Уявлення про наступне покоління космічних телескопів

На 241-й зустрічі Американського астрономічного товариства (AAS) у Сіетлі в січні багато астрономів святкували, приступаючи до роботи. Конференція, одна з найбільших у галузі, була першою після того, як космічний телескоп Джеймса Вебба офіційно почав наукову роботу в липні минулого року після завершення шести місяців після запуску в експлуатацію.

Урочистості відбулися завдяки виступу JWST. Після десятиліть розробки та очікування — і багатьох хвилювань — вчені проекту підтвердили, що космічний телескоп відповідає, а часто й значно перевищує очікування.

«Загалом, це лише хороші новини, — сказала Джейн Рігбі, науковий співробітник JWST Центру космічних польотів імені Годдарда NASA, у своїй промові, яка відкривала конференцію 9 січня. «Це справді краще, ніж ми очікували загалом». Це коливається від чутливості його приладів до терміну служби JWST, який тепер очікується щонайменше 20 років залежно від кількості палива на борту.

Наукові результати цих можливостей також були продемонстровані на конференції, коли астрономи обговорювали, як вони використовували JWST для вивчення галактик у ранньому Всесвіті та для підтвердження відкриття екзопланети. Астрономи відвідали засідання ратуші, яке колись використовувалося для надання оновленої інформації про розвиток обсерваторії, щоб натомість дізнатися, як підготувати пропозиції для наступного раунду спостережень JWST, який називається Цикл 2, який розпочнеться цього літа.

Але навіть коли астрономи зробили «коло перемоги», за словами одного представника NASA, щодо JWST, дехто дивився за межі цього космічного телескопа. Вони сподівалися скористатися успіхом і ентузіазмом навколо JWST, щоб створити підтримку для майбутньої лінії великих космічних телескопів і прискорити їх розвиток.

Представляємо Обсерваторію Населених Світів

Останнє астрофізичне десятирічне дослідження під назвою Astro2020, опубліковане в листопаді 2021 року, рекомендувало NASA продовжити розробку космічного телескопа діаметром шість метрів, який працює в ультрафіолетовому, видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах. Телескоп, орієнтовна вартість якого становить 11 мільярдів доларів, запустять на початку 2040-х років.

Astro2020 вийшов, коли NASA та астрономи були зосереджені на майбутньому запуску JWST. Оскільки цей космічний телескоп зараз працює, вони повернули свою увагу до десятиліття та наступних кроків у перетворенні цієї концепції на місію.

Одним із перших кроків було дати цьому телескопу назву, яка не була названа в десятирічному огляді. Минулої осені NASA тихо почало називати цей телескоп «обсерваторією населених світів», використовуючи цей термін у презентаціях і свідченнях Конгресу.

«По суті, ми повинні були почати щось використовувати, тому що у нас було багато дискусій з нашими зацікавленими сторонами», — сказав Марк Клемпін, який обійняв посаду директора відділу астрофізики NASA в серпні минулого року, під час засідання міської ради агентства на конференції AAS.

Позначення — наразі робоча назва — призначене для відображення місії телескопа з вивчення потенційно придатних для життя екзопланет, одночасно слугуючи як обсерваторія загального призначення для астрофізики, пояснив він. (Деякі астрономи відзначили також, що це було покращення в порівнянні з позначенням, яке використовувало НАСА: IROUV, акронім для інфрачервоного, оптичного та ультрафіолетового).

Однак, крім назви, є кілька деталей про Обсерваторію Населених Світів, включаючи навіть її уявну ілюстрацію. Телескоп, схвалений Astro2020, не був однією з чотирьох концепцій, дослідження яких фінансувало NASA; натомість він знаходиться між більшим телескопом LUVOIR, головне дзеркало якого становить від 8 до 16 метрів у поперечнику, та меншим HabEx, чотири метри в поперечнику.

