Nasini budući gigantski kosmički teleskopi:
There Can Be Only One
Svojevremeno, u zamenu za neotkazivanje kosmičkog teleskopa 'James Webb' (JWST), Kongres Sjedinjenih Država je dao Nasi vrlo jednostavnu smernicu: 'Ne smete preći 8 milijardi dolara'. Ali, poput Adama i Eve u raju, NASA nije uspela da ispuni obećanje. Napokon je izgledalo da će 'James Webb' da poleti 2021, ali korona je poremetila i taj rok, a cena je debelo premašila zacrtanih 8 milijardi (trenutno je već oko 10 milijardi). Nekontrolirano povećanje troškova JWST-a je uzrok otkazivanja ili kašnjenja nekoliko projekata iz sektora agencije za astrofiziku. Za razliku od ESA-e ili drugih agencija, NASA financira astronomske misije nezavisno, iako to ne znači da ne postoje i drugi projekti koji služe za obavljanje misija ove vrste (npr. kosmički teleskop 'Kepler' je bila misija tipa 'Discovery', koju je finansirao Nasin planetarni sektor.) U svakom slučaju, senka 'Jamesa Webba' je duga, te je NASA rešila da sa zakašnjenjem nametne strogu budžetsku gornju granicu za sledeće džinovske teleskope koji bi trebali da budu lansirani posle 2030. godine.
Koncept budućeg kosmičkog teleskopa LUVOIR.
Ovi izuzetno skupi projekti su klasifikovani u Nasi kao misije tipa 'Flagship' (Large Strategic ScienceMission), mada to ime tehnički pripada sektoru planetarnih nauka. Očigledno je da je 'James Webb'astrofizička misija tipa 'Flagship', ali šta je sledeće?
Tokom ove decenije, pored JWST-a, NASA već poduže planira da lansira teleskop WFIRST (koji će imati ogledalo veličine 2,4 metra, poput Hablovog teleskopa, ali manje od JWST-ovih 6,5 metara), o čemu sam detaljnije pisao ovih dana (sada se zove 'Nancy Grace Roman'). Uprkos glasinama, projekt se nastavlja, ali Trumpova administracija ne da pare za teleskop. Projektu je više puta prećeno da ne sme da pređe \(3200 miliona ili će biti otkazan da bi se izbegla još jedna jameswebbiada. Doprinos vojne tehnologije nacionalne špijunske agencije NRO Nasi je, umesto umanjenja donelo povećanje troškove WFIRST-a i istovremeno delimično smanjio njegov naučni potencijal (ispostavilo se da optika špijunskih satelita nije baš najprikladnija za proučavanje tamna energija Univerzuma). Za sada se, nešto zbog nemanja para, nešto zbog politike, nešto zbog korone i bogtepitaj čega sve ne, kao datim lansiranja 'Roman Space Telescopa' pominje 2025... (Kladim se da će do tada cena da skoči na preko 5 milijardi a možda i više.)
Sadašnja i buduća generacija Nasinih kosmičkih teleskopa.[1]
Poređenje 'Hubblea', WFIRST-a i JWST-a.
Pored WFIRST-a, do 2030. godine NASA u preliminarnoj fazi projektovanja ima četiri velika kosmička teleskopa: LUVOIR, HabEx, 'Lynx' i OST. Ove četiri opservatorije će pokrivati veći deo elektromagnetnog spektra i podsećaju na izvornu flotu od četiri teleskopa koje je NASA izgradila tokom 70-ih i 80-ih: 'Hubble'(HST) za ultraljubičasto, vidljivo i infracrveno područje, 'Compton' (GRO) za gama zračenje, 'Chandra'(AXAF) za rendgensko i 'Spitzer' za infracrveno područje. Ove četiri opservatorije su iz korena preobrazile modernu astrofiziku, stoga naučna zajednica želi da i dalje poseduje vrhunske instrumente u svemiru koji pokrivaju talasne dužine koje zbog atmosfere nikada neće biti dostupne zemaljskim opservatorijama.
HabEx, LUVOIR i OST.
LUVOIR (Large UV / Optical / InfraRed surveyor) je veliki kosmički teleskop koji bi trebalo da zameni vremešnog 'Hubblea'. Predstavlja preživeli predlog među mnogim drugim, poput ATLAST-a[2] (Advanced Technology Large Aperture Telescope) ili HDST-a[3] (High-Definition Space Telescope), Ako poživi do lansiranja, imaće segmentirano primarno ogledalo koje će koristiti tehnologiju 'Jamesa Webba', ali pretočeno u novu dimenziju, prečnika 15 ili 8 metara (favorizuje se manji iz očitih razloga). Kao što mu ime govori, posmatraće kosmos u ultraljubičastom, vidljivom i blisko infracrvenom spektru (od 105 nm do 2,5 μm), tako da će teleskop biti uporediv sa 'Hubbleom' ('James Webb' ili WFIRST ne treba smatrati istinskim 'Hubbleovim'naslednicima).
LUVOIR bi jednostavno bio spektakularan. Mogli bi da vidimo nebeske objekte u ogromnoj rezoluciji. Instrumentalna oprema bi se sastojala od kamere visoke rezolucije, vidljivog i infracrvenog spektrometra, ultraljubičastog spektrometra LUMOS (UV Multi-object Spectrograph) i ultraljubičastog spektropolarimetraPollux visoke rezolucije (razvijen u francuskoj kosmičkoj agenciji CNES). Nadalje, kako bi povećao naučni povrat vezan za velike zemaljske teleskope, LUVOIR bi mogao da ugradi koronagraf (nazvan ECLIPS) radi detaljne analize vansolarnih planeta. U verziji od 15 metara, LUVOIR bi bio lansiran raketom 'SLS Block 1B' ili 'StarShipom', dok bi 8-metarska varijanta mogla da iskoristi bilo koju raspoloživu raketu sa vrhom ('fairingom') prečnika do 5 metara. LUVOIR bi bio smešten na Lagranžovoj tački L2 sistema Zemlja-Sunce (ESL-2).
Za sada, verzija nazvana LUVOIR-A, prethodno poznata kao teleskop HDST, imao bi 36 ogledalskih segmenata i ukupni prečnik 15 metara (49 ft) i davao bi 24 puta oštrije slike od 'Hubblea'. Time bi mogao da pronađe i prouči desetine zemljolikih planeta u našem komšiluku. Ako bi se nekako izborio za kintu (oko tričavih \)10 milijardi), možda bi ugledao kosmos u sledećoj deceniji...
Poređenje mišića sledećih teleskopa.
Levo: Ovako bi naš solarni sistem u infracrvenom video teleskop LUVOIR-A sa daljine od 44 sv. godine pri dvodnevnoj ekspoziciji. Desno: Ovako bi naš sistem izgledao snimljen pomoću maske (occulter).
Kao što sam pomenuo, verzija LAVOIR-B, bivši ATLAST, imala bi prečnik od 8 metara (26 ft). Iako manji od LAVOIR-A, imao bi ugaonu rezoluciju 5-10 puta veću od 'Jamesa Webba' i oko 2000 puta bolju osetljivost od HST-a. Nailazio sam na podatak da bi obe verzije ovog teleskopa mogle čak da budu modularno sastavljane u samom kosmosu.
Pogled odpozadi na instrumentnu sekciju.
Simulacija dve rezolucije.
Poređenje snage i rezolucije teleskopa.
LUVOIR spreman za lansiranje.
Dok će LUVOIR da proučava sve izvan Zemljine atmosfere, ako ikad bude odobren teleskop HabEx[4](Habitable Exoplanet Imaging Mission) će biti fascinantna misija orijentisana na proučavanje egzoplaneta. HabEx će biti svemirski teleskop s monolitnim ogledalom prečnika 4 metra opremljen koronagrafom sa spektrometrom i kamerom. Delovaće na talasnim dužinama u rasponu od ultraljubičastog do blisko infracrvenog (120 nm do 1,8 μm) i moći će direktno da vidi i analizira potencijalno naseljive planete sa tečnom vodom. Dobićemo spektre njihovih atmosfera i nadamo se da ćemo moći da otkrijemo prisutnost kiseonika i ozona zahvaljujući njegovom ultraljubičastom spektrografu visoke rezolucije (UVS). Kamera HWC (HabEx Workhorse Camera) omogućiće iskorišćavanje potencijala teleskopa za promatranje svih vrsta astronomskih objekata, ne samo egzoplaneta. Kao zanimljivost, primarno ogledalo neće ometati sekundarno jer će HabEx koristiti dizajn optike van ose. U trenutnoj konstruktorskoj fazi nije isključeno ni primarno ogledalo od 6,5 metara, iako su šanse da ova varijanta ide naprijed vrlo male. Ako ipak selekcija misija za Decadal Survey, koja će biti obavljena krajem 2020, odabere ovaj teleskop, lansiranje se očekuje oko 2035.
Teleskop HabEx za proučavanje egzoplaneta. Imaće težinu oko 18,5 tona. Pri ekspoziciji od ≤ 12 h moći će da snimi objekte magnitude ≥ 20 mag (GALEX FUV).
Ovako bi HabEx video Zemlju i ostale planete Sunčevog sistema uz pomoć koronografa.
Dizajn HabEx-a.
Spektralna pokrivenost instrumenata HabEx-a.
Optika HabEx-a.
HabEx bi bio jednostavniji i jeftiniji od LUVOIR-a, ali da bi mogao temeljno da analizira atmosferu potencijalno naseljivih malih stenovitih planeta, moraće da se koristi u kombinaciji sa spoljnjim korektorom, nazvanim 'Starshade'. HabEx bi tako kombinovao zaključke jeftinih predloga Exo-C i Exo-S, naslednika projekata TPF-I i TPF-C[5] iz prethodne decenije. 'Starshade' je trebalo da ima prečnik najpre od 72 a kasnije od 52 metra – znatno više od prvobitno planiranog u predlogu Exo-S (32 m) – i lansirao bi se zajedno s HabEx-om uz pomoć rakete 'SLS Blocka 1B' ili 'Falcon Heavyja' (mogli bi se lansirati i odvojeno, naravno). HabEx i 'Starshade' bi radili u tački L2, ali na udaljenosti od oko 124.000 kilometara.
'Starshade' je samostalan projekt koji bi 'James Webb', WFIRST ili LUVOIR mogli da koriste za proučavanje atmosfere egzoplaneta, mada je očito optimizovan za HabEx. 'Starshade' bi morao da ima vlastite sisteme za aktiviranje i otvaranje štita i za 'targetiranje', što bi predstavljao krupan tehnološki izazov.
Neuspeli predlozi kosmičkih teleskopa.
HabEx će da koristi 'Starshade' za analiziranje atmosfera egzoplaneta.
Prototip 'Starshadea'.
Tradicionalno otvaranje 'Starshadea'. (https://youtu.be/vW8pi8WMu0s)
Dva predloga otvaranja 'Starshadea'.
Sa monolitnim ogledalom od 4 metra (13 ft), HabEX bi uz pomoć koronagrafa proučavao oko 110 zvezda radi pretraživanje nastanjivih svetova, uključujući zvezde solarnog tipa poput Tau Ceti ili Epsilon Eridani. Procenjuje se da će biti u stanju da detektuje oko devedeset stenovitih planeta, među kojima i makar tuce egzozemlji (pored oko dvesta džinovskih planeta). Najperspektivniji svetovi će moći da se dubinski analiziraju pomoću 'Starshadea' u potrazi za biomarkerima.
Ovako će HabEx videti spektar atmosfere planete slične Zemlji.
Zvezde koje će biti posmatrane HabEx-om.
Treći glavni kosmički teleskop Nase je OST (Origins Space Telescope). 'Origins' je teleskop s efektivnim primarnim ogledalom od 9,1 metar (koncept 1) ili 5,9 m (koncept 2) koje će NASA, ako prođe selekciju i uđe u 'Flagship' program, promatrati daleki i srednji infracrveni spektar. Tehnički će to biti donekle naslednik – ili dopuna – 'James Webbu'. Obuhvatiće spektralno područje između 5–650 mikrona, koji će popuniti opservacioni jaz koji će nastati između JWST-a i mikrotalasnih opservatorija kao što je ALMA u Atakami. Imaće 5 instrumenata (MISC, MRSS, FIP, HERO i HRS) i koristiće pasivno kriohlađenje poput JWST-ovog za postizanje temperature teleskopske optike od 4 kelvina (a detektora ~50 mK). Takođe bi ga lansirao 'SLS' ili 'SpaceX' i bio bi smešten u Lagranžovoj tački L2. U opasnosti da projekat završi preskupo, proučava se alternativni konstrukcije s monolitnim ogledalom prečnika 5,9 metara.
Predlozi infracrvenog kosmičkog teleskopa OST sa ogledalom Ø 9 m i monolitnim Ø 6 m.
Sa svoje strane, opservatorija 'Lynx' će se fokusirati na najenergetskiju stranu spektra. 'Lynx' je definitivno sjajni rendgenski teleskop – najjači do sada – pravi naslednik opservatorije 'Chandra'. Postići će se rezolucija od 0,5 lučnih sekundi, što je priličan izazov za teleskop sa rendgenskom optikom, a glavni nedostatak ove opservatorije je to što će mnogi njegovi ciljevi biti postignuti ESA-inim rendgenskim teleskopom 'ATHENA' (Advanced Telescope for High-ENergy Astrophysics). 'ATHENA' je misija tipa-L, a trebalo bi da bude lansirana do 2031. Pokrivala bi područje deset puta veće od 'Chandre' ili 'XMM-Newtona' i imala 100 puta veću spektralnu rezoluciju. Međutim, 'Lynx' će proučavati iskonske supermasivne crne rupe kosmosa i njegovih galaksija, kao i sve najenergetskije fenomene u vaseljeni. 'Lynxova' osetljivost bi bila 50 puta veća od 'Chandrine', a teleskop će imati prečnik od 3 metra i žižinu daljinu od 12 metara, iako se proučava verzija 6×20 metara. Za razliku od drugih teleskopa, ovaj bi mogao da se lansira konvencionalnom raketom. Smestio bi se u tački L2 ili u rezonantnu orbitu 2:1 s Mesecom.
'Lynx X-ray Space Telescope'. Evropa je početkom veka imala planove da sa Japancima lansira moćan X-satelit (International X-ray Observatory, IXO), ali usled uštede smanjila je ambicije i tako stvorila 'ATHENU'.
Optika 'Lynxa'.
Optika 'Lynxa' i detalji instrumenta. Na projektu radi preko 200 inženjera i naučnika, među kojima su glavni Rus Aleksej Vihlinin i Turčin Feryal Özel.
Kao što sam rekao, NASA ne želi da navedeni projekti postanu novi bunari bez dna za njihove pare, te je odlučila da limitira njihove troškove pre nego što budu formalno odobreni. Stoga nijedan projekat ova četiri koncepta, koja su započeta 2016, neće premašiti sumu između 3 i 5 milijardi dolara, u zavisnosti od projekta. Ove četiri opservatorije su neverovatne, ali se bojim da ćemo moći da vidimo samo jednu. Ili bolje rečeno, samo jednu svake decenije. Šta bi trebao uzeti za prioritet?
LUVOIR je najspektakularniji, iako je rizik da će to, budžetski gledano, postati 'James Webb 2.0', više nego očigledan. LUVOIR bi revolucionarno podigao modernu astrofiziku, što se ne može reći za OST i 'Lynx', ne zato što su loši projekti – daleko od toga – već zato što se njihove benefiti preklapaju s drugim misijama (JWST i ALMA u slučaju OST-a, i 'ATHENA' u slučaju 'Lynxa'). Mnogi u 'Lynxu' vide favorita jer je najjeftiniji koncept ove četvorke. HabEx je rizična opklada. Iako bi promatrao i sve druge vrste astronomskih objekata, naročito bi se usredsredio na egzoplanete. Ako u atmosferi neke planete HabEx otkrio ozon i druge biomarkere, to bi ga moglo upisati u istoriju kao najpoznatiju kosmičku misiju svih vremena. Loše je što će nam trebati 'Starshade' da bi ekstrahovali sve najbolje iz misije, element koji nije izuzet od tehničkih poteškoća. S druge strane, ako HabEx ne otkrije ništa relevantno, bilo bi to malo razočaranje (malo, jer je i negativno otkriće ipak otkriće). Lično ne bih želeo da napustim ovaj svet a da ne znam postoji li u blizini potencijalna egzoplaneta, pa moj glas – mada pojedinačan i nevažan – ide HabEx-u.
Referenca:
[1] SAD ima praksu da svaku deceniju započne sa planom Akademije nauka i nacionalnog Veća za istraživanje koji predstavljaju Kongresu i Nasi. To se naziva 'Decadal Survey', i prikazuje zvanični koncenzus u poljima nauke koja pokrivaju astronomiju i astrofiziku. U tom izveštaju od više stotina stranica se navode prioriteti, planovi i misije na koje će se u toj dekadi koncentrisati pamet i pare zemlje i koji bi trebali da se realizuju. Nekad se ti planovi menjaju, nekad odu drugim pravcem a nekad i ispune. Prvi put su takav 10-godišnji plan objavili 1964, u vreme kada su se smejali sovjetskim 5-godišnjim planovima u industriji, poljoprivredi, razvoju itd.
[2] Multi-talasna opservatorija, tj. teleskop prečnika 8 metara. Prvobitno je bio razvijan od strane instituta STScl (Space Telescope Science Institute) lociranom u kampusu univerziteta Johns Hopkins u Baltimoru, koji je operativni centar za 'Hubblea' i sutra za JWST. Danas je projekat poznat kao LUVIOR-B.
[3] Opservatorija sa prečnikom ogledala od čak 11,7 metra! (sa 37 segmenata sličnog dizajna kao kod JWST-a; njegov prečnik je 'svega' 6,5 m) predlog je astronomske zajednice AURA (Association of Universities for Research in Astronomy). Trebalo bi da koristi mnoge tehnologije JWST-a, što bi cenu učinilo prihvatljivom
[4] Setio sam se da sam još 2018. napisao priču o ovom teleskopu.
[5] 'Terrestrial Planet Finder' (TPF) je bio Nasin projekat iz 2002. sistema kosmičkih teleskopa za otkrivanje vansolarnih planeta. Projekat je nekoliko puta odlagan, da bi 2011. bio konačno otkazan. TPF-I je podrazumevao nekoliko malih teleskopa (zajedno na jednom nosaču, ili više njih u konstelaciji), a TPF-C jedan veliki prečnika 1,1 m. TPF-I je trebalo da bude interferometar, a TPF-C da koristi koronograf.
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
