Den foreslåede NASA-mission bruger hummerøje-optik til at lokalisere kilden til kosmiske krusninger

Et nyt optiksystem, der efterligner strukturen af ​​en hummers øjne, ville gøre det muligt for en konceptuel Explorer-klasse mission at præcist lokalisere, karakterisere, og advare andre observatorier om kilden til gravitationsbølger, som er forårsaget af nogle af de mest magtfulde begivenheder i universet.

Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, vil studere gennemførligheden af ​​Transient Astrophysics Observatory på den internationale rumstation, eller ISS-TAO. Missionen blev valgt, sammen med to andre lignende klassificerede begreber, som en potentiel Explorer Mission of Opportunity. I 2019, NASA forventes at vælge ét koncept til konstruktion og opsendelse.

"Denne mission er mere relevant i dag end nogensinde før, " sagde missionens hovedefterforsker Jordan Camp, som leder et internationalt team for at modne konceptet og finjustere dets to instrumenter:en Goddard-leveret blød røntgen-wide-field-imager, eller WFI, og Israel Space Agency-leverede Gamma-Ray Transient Monitor.

"Detekteringen af ​​gravitationsbølger i slutningen af ​​2015 var et skelsættende begivenhed, " sagde Camp. "Gravitationsbølger er så forskellige, så nyt. Vi ønsker en måde at forbinde konventionel elektromagnetisk astronomi med denne nye videnskab."

All-Sky overvågning

Fra sin siddeplads ombord på den internationale rumstation, eller ISS, missionen ville overvåge himlen i jagten på forbigående røntgenstråler og gammastråler - de flygtige, svært at fange, højenergifotoner udløst under sorthuls- og neutronstjernefusioner og supernovaer. Disse kraftige omvæltninger genererer gravitationsbølger.

Først postuleret af Albert Einstein for et århundrede siden, gravitationsbølger produceres, når massive objekter, der bevæger sig tæt på lysets hastighed, spiraler sammen og smelter sammen i universet. Bevægelsen og den resulterende kollision skaber bølger i rum-tidens stof, stråler ud i alle retninger, meget ligesom, hvordan vandet bølger, når en sten kastes i en dam.

Sidste år i en bombe meddelelse, videnskabsmænd afslørede, at det jordbaserede Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, eller LIGO, havde opdaget gravitationsbølger fra ikke én, men to separate begivenheder, der involverer kollision af sorte huller i andre galakser; andre er blevet rapporteret siden. Til denne opdagelse, de tre fysikere, der var banebrydende for LIGO-anlægget - Rainer Weiss, Kip Thorne, og Barry Barish - blev for nylig tildelt 2017 Nobelprisen i fysik.

Og så, den 16. oktober, LIGO annoncerede den første nogensinde detektion af gravitationsbølger fra sammensmeltningen af ​​to neutronstjerner. Mindre end to sekunder senere efter at bølgerne skyllede hen over Jordens rumtid, NASAs Fermi Gamma-ray-rumteleskop registrerede et svagt udbrud af højenergilys - det første nogensinde, der er utvetydigt forbundet med en gravitationsbølgekilde. En halv dag senere, observatorier rundt om i verden havde fundet stedet i synligt lys, at udpege en gravitationsbølgekilde for første gang.

I øjeblikket, Næsten alt, hvad videnskabsmænd ved om kosmos, kommer fra at detektere og analysere lyset fra kosmologiske kilder i alle dets former på tværs af det elektromagnetiske spektrum – radio, infrarød, synlig, ultraviolet, røntgenstråler, og gammastråler. Hver bølgelængde tilføjer en anden detalje om sammensætningen, temperatur, og hastigheden af ​​disse kilder, blandt andre fysiske egenskaber.

Bekræftelsen af, at gravitationsbølger eksisterer, har åbnet et nyt vindue på universet, give videnskabsfolk et nyt syn, der vil supplere det, de allerede har lært gennem mere traditionelle observationstilgange. Lejr, som hjalp med at udvikle LIGOs lasere og optik og var en af ​​forfatterne på papiret, der annoncerede den første opdagelse, mener, at missionen har en særlig niche at udfylde i denne nye gren af ​​astrofysikken.

Særlig niche i gravitationsbølgevidenskab

Missionen vil være en vagtpost, sagde missions stedfortrædende hovedefterforsker Scott Barthelmy.

Ud over at udføre all-sky undersøgelser af forbigående røntgenkilder, det vil mere præcist lokalisere røntgen-modstykker til kilder til gravitationsbølgehændelser, indsamle data, og kommunikere deres holdning til andre observatorier, så de kan begynde deres egne observationer.

"LIGO og Jomfruen (et nyligt opgraderet interferometeranlæg i Pisa, Italien) danner det avancerede netværk af gravitationsbølgeobservatorier, " sagde Camp. "De vil advare os om de mest spændende kandidater, som de sidste øjeblikke af et kompakt binært system. Selvom disse faciliteter kan opdage krusningerne i rum-tid, de kan ikke fokusere gravitationsbølger og i stedet opnå deres kildelokalisering ved timing af støjende signaler, Lejren forklarede. de kan ikke præcist lokalisere deres kilder."

I modsætning, nyttelasten ville pege sin hummeroptik mod den store del af himlen identificeret af LIGO og Jomfruen og derefter fokusere de ledsagende røntgenstråler for at lokalisere og karakterisere disse kilder, han sagde.

I øjeblikket, Hubble-rumteleskopet, Fermi Gamma-ray rumteleskopet, Swift Gamma-Ray Burst Mission, Spitzer-rumteleskopet, og Chandra X-ray Observatory leder efter elektromagnetiske modstykker. Sammen med snesevis af jordbaserede observatorier, alle detekterede lys fra neutronstjernesammensmeltningen, giver astronomer mulighed for at studere eftervirkningerne af en gravitationsbølgebegivenhed for første gang.

Imidlertid, missionen er særligt velegnet til opgaven, sagde missionens medforsker Judy Racusin.

Et af dets instrumenter, WFI, er udstyret med den nye hummerøje-optik, som efterligner strukturen af ​​krebsdyrets øjne. Hummerøjne består af lange, smalle celler, der hver især reflekterer en lille mængde lys fra en given retning. Dette gør det muligt at fokusere lyset fra et bredt visningsområde til et enkelt billede.

WFI's optik fungerer på samme måde. Dens øjne er mikrokanalplader - tynde, buede plader af materiale prikket med bittesmå rør hen over overfladen. Røntgenlys kan trænge ind i disse rør fra flere vinkler og fokuseres gennem refleksion af græsningsindfald, give teknologien et bredt synsfelt, der er nødvendigt for at finde og afbilde forbigående hændelser, der ikke kan forudsiges på forhånd. Andet end i en klingende raketdemonstration, hummerøje-optik er endnu ikke blevet brugt i en rumapplikation, sagde Camp.

Missionens kaj ombord på rumstationen tilbyder en anden fordel, sagde missionsforsker Robert Petre, tilføjer, at den kredsende forpost leverer kommunikation, strøm, og andre tjenester, der øger omkostningerne ved rumfartøjer. "Vi ønsker at bruge denne fantastiske facilitet til præcis, hvad den er designet til at gøre - give hurtige, billig adgang til rummet."

Skulle ISS-TAO blive valgt som en Explorer Mission of Opportunity, Camp tror på, at han kan fuldføre missionen og lancere i 2022, blot et par år efter den planlagte opsendelse af James Webb-rumteleskopet. Webb-observatoriet kunne også hyres til at observere de eksplosive begivenheder, der genererer gravitationsbølger, sagde Camp.

"Vi startede arbejdet med dette missionskoncept, før LIGO gjorde opdagelsen, "Lejren sagde, med henvisning til F&U-finansierede indsatser, der begyndte for omkring fem år siden. "Opdagelsen af ​​gravitationsbølger har helt sikkert tilføjet en masse spænding og åbnet en revolutionær ny grænse inden for astrofysik. Vi tror, ​​at vores mission i høj grad kan forbedre gravitationsbølgevidenskaben."