Однак Клемпін запропонував уявлення про підхід, який він планував застосувати до обсерваторії, запропонувавши набір принципів для її розвитку, які, за його словами, пояснили б, «як ми її побудуємо та як ми переконаємо людей, які збираються стати нашими». зацікавлених сторін і дозволяють нам це будувати, що ми знаємо, що ми робимо», – сказав він.

Насамперед, за його словами, було будувати телескоп за фіксованим графіком. NASA встановить дату запуску місії та зробить це вимогою «1-го рівня» поряд з науковими, підхід, який він порівняв із планетними місіями з обмеженими вікнами запуску. «Ми розвиваємо технології, а потім встановлюємо графік», — сказав він. Це, стверджував він, допоможе обмежити вартість і дозволить NASA швидше перейти до інших флагманських місій.

З цим був пов’язаний другий принцип — розвивати існуючі технології та обмежувати інвестиції в зовсім нові, набагато менш зрілі. Як приклад він навів дизайн сегментованого дзеркала JWST, який, за його припущеннями, ймовірно буде використаний для Обсерваторії житлових світів. Ключовим інструментом для телескопа буде коронограф, який блокує світло зірок, дозволяючи прямі спостереження за екзопланетами, що обертаються навколо нього; він базуватиметься на телескопі, створеному для Римського космічного телескопа, який планується запустити пізніше цього десятиліття.

«Це свідчить про те, що ми зосереджені. Це свідчить про те, що ми спираємося на інвестиції NASA», — сказав він.

Третій принцип полягає в тому, що NASA розроблятиме телескоп, щоб використовувати переваги можливостей нових великих ракет-носіїв. Це могло б полегшити та здешевити розробку, оскільки йому не потрібно було б так щільно складатися, щоб поміститися в щось на зразок Starship або Space Launch System.

«Ми були б божевільними, якби не використали їх», — сказав він. «Великі обтічники великих ракет дають вам гнучкість. Вони дозволяють вам не бути обмеженими масою чи об’ємом, які є серйозними проблемами». Ще до випуску Astro2020 інженери досліджували, як такі концепції, як більший LUVOIR, можуть поміститися в Starship або SLS.

Шість принципів Клемпіна для Обсерваторії живих світів

1. Будуйте за графіком	Встановіть дату запуску та зробіть це вимогою «Рівень 1» поряд із науковими вимогами.
2. Розвивайте технології	Розвивайте існуючі технології та обмежуйте інвестиції в абсолютно нові.
3. Ракети нового покоління	Сконструюйте телескоп, щоб використовувати переваги великих нових ракет-носіїв, таких як Starship і SLS, щоб полегшити масові та масштабні операції.
4. Планове обслуговування	Спроектуйте його для обслуговування роботами в точці Лагранжа L2
5. Надійні поля	Створюйте його з великими технічними та науковими запасами.
6. Спершу зрілі технології	Повністю розроблені нові технології, необхідні для обсерваторії, перш ніж перейти до розробки.

Четвертий принцип полягає в проектуванні обсерваторії «Населені світи», яка буде обслуговуватися. «Існує справжня золота лихоманка комерційних компаній, які хочуть робити роботизоване обслуговування», — сказав Клемпін, і NASA може скористатися цим.

Це обслуговування поширюватиметься на модернізацію інструментів телескопа, дозволяючи NASA працювати над деякими розкладом і технологічними проблемами, з якими стикається місія. «Нам не обов’язково досягати всіх наукових цілей з першого разу», – сказав він.

П’ятим принципом, який описав Клемпін, є надійні наукові запаси, які, за його словами, усувають певну невизначеність щодо досягнення наукових цілей. Серед них цифра під назвою «ета Земля», або середня кількість планет розміром із Землю в зоні проживання зірки, ключовий фактор у визначенні того, наскільки добре телескоп може досягти своїх цілей щодо визначення характеристик таких планет.

Оцінки ета Землі сильно відрізняються, сказала Джессі Крістіансен, астроном з Каліфорнійського технологічного інституту, у виступі на конференції AAS. Це впливає на конструкцію телескопа: чим менша ета Землі, тим менше планет зможе досліджувати телескоп певного розміру. «Було б справді чудово, щоб кров’яний тиск багатьох людей знав цей показник трохи краще», — сказала вона.

За словами Клемпіна, гнучка конструкція обсерваторії «Населені світи» також може зменшити цей тиск. «Не обмежуватися розміром діафрагми занадто рано — це принципово», — сказав він, ще один аргумент на користь використання сегментованих дзеркал, які можна додавати або видаляти за потреби на етапі проектування.

Розвиток технології картографування

Останній принцип, який Клемпін обговорив на зустрічі в мерії, полягав у тому, щоб повністю розвинути нові технології, необхідні для обсерваторії, перш ніж перейти до розробки. Це була рекомендація Astro2020, яка закликала NASA розробити програму розвитку технологій як для обсерваторії Habitable Worlds, так і для майбутніх рентгенівських і далекоінфрачервоних флагманських телескопів.

NASA, у відповідь, минулого року заснувало Програму розвитку місії та технологій Великої обсерваторії (GOMAP). Перший етап програми, головним чином для створення загальних зусиль, завершено, сказала Джулі Крук, керівник програми GOMAP у штаб-квартирі NASA, під час зустрічі на конференції AAS.

NASA готується до другого етапу GOMAP, який проведе дослідження розвитку концепції для Habitable Worlds Observatory. Це буде досліджувати різноманітні наукові, технологічні та архітектурні можливості для телескопа. «Ми дійсно хочемо розглянути весь простір варіантів», – сказала вона.

Це дослідження буде проведено незалежною командою з 20-30 науковців та інженерів за підтримки незалежних консультантів, які мають досвід моделювання витрат і планування. Дослідження почнеться пізніше цього року і триватиме до вересня 2024 року.

Третій етап GOMAP, після завершення дослідження дозрівання концепції, є те, що NASA називає «розвиненим дослідженням перед Фазою А» для Habitable Worlds Observatory. Це дозволить ще більше вдосконалити конструкцію телескопа та вдосконалити ключові технології, необхідні для нього, щоб офіційна робота над місією могла розпочатися вже у 2029 році.

За її словами, NASA хоче просунутися «якомога швидше» через проектування та розробку технологій для обсерваторії, але попередила, що представлений нею графік є умовним. «Це залежить від фінансування, яке отримує НАСА».

Поширення євангелії нових великих обсерваторій

Оскільки GOMAP переходить до третього етапу, він також розглядатиме технології, необхідні для майбутніх флагманів: рентгенівський телескоп, заснований на концепції під назвою Lynx X-ray Observatory, досліджуваний для Astro2020, і дальній інфрачервоний телескоп на основі іншого Astro2020. концепція космічного телескопа «Походження».

«Ми просуватимемося якомога швидше для обсерваторії «Населені світи», а також закладатимемо основу для інших майбутніх великих обсерваторій», — пообіцяв Крук.

Багато астрономів об’єдналися за концепцію, яку вони називають Новими великими обсерваторіями, яка включає обсерваторію «Населені світи» та пізніші інфрачервоні та рентгенівські телескопи, також схвалені десятирічним дослідженням. Вони порівнюють його з оригінальними Великими обсерваторіями НАСА, які включали космічний телескоп Хаббла, гамма-променеву обсерваторію Комптона, рентгенівську обсерваторію Чандра та космічний телескоп Спітцер.

Подібно до того, як початкові Великі обсерваторії працювали здебільшого паралельно (Комптон був зібраний з орбіти за кілька років до запуску Spitzer), астрономи хочуть, щоб три нові Великі обсерваторії працювали одночасно, дозволяючи їм працювати разом, щоб зробити прорив у таких сферах, як пошук екзопланет, придатних для життя.

