Meillä ihmisillä on kyltymätön nälkä ymmärtää maailmankaikkeutta. Kuten Carl Sagan sanoi, "ymmärtäminen on ekstaasia." Mutta ymmärtääksemme maailmankaikkeuden, tarvitsemme parempia ja parempia tapoja tarkkailla sitä. Ja se tarkoittaa yhtä: isot, valtavat, valtavat kaukoputket.
Tässä sarjassa tarkastellaan maailman tulevia Super Teleskooppeja:
- Giant Magellanin kaukoputki
- Ylivoimaisesti suuri kaukoputki
- 30 metrin kaukoputki
- Eurooppalainen erittäin suuri kaukoputki
- Suuri Synoptic Survey-teleskooppi
- James Webbin avaruusteleskooppi
- Laajakenttäinen infrapunakaukoputki
On helppo unohtaa vaikutus, joka Hubble-avaruusteleskoopilla on ollut tietoihimme maailmankaikkeudesta. Itse asiassa se saattaa olla paras mittaus sen menestykselle: Otamme Hubblen ja kaiken, mitä olemme siitä oppineet, itsestäänselvyyteen. Mutta muita avaruusteleskooppeja kehitetään, mukaan lukien WFIRST, joka on paljon tehokkaampi kuin Hubble. Kuinka pitkälle nämä kaukoputket laajentavat ymmärrystämme maailmankaikkeudesta?
"WFIRST: llä on potentiaali avata silmämme maailmankaikkeuden ihmeille, aivan samalla tavalla kuin Hubblella." - John Grunsfeld, NASA: n tiedeoperaation johtaja
WFIRST saattaa olla Hubblen todellinen seuraaja, vaikka James Webbin avaruusteleskooppi (JWST) mainitaan usein sellaisenaan. Mutta voi olla väärin edes kutsua WFIRST-kaukoputkea; on tarkempaa kutsua sitä astrofysiikan observatorioksi. Tämä johtuu siitä, että yksi sen päätieteellisistä tavoitteista on tutkia tummaa energiaa, sitä melko salaperäistä voimaa, joka ajaa maailmankaikkeuden laajenemista, ja Dark Matteria, vaikeaa havaita ainetta, joka hidastaa tätä laajentumista.
WFIRSTissä on 2,4 metrin peili, samankokoinen kuin Hubble. Mutta siinä on kamera, joka laajentaa peilin voimaa. Wide Field Instrument on 288 megapikselin monikaistainen lähi-infrapunakamera. Kun se on toiminnassa, se vangitsee kuvia, jotka ovat yhtä teräviä kuin Hubblen kuvat. Mutta on yksi valtava ero: Wide Field Instrument siepaisee kuvat, jotka peittävät yli 100-kertaisesti taivaan kanssa, jota Hubble tekee.
WFIRST: llä on laajakenttäinstrumentin lisäksi Coronagraphic-instrumentti. Coronagraphic Instrument edistää eksoplaneettojen tutkimusta. Se käyttää suodatin- ja naamiojärjestelmää estääkseen valon muista tähtiistä ja hioakseen planeettoja, jotka kiertävät näitä tähtiä. Tämä mahdollistaa hyvin yksityiskohtaisen tutkimuksen eksoplaneettojen ilmakehästä, joka on yksi päätavoista asettavuuden määrittämiseen.
WFIRST on tarkoitus käynnistää vuonna 2025, vaikka on liian aikaista olla tarkka päivämäärä. Mutta kun se käynnistyy, suunnitelma on, että WFIRST matkustaa aurinko-maa-alueelle LaGrange Point 2 (L2.) L2 on painovoimaisesti tasapainotettu piste avaruudessa, jossa WFIRST voi tehdä työnsä keskeytyksettä. Tehtävän on tarkoitus kestää noin 6 vuotta.
"WFIRST: llä on potentiaali avata silmämme maailmankaikkeuden ihmeille, aivan samalla tavalla kuin Hubblella", kertoi John Grunsfeld, astronautti ja NASA: n tiedeoperaation johtajan avustava päällikkö Washingtonissa. "Tämä tehtävä yhdistää ainutlaatuisesti kykyn löytää ja karakterisoida oman aurinkokunnan ulkopuolella olevia planeettoja herkkyyden ja optiikan avulla katsoa laajalle ja syvälle maailmankaikkeuteen pyrkiessä selvittämään tumman energian ja tumman aineen mysteerit."
Lyhyesti sanottuna, on olemassa kaksi ehdotusta siitä, mikä Dark Energy voi olla. Ensimmäinen on kosmologinen vakio, jossa Dark Energy on tasainen koko kosmossa. Toinen on ns. Skalaarikentät, joissa tumman energian tiheys voi vaihdella ajassa ja tilassa.
1990-luvulta lähtien havainnot ovat osoittaneet meille, että maailmankaikkeuden laajentuminen on kiihtymässä. Tuo kiihtyminen alkoi noin 5 miljardia vuotta sitten. Mielestämme Dark Energy on vastuussa nopeutetusta laajentumisesta. Antamalla niin suuria, yksityiskohtaisia kuvia kosmosta, WFIRST antaa tähtitieteilijöiden kartoittaa laajenemista ajan myötä ja suurilla alueilla. WFIRST mittaa myös tarkkaan miljoonien galaksien muodot, sijainnit ja etäisyydet seuratakseen kosmisten rakenteiden jakautumista ja kasvua, mukaan lukien galaktiklusterit ja niitä seuraava pimeä aine. Toivomme, että tämä antaa meille seuraavan tason ymmärtämisen Dark Energyn suhteen.
Jos kaikki kuulostaa liian monimutkaiselta, katso sitä niin: Tiedämme, että maailmankaikkeus laajenee, ja tiedämme, että laajentuminen kiihtyy. Haluamme tietää, miksi se laajenee ja miten. Olemme antaneet nimen 'Dark Energy' voimalle, joka johtaa tätä laajentumista, ja haluamme nyt tietää siitä enemmän.
Tumma energia ja maailmankaikkeuden laajeneminen on valtava mysteeri, ja kysymys, joka ajaa kosmologit. (He todella haluavat tietää, kuinka maailmankaikkeus loppuu!) Mutta monille muille meistä toinen kysymys on vieläkin vakuuttavampi: Olemmeko yksin maailmankaikkeudessa?
Tälle vastaukseen ei ole nopeaa vastausta, mutta kaikki vastaukset, jotka löydämme, alkaa eksoplaneettojen tutkimisesta, ja se on asia, josta WFIRST tulee myös erinomainen.
"WFIRST on suunniteltu käsittelemään tieteen aloja, jotka tähtitieteellinen yhteisö on määritellyt ensisijaisiksi prioriteetteiksi", sanoi NASA: n Washingtonin astrofysiikan osaston johtaja Paul Hertz. ”Laajakenttäinstrumentti antaa teleskoopille mahdollisuuden ottaa yksi kuva Hubblen syvyydellä ja laadulla, mutta se kattaa 100-kertaisesti alueen. Coronagraph tarjoaa vallankumouksellisen tieteen, joka vangitsee heikot, mutta suorat kuvat kaukaisista kaasumaailmoista ja supermaapallosta. "
"Coronagraph tarjoaa vallankumouksellisen tieteen, joka vangitsee heikot, mutta suorat kuvat kaukaisista kaasumaisista maailmoista ja supermaapallosta." - Paul Hertz, NASA: n astrofysiikan osasto
Eksoplaneettojen tutkimisessa on vaikeaa, että ne kaikki kiertävät tähtiä. Tähdet ovat niin kirkkaita, että niiden planeetat eivät ole mahdollista nähdä millään yksityiskohtaisesti. Se on kuin tuijottaa majakka mailin päässä ja yrittää tutkia hyönteistä majakan lähellä.
WFIRST-koneessa oleva Coronagraphic Instrument toimii parhaiten estämällä kaukoiden tähdet. Se tekee sen peilien ja naamioiden järjestelmällä. Tämä tekee mahdolliseksi tutkia eksoplaneettoja. Exoplaneettojen ominaisuuksia voidaan tutkia vasta, kun tähtiä koskeva valo käsitellään.
Tämä sallii eksoplaneetