NASAs næste store teleskop for at se det store billede af universet

NASA begynder at designe sin næste store astrofysikmission, et rumteleskop, der vil give det største billede af universet nogensinde set med samme dybde og klarhed som Hubble-rumteleskopet.

Planlagt lancering i midten af ​​2020'erne, Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) vil fungere som Hubbles måbende fætter. Mens lige så følsomme som Hubbles kameraer, WFIRSTs 300 megapixel Wide Field Instrument vil afbilde et himmelområde 100 gange større. Det betyder, at et enkelt WFIRST-billede vil indeholde den tilsvarende detalje af 100 billeder fra Hubble.

"Et billede fra Hubble er en flot plakat på væggen, mens et WFIRST billede vil dække hele væggen i dit hus, sagde David Spergel, medformand for WFIRST videnskabsarbejdsgruppen og Charles A. Young professor i astronomi ved Princeton University i New Jersey.

Missionens brede synsfelt vil tillade den at generere aldrig før sete store billeder af universet, som vil hjælpe astronomer med at udforske nogle af de største mysterier i kosmos, herunder hvorfor udvidelsen af ​​universet ser ud til at accelerere. En mulig forklaring på denne fremskyndelse er mørk energi, et uforklarligt tryk, der i øjeblikket udgør 68 procent af det samlede indhold af kosmos og kan have været under forandring i løbet af universets historie. En anden mulighed er, at denne tilsyneladende kosmiske acceleration peger på nedbrydningen af ​​Einsteins generelle relativitetsteori på tværs af store dele af universet. WFIRST vil have magten til at teste begge disse ideer.

For at lære mere om mørk energi, WFIRST vil bruge sit kraftfulde 2,4-meter spejl og Wide Field Instrument til at gøre to ting:kortlægge, hvordan stof er opbygget og fordelt i hele kosmos og måle, hvordan universet har udvidet sig over tid. I processen, missionen vil studere galakser på tværs af kosmisk tid, fra nutiden tilbage til dengang universet kun var en halv milliard år gammelt, eller omkring 4 procent af sin nuværende alder.

"For at forstå, hvordan universet udviklede sig fra et varmt, ensartet gas til stjerner, planeter, og mennesker, vi er nødt til at studere begyndelsen af ​​den proces ved at se på universets tidlige dage, " sagde WFIRST Project Scientist Jeffrey Kruk ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi har lært meget af andre bredområdeundersøgelser, men WFIRST's vil være de mest følsomme og give os vores fjerneste blik tilbage i tiden."

WFIRST vil gøre dette gennem flere observationsstrategier, herunder undersøgelser af eksploderende stjerner kaldet supernovaer og galaksehobe, og kortlægning af fordelingen af ​​galakser i tre dimensioner. Måling af supernovaers lysstyrke og afstande gav det første bevis for tilstedeværelsen af ​​mørk energi. WFIRST vil udvide disse undersøgelser til større afstande for at måle, hvordan mørk energis indflydelse steg over tid.

WFIRST vil måle præcise afstande til galaksehobe for at kortlægge, hvordan de voksede over tid. Missionen vil også lokalisere afstandene til millioner af galakser ved at måle, hvordan deres lys bliver rødere på større afstande, et fænomen kaldet rødforskydning. Jo længere væk en galakse er, jo rødere bliver dets lys, når vi ser det. Kortlægning af 3D-positioner af galakser vil give astronomer mulighed for at måle, hvordan fordelingen af ​​galakser har ændret sig over tid, giver endnu et mål for, hvordan mørk energi har påvirket kosmos.

Wide Field Instrument vil også give WFIRST mulighed for at måle stoffet i hundredvis af millioner af fjerne galakser gennem et fænomen dikteret af Einsteins relativitetsteori. Massive objekter som galakser kurver rum-tid på en måde, der bøjer lys, der passerer nær dem, skabe en forvrænget, forstørret billede af fjerne galakser bag dem. Ved at bruge denne forstørrelsesglaseffekt, kaldet svag gravitationslinser, WFIRST vil male et bredt billede af, hvordan stof er opbygget i hele universet, giver videnskabsmænd mulighed for at sætte den styrende fysik i dens samling på den ultimative prøve.