«На придатність для життя певної планети впливають рентгенівський і дальній ультрафіолетовий спектр і активність її зірки», — сказав Крістіансен. «Обсерваторія «Населені світи» зможе досягти успіху у своїй місії, лише якщо ми матимемо одночасно рентгенівські та дальні ультрафіолетові можливості».

Вона виступила на семінарі під час конференції AAS, де натовп людей, які стояли лише стоячи, чув про перспективи прискорення роботи над Новими великими обсерваторіями. Масова коаліція прагнула заручитися підтримкою для прискорення роботи над телескопами, що, як вони визнали, потребуватиме значного збільшення фінансування астрофізичних програм NASA.

Джейсон Тумлінсон, астроном з Наукового інституту космічного телескопа, представив деякі профілі фінансування на зустрічі. Один профіль дозволить запустити обсерваторію «Населені світи» вартістю 11 мільярдів доларів у 2041 році, а рентгенівські та інфрачервоні телескопи — у 2047 та 2051 роках. (На думку більшості астрономів, порядок цих двох майбутніх місій не має значення. ) «Це те, чого ми хочемо, але це не досить швидко», – сказав він.

Навіть така оцінка для декого була оптимістичною. «Якщо ми поглянемо на десятиріччя, то варто зазначити, що остання з Великих обсерваторій буде завершена та запущена в 2065 році», — оцінив Джонатан Аренберг, головний архітектор місії наукових роботизованих досліджень Northrop Grumman. «Зайве говорити, що це дуже повільно».

Альтернативний бюджетний профіль, запропонований Тумлінсоном, дозволить запустити обсерваторію «Habitable Worlds» у 2035 році, а дві інші — у 2040 та 2045 роках. У чому заковика? Це припускає, що астрофізичний бюджет НАСА, який зараз становить приблизно 1.5 мільярда доларів на рік, зростатиме до 2.5 мільярда доларів на рік. «Це бюджет, який виконає програму, яку ми всі хочемо, і це можна зробити», — сказав він, зазначивши, що збільшений бюджет менший, ніж поточний річний бюджет планетології в NASA.

Аренберг, який працював над Chandra та JWST, побачив можливості зробити дизайн і конструкцію цих телескопів більш ефективними. «Нашу нинішню парадигму розвитку можна в кращому випадку описати як доіндустріальну або кустарну», — сказав він. Він виступав за розробку всіх трьох місій як єдиної програми (і, ймовірно, з одним підрядником), максимального повторного використання технологій і персоналу, що могло б скоротити витрати та скоротити час розробки.

Одним з організаторів семінару був Грант Трембле, астроном із Гарвардсько-Смітсонівського центру астрофізики та свого роду проповідник Нових великих обсерваторій. На початку зустрічі він окреслив усі чинники, які суперечать цій концепції, від обмежених бюджетів і відновлення уваги до польотів людини в космос до інфляції та геополітичної нестабільності. Але, стверджував він, усі ці проблеми також існували у 1980-х роках, коли астрономи захищали і врешті-решт отримали фінансування для оригінальних Великих обсерваторій.

Він сподівається, що нещодавні успіхи NASA, у тому числі з JWST, можуть створити імпульс для Нових великих обсерваторій. «Це був один із найуспішніших двох років в останній історії NASA», — сказав він. Спільним для цих успіхів, стверджував він, є прихильники, які боролися за свої проекти як у добрі, так і в погані часи.

Новим Великим Обсерваторіям знадобиться така ж адвокація, сказав він у переповненій залі. «Це три десятиліття. Попереду у нас довгий шлях», – сказав він. «Ми не просто шукаємо одну обсерваторію. Ми шукаємо флот, починаючи з обсерваторії «Населені світи».

Ця стаття спочатку з’явилася в номері журналу SpaceNews за лютий 2023 року.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• Платоблокчейн. Web3 Metaverse Intelligence. Розширені знання. Доступ тут.
• джерело: https://spacenews.com/envisioning-the-next-generation-of-space-telescopes/