكب بحجم الأرض وتقييم غلافها الجوي مباشرة. بصفته عالم دراسة آكي روبرج شرح :
'هذه المهمة طموحة ، لكن الجائزة هي معرفة ما إذا كانت هناك حياة خارج النظام الشمسي. جميع الأقطاب العالية التقنية مدفوعة بهذا الهدف ... الاستقرار المادي ، بالإضافة إلى التحكم النشط في المرآة الأساسية والكوروناجراف الداخلي (جهاز لمنع ضوء النجوم) سينتج عنه دقة مقياس ضغط البيكومتر. الأمر كله يتعلق بالسيطرة '.
هناك أيضا أصول تلسكوب الفضاء (OST) ، وهو مفهوم آخر يتبعه مركز جودارد لرحلات الفضاء. يشبه إلى حد كبير ملف تلسكوب سبيتزر الفضائي و ال مرصد هيرشل الفضائي ، سيوفر مرصد الأشعة تحت الحمراء البعيدة حساسية أكثر بـ 10000 مرة من أي تلسكوب سابق يعمل بالأشعة تحت الحمراء البعيدة. تشمل أهدافه مراقبة أبعد نطاقات الكون ، وتتبع مسار الماء من خلال تشكل النجوم والكواكب ، والبحث عن علامات الحياة في الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية.
ستكون مرآتها الأساسية ، التي يبلغ قطرها حوالي 9 أمتار (30 قدمًا) ، أول تلسكوب يتم تبريده بفعالية ، مما يحافظ على مرآته عند درجة حرارة حوالي 4 كلفن (-269 درجة مئوية ؛ -452 درجة فهرنهايت) وكاشفاته عند عند درجة حرارة 0.05 كلفن لتحقيق ذلك ، سيعتمد فريق OST على طبقات متطايرة من حاجب الشمس وأربعة مبردات تجميد وثلاجة مستمرة متعددة المراحل لإزالة المغناطيسية الحرارية (CADR).
مفهوم الفنان لتلسكوب Origins Space Telescope (OST). ائتمانات: NASA / GSFC
وفقًا لـ Dave Leisawitz ، عالم في Goddard وعالم دراسة OST ، تعتمد OST بشكل خاص على مصفوفات كبيرة من أجهزة الكشف فائقة التوصيل التي تقيس ملايين البكسل. قال: 'عندما يسأل الناس عن الثغرات التكنولوجية في تطوير تلسكوب Origins Space Telescope ، أقول لهم إن أهم ثلاثة تحديات هي أجهزة الكشف والكاشفات والكاشفات'. 'الأمر كله يتعلق بأجهزة الكشف.'
على وجه التحديد ، ستعتمد OST على نوعين ناشئين من أجهزة الكشف: مستشعرات الحافة الانتقالية (TES) أو مستشعرات الحث الحركي (KIDs). بينما لا تزال أجهزة الكشف عن TES جديدة نسبيًا ، فإنها تنضج بسرعة ويتم استخدامها حاليًا في جهاز HAWC + على متن ناسا مرصد الستراتوسفير لعلم الفلك بالأشعة تحت الحمراء (صوفيا).
ثم هناك تصوير الكواكب الخارجية الصالحة للسكن (HabEx) التي يتم تطويرها بواسطة مختبر الدفع النفاث التابع لناسا. مثل LUVOIR ، سيقوم هذا التلسكوب أيضًا بتصوير أنظمة الكواكب مباشرة لتحليل تكوين الغلاف الجوي للكواكب باستخدام مرآة كبيرة مجزأة. بالإضافة إلى ذلك ، سوف يدرس أقدم العصور في تاريخ الكون ودورة حياة النجوم الأكثر ضخامة ، وبالتالي يلقي الضوء على كيفية تشكل العناصر الضرورية للحياة.
مثل LUVOIR أيضًا ، سيكون HabEx قادرًا على إجراء دراسات في الأطوال الموجية فوق البنفسجية والبصرية والأشعة تحت الحمراء القريبة ، ويكون قادرًا على حجب سطوع النجم الأم حتى يتمكن من رؤية الضوء ينعكس من أي كواكب تدور حوله. كما نيل زيمرمان ، خبير ناسا في مجال كوروناجرافي ، شرح :
'للتصوير المباشر لكوكب يدور حول نجم قريب ، يجب أن نتغلب على حاجز هائل في النطاق الديناميكي: السطوع الغامر للنجم مقابل الانعكاس الخافت لضوء النجوم عن الكوكب ، بزاوية صغيرة فقط تفصل بينهما. لا يوجد حل جاهز لهذه المشكلة لأنها لا تشبه أي تحد آخر في علم الفلك الرصدي '.