WFIRST kan bruge det samme lysbøjningsfænomen til at studere planeter uden for vores solsystem, kendt som exoplaneter. I en proces kaldet mikrolinsing, en forgrundsstjerne i vores galakse fungerer som linsen. Når dens bevægelse tilfældigt flugter med en fjern baggrundsstjerne, linsen forstørrer, lysner og forvrænger baggrundsstjernen. Når linsestjernen driver med i sin bane rundt om galaksen, og justeringen skifter, det samme gør stjernens tilsyneladende lysstyrke. Det præcise mønster af disse ændringer kan afsløre planeter, der kredser om linsestjernen, fordi planeterne selv tjener som miniaturegravitationslinser. Sådanne justeringer skal være præcise og kun vare timer.

WFIRSTs mikrolinseundersøgelse vil overvåge 100 millioner stjerner i hundreder af dage og forventes at finde omkring 2, 500 planeter, med et betydeligt antal klippeplaneter i og uden for området, hvor flydende vand kan eksistere. Denne planetdetektionsmetode er følsom nok til at finde planeter mindre end Mars, og vil afsløre planeter, der kredser om deres værtsstjerner i afstande fra tættere end Venus til hinsides Pluto.

Disse resultater vil gøre WFIRST til en ideel ledsager til missioner som NASAs Kepler og den kommende Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), som er bedst egnede til at finde større planeter, der kredser tættere på deres værtsstjerner. Sammen, opdagelser fra disse tre missioner vil hjælpe med at fuldføre tællingen af ​​planeter uden for vores solsystem, hjælper os med at lære, hvordan planeter dannes og migrerer ind i systemer som vores eget. De kombinerede data fra disse missioner giver indsigt i planeter i det kritiske område kendt som den beboelige zone, kredsløbsafstanden fra en værtsstjerne, der ville tillade en planets overflade at rumme flydende vand - og potentielt liv.

WFIRST vil også have et koronagrafteknologisk demonstrationsinstrument designet til direkte at afbilde exoplaneter ved at blokere en stjernes lys, gør det muligt at observere de meget svagere planeter. Som NASAs første avancerede koronagraf i rummet, det bliver 1, 000 gange bedre end nogen tidligere fløjet. Dette er et vigtigt skridt mod fremtidige direkte billeddannelsesmissioner, der vil studere virkelig jordlignende planeter opdaget i nærheden. Instrumentet vil være i stand til at afbilde gasgigantplaneter, der kredser om modne sollignende stjerner, giver videnskabsfolk mulighed for at studere dem på måder, der ikke har været mulige før. Forskere håber at bruge koronagrafen til at bestemme vigtige egenskaber om disse planeter, såsom deres atmosfæriske sammensætning.

WFIRST vil fungere som et vigtigt værktøj for videnskabssamfundet gennem dets General Observer og arkivdataanalyseprogrammer. Alle WFIRST-data vil være offentligt tilgængelige umiddelbart efter behandling og levering til arkivet. Også, ved at indsende forslag gennem konkurrenceprogrammet, videnskabsmænd over hele verden vil være i stand til at bruge observatoriet til at studere kosmos på deres egen måde, fra de nærmeste exoplaneter ud til hobe af fjerne galakser.

Missionen vil supplere andre missioner, der forventes at fungere i det næste årti, især James Webb Space Telescope, planlagt til lancering i 2019. Webb giver et detaljeret kig på sjældne og interessante genstande, mens WFIRST vil tage et bredt kig på universet. WFIRST vil også supplere nye jordbaserede observatorier, såsom Large Synoptic Survey Telescope (LSST), som er under udvikling. Ved at kombinere data fra WFIRST og LSST, videnskabsmænd vil være i stand til at se universet i ni forskellige bølgelængder, data, der vil give det mest detaljerede vidvinkelbillede af universet til dato.

Ved at være banebrydende for en række innovative teknologier, WFIRST vil tjene som en multifunktionel mission, giver et stort billede af universet og hjælper os med at besvare nogle af de mest dybe spørgsmål inden for astrofysik, såsom hvordan universet udviklede sig til det, vi ser i dag, dens ultimative skæbne og om vi er alene.

"Ved at bygge dette teleskop muliggør vi et væld af videnskab og evnen til at løse den slags spørgsmål, " sagde Spergel. "Det er dybt interessant ikke kun for videnskabsmænd, men enhver, der ser op mod himlen og undrer sig."