NASA-hold studerer agenturets fremtid inden for astrofysik; tackle formidable teknologiske udfordringer

Hvordan ser NASAs fremtid ud? Vil næste generations teleskop undersøge de første sorte huller i det fjerne univers, eller vil det lede efter liv på en jordlignende planet lysår væk? Som i de sidste årtier, bureauet vil ikke træffe denne beslutning i et vakuum eller uden at forstå de tekniske forhindringer, som er formidable.

Allerede, teams af eksperter fra hele agenturet, den akademiske verden, og industrien studerer fire potentielle flagskibsmissioner, som videnskabssamfundet har vurderet som værdige sysler under 2020 Decadal Survey for Astrophysics. I marts, de afgav foreløbige rapporter. Næste år, de forventes at færdiggøre de endelige rapporter, som National Research Council derefter vil bruge til at informere NASA om sine anbefalinger om et par år.

"Dette er spilletid for astrofysik, " sagde Susan Neff, chefforsker for NASAs Cosmic Origins Program. "Vi vil bygge alle disse koncepter, men vi har ikke budgettet til at lave alle fire på samme tid. Pointen med disse årtiers undersøgelser er at give medlemmer af astrofysiksamfundet den bedst mulige information, når de beslutter, hvilken videnskab de skal gøre først."

NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, fører to:Large Ultraviolet/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR) og Origins Space Telescope (OST). NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) i Pasadena, Californien, og Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama, i mellemtiden, leder henholdsvis Habitable Exoplanet Imager (HabEx) og X-ray Surveyor, kendt som Lynx (se detaljer om hver).

Uanset hvilken mission NASA i sidste ende vælger, eller hvilke teknologier den flyver, agenturet og de enkelte centre er begyndt at investere i avancerede værktøjer, der er nødvendige for at forfølge disse modige, banebrydende koncepter i fremtiden, sagde Thai Pham, teknologiudviklingschefen for NASAs Astrophysics Program Office. "Jeg siger ikke, at det bliver nemt. Det bliver ikke, " fortsatte han. "Dette er ambitiøse missioner, med betydelige tekniske udfordringer, hvoraf mange overlapper og gælder for alle. Den gode nyhed er, at grunden er ved at blive lagt nu.«

Enestående Picometer-niveau stabilitet

LUVOIR giver et eksempel.

Et koncept for observatoriet forestiller sig en overstørrelse, segmenteret primærspejl ca. 49 fod i diameter. Med denne gigant, LUVOIR kunne hjælpe med at svare på, hvordan livet begyndte, hvilke forhold er afgørende for dannelsen af ​​stjerner og galakser, og måske mest overbevisende, er Jorden sjælden i kosmos?

"LUVOIR vil søge efter tegn på liv, men det stopper ikke der. Det vil fortælle os, hvordan livet kom dertil, og hvor sjældent liv er i kosmos, " sagde Shawn Domagal-Goldman, stedfortrædende studieforsker. "Denne mission er ambitiøs, " aftalte undersøgelsesforsker Aki Roberge, "men at finde ud af, om der er liv uden for solsystemet, er præmien. Al teknologi høje pæle er drevet af dette mål."

For direkte at afbilde planeter på størrelse med jorden og vurdere deres atmosfærer, LUVOIR ville være nødt til at modtage lys fra et relativt lille objekt, der er mindst 10 milliarder gange svagere end den stjerne, den omkranser. Dette ville være som at skelne en genstand, der ikke er bredere end et menneskehår fra en afstand af to fodboldbaner, sagde Robert.

At gøre dette, LUVOIRs optik og tilhørende hardware skal være ultrastabil; det er, disse komponenter kan ikke bevæge sig eller forvrænge mere end 12 picometer - en måling mindre end størrelsen af ​​et brintatom. Ikke kun ville observatoriet skulle opretholde disse strenge standarder, mens de foretager en måling, det samme ville dens spejlsegmenter.

Ligesom det 21-fods primære spejl på James Webb Space Telescope, LUVOIRs spejl ville bestå af justerbare segmenter, der ville foldes ud efter lanceringen. Fordi opfangning af lys fra en svag og fjern kilde ville kræve en præcist fokuseret bølgefront, aktuatorer eller motorer fastgjort til bagsiden af ​​hvert spejl vil derefter aktivt justere og justere segmenterne for at opnå et perfekt fokus.

"Fysisk stabilitet, plus aktiv kontrol på det primære spejl og en intern koronagraf (en enhed til at blokere stjernelys) vil resultere i picometer nøjagtighed, " sagde Roberge. "Det handler om kontrol."