عرض فني لتلسكوب فضاء صالح لتصوير الكواكب الخارجية (HabEx). المصدر: NASA / JPL
لمواجهة هذا التحدي ، يدرس فريق HabEx طريقتين ، تتضمن ظلال نجمية خارجية على شكل بتلات تحجب الضوء والفقرات الداخلية التي تمنع ضوء النجوم من الوصول إلى أجهزة الكشف. هناك احتمال آخر يجري التحقيق فيه وهو تطبيق أنابيب نانوية كربونية على الأقنعة التاجية لتعديل أنماط أي ضوء منحرف لا يزال يمر من خلاله.
أخيرًا وليس آخرًا ، هو مساح الأشعة السينيةمعروف كحيوان الوشق يجري تطويرها من قبل مركز مارشال لرحلات الفضاء. من بين التلسكوبات الفضائية الأربعة ، يعد Lynx هو المفهوم الوحيد الذي سيفحص الكون بالأشعة السينية. باستخدام مقياس طيف التصوير الدقيق للأشعة السينية ، سيكتشف التلسكوب الفضائي هذا الأشعة السينية القادمة من الثقوب السوداء الهائلة (SMBHs) في مركز أقدم المجرات في الكون.
تتكون هذه التقنية من صور الأشعة السينية التي تضرب الكاشف وتحول طاقتها إلى حرارة ، والتي يتم قياسها بواسطة مقياس حرارة. وبهذه الطريقة ، سيساعد Lynx علماء الفلك على اكتشاف كيفية تشكل أقدم SMBHs. بصفتك روب بيتر ، عضو دراسة الوشق في Goddard ، وصفها المهمة:
'لقد لوحظ وجود الثقوب السوداء الهائلة في وقت أبكر بكثير في الكون مما تتنبأ به نظرياتنا الحالية. نحن لا نفهم كيف تشكلت هذه الأجسام الضخمة بعد وقت قصير من الوقت الذي كان من الممكن أن تكون فيه النجوم الأولى. نحن بحاجة إلى تلسكوب للأشعة السينية لرؤية الثقوب السوداء فائقة الكتلة ، من أجل توفير مدخلات للنظريات حول كيفية تشكلها '.
انطباع الفنان عن التلسكوب الفضائي للأشعة السينية (Lynx). ائتمانات: NASA / MSFC
بغض النظر عن المهمة التي تختارها ناسا في النهاية ، بدأت الوكالة والمراكز الفردية في الاستثمار في أدوات متقدمة لمتابعة مثل هذه المفاهيم في المستقبل. قدمت الفرق الأربعة تقاريرها المؤقتة مرة أخرى في مارس. بحلول العام المقبل ، من المتوقع أن ينتهوا من التقارير النهائية للمجلس القومي للبحوث (NRC) ، والتي سيتم استخدامها لإبلاغ توصياته إلى وكالة ناسا في السنوات القادمة.
بصفته تاي فام ، مدير التطوير التكنولوجي لمكتب برنامج الفيزياء الفلكية التابع لوكالة ناسا ، مبين :
'أنا لا أقول أن الأمر سيكون سهلا. لن يكون. هذه مهمات طموحة ، تنطوي على تحديات تقنية كبيرة ، يتداخل العديد منها وينطبق على الجميع. النبأ السار هو أنه يتم وضع الأساس الآن '.
مع نشر TESS الآن ومن المقرر إطلاق JWST بحلول عام 2020 ، سيتم بالتأكيد دمج الدروس المستفادة في السنوات القليلة المقبلة في هذه المهام. في الوقت الحالي ، ليس من الواضح أي من المفاهيم التالية سينتقل إلى الفضاء بحلول عام 2030. ومع ذلك ، بين أدواتهم المتقدمة والدروس المستفادة من البعثات السابقة ، يمكننا أن نتوقع أنهم سيحققون بعض الاكتشافات العميقة حول الكون.