Allerede et Goddard-hold er begyndt at udvikle laboratorieværktøjer, der dynamisk kan detektere forvrængninger på størrelse med pimeter, der opstår, når materialer, der bruges til at bygge teleskoper, skrumper eller udvider sig på grund af voldsomt svingende temperaturer, eller når de udsættes for voldsomme affyringskræfter. Skulle NASA vælge LUVOIR som sin næste flagskibsmission, NASA kunne bruge dette værktøj til at sikre, at agenturet bygger et observatorium til disse benchmarks.

Undertrykkelse af Starlight:A Shared Technical Challenge

HabEx, selvom det er fysisk mindre end LUVOIR, ville også direkte afbilde planetsystemer og analysere sammensætningen af ​​planeternes atmosfærer med dets store segmenterede spejl. Ud over, det vil muliggøre en bred vifte af generel astrofysik, fra at studere de tidligste epoker af universets historie, at forstå livscyklussen og døden af ​​de mest massive stjerner, som i sidste ende leverer de elementer, der er nødvendige for at understøtte livet, som vi kender det.

Ligesom LUVOIR, det, også, skal flyve en stor, stabilt teleskop følsomt over for ultraviolet, optisk, og nær-infrarøde fotoner samt teknologier til at blokere moderstjernens klare lys og skabe en mørk zone, der afslører tilstedeværelsen af ​​en planet på størrelse med Jorden.

"For direkte at afbilde en planet, der kredser om en nærliggende stjerne, vi skal overvinde en enorm barriere i dynamisk rækkevidde:stjernens overvældende lysstyrke mod den svage refleksion af stjernelys fra planeten, med kun en lille vinkel, der adskiller de to, " sagde Neil Zimmerman, en NASA-ekspert inden for koronografi. "Der er ingen hyldeløsning på dette problem, fordi det er så ulig enhver anden udfordring inden for observationsastronomi."

For at overkomme udfordringen – sammenlignet med at forsøge at fotografere en ildflue, der cirkulerer rundt om en gadelygte på tusindvis af kilometers afstand – studerer forskere forskellige metoder til at undertrykke stjernelys, inklusive ydre kronbladsformede stjerneskærme, der blokerer lys, før det kommer ind i teleskopet, og interne koronagrafer, der anvender masker og andre komponenter til at forhindre stjernelys i at nå detektorerne. HabEx-teamet undersøger begge teknikker.

Men der er stadig en stor hindring:selv med flere koronagrafiske masker, stjernelys vil stadig komme igennem, sagde Rémi Sommer, en videnskabsmand ved Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. Stjernelys vil afbryde kanterne af en koronagrafs optiske komponenter, gør det svært helt at blokere lyset for at se en lille planet kredse om stjernen. En mulig løsning er at påføre kulstof nanorør på de koronagrafiske masker, der ændrer mønsteret af diffrakteret lys.

Sommer, som skabte en state-of-the-art testbed til at evaluere forskellige koronagrafiske tilgange primært for LUVOIR, samarbejder med tidligere Goddard optisk ingeniør John Hagopian for at teste effektiviteten af ​​Hagopians carbon-nanorør-teknologi til denne applikation. Denne supersorte belægning består af flervæggede nanorør 10, 000 gange tyndere end et hårstrå. "Når lys trænger ind i nanorørskoven med minimal refleksion, lysets elektriske felt exciterer elektronerne, at omdanne lys til varme og effektivt absorbere det, " forklarede Hagopian, nu en Goddard-entreprenør.

Testresultaterne indtil videre er lovende, sagde Soummer. Men dommen er stadig ude. Mens Hagopian arbejder på at forbedre sin teknologis evne til at absorbere næsten alt lys, Soummer planlægger at teste koronagrafmasker ved hjælp af en anden lysdæmpningsteknologi kaldet siliciumgræs. Udviklet af JPL forskere, siliciumgræs består af en skov af bittesmå nåle ætset ind i overfladen af ​​en tynd siliciumwafer. "Min opgave er at sammenligne ydeevnen af ​​de forskellige teknikker, " sagde Sommer.

"Detektorer, Detektorer, Detektorer"

Selvom store arrays af detektorer, der måler i millioner af pixels, er et must for LUVOIR, HabEx, og Lynx, de er særligt vigtige for OST, et fjern-infrarødt observatorium designet til at observere de fjerneste rækker af universet.

"Når folk spørger om teknologiske huller i udviklingen af ​​Origins Space Telescope, Jeg fortæller dem, at de tre største udfordringer er detektorer, detektorer, detektorer, " sagde Dave Leisawitz, en Goddard-videnskabsmand og OST-studieforsker. "Det hele handler om detektorerne."

NASA-forskere fremmer i øjeblikket forskellige typer superledende detektorer til næste generations teleskoper, but OST could benefit more from either of two emerging types:Transition Edge Sensors (TESs) or Kinetic Inductance Detectors (KIDs). TES detectors have reached a high degree of technological maturity and are now used in HAWC+, an instrument on NASA's Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, commonly known as SOFIA. "While relatively early in its technology readiness, KIDs are quickly maturing, and may find uses in future astronomical instruments, " said Johannes Staguhn, a detector expert at Goddard and deputy study scientist and instrument scientist for OST.

Imidlertid, neither detector technology can fulfill its promise unless the observatory is actively cooled to a frosty 4 kelvin, or -452.47 degrees Fahrenheit. That's because the light it's collecting—light that first began its journey across the universe literally billions of years ago—reaches space telescopes as heat. If the observatory and its instruments generate too much heat, it will overwhelm the signal the telescope wants to collect and measure.

Som resultat, OST's segmented primary mirror—now projected to span nearly 30 feet in diameter—would have to be cooled to about 4 K. If NASA chooses OST, the observatory would be NASA's first actively cooled telescope. According to Leisawitz, the OST team would like to achieve this by flying layers of sunshields that would envelope the mirror and radiate heat away from it. Four cryocoolers or heat sinks would then mechanically absorb the residual heat to maintain the mirror's 4 K target temperature.

OST's instrument detectors must be cooled as well—to 0.05 K, or one twentieth of a degree above absolute zero. This is 80 times colder than the observatory itself. The study team believes it can accomplish this technical feat with a multi-stage continuous adiabatic demagnetization refrigerator (CADR).

The technology, developed by Goddard cryogenic engineers, has flown on past X-ray missions. It cools to this very low temperature by varying the magnetic fields inside rods of specialized materials and ultimately conducting heat away to a 4 kelvin cryocooler. "The CADR has no moving parts, produces no vibrations, and works independent of gravity, making it very suitable for space missions, " said Goddard cryogenic engineer Jim Tuttle.

Mirrors and Cool Detectors to Reveal the Hidden Universe

Cooling technologies and higher-performing detectors also present challenges for Lynx. Named after the sharp-sighted feline, the proposed observatory is the only of the four to examine the universe in X-rays. One of its principal jobs would be to detect this more energetic form of light coming from supermassive black holes at the center of the very first galaxies.

"Supermassive black holes have been observed to exist much earlier in the universe than our current theories predict, " said Rob Petre, a Lynx study member at Goddard. "We don't understand how such massive objects formed so soon after the time when the first stars could have formed. We need an X-ray telescope to see the very first supermassive black holes, in order to provide the input for theories about how they might have formed."

To unravel the mystery, the Lynx study team is considering flying an X-ray microcalorimeter imaging spectrometer, among other instruments. With microcalorimetry, X-ray photons strike the detector's absorbers and their energy is converted to heat, which a thermometer then measures. The heat is directly proportional to the X-ray's energy, which can reveal much about the target's physical properties. Because microcalorimeters essentially are thermometers, they must be cooled to cryogenic temperatures to detect these fleeting, hard-to-capture X-rays.

NASA has made strides in these areas, Petre said. A Goddard team provided the cooling technology, a two-stage ADR, and a 36-pixel microcalorimeter array for the Japanese Suzaku and Astro-H missions. For Lynx, imidlertid, these technologies must become larger and more capable.

I øjeblikket, Goddard scientists Simon Bandler and Caroline Kilbourne are scaling up the size of the microcalorimeter array and, in fact, are developing a 4, 000-pixel microcalorimeter array for the European Space Agency's Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, or Athena, mission. Athena is expected to launch in the late 2020s. Their goal is to ultimately create an array containing 100, 000 pixels. I mellemtiden Goddard cryogenic experts, led by Tuttle, are adding stages to the refrigerator. The same multi-stage cooling system baselined for Lynx also could be used on OST, Tuttle said.

Lynx also would require a lightweight optic offering a significantly larger collection area and dramatically improved resolution. Unlike other mirrors that collect less energetic light, X-ray optics must be curved and nested inside a canister so that incoming photons graze the mirrors' surface and deflect into the observatory's instruments. The greater the number of mirrors, the higher the resolution.

One possible approach is using a relatively inexpensive, easily reproducible optic made of single-crystal silicon, a hard, brittle, non-metallic element used to make computer chips. Now being developed by NASA optics expert Will Zhang, the material has proven effective at gathering X-rays, Petre said. Because these mirrors are thin and lightweight, Lynx could carry thousands of individual mirror segments to improve its light-gathering power.

Although two other competing technologies exist, Zhang is confident Lynx would profit from his work. "The quality of the mirrors we are making today is several times better than a year ago. We are meeting or close to meeting Lynx requirements, but a year or so from now, we definitely will be meeting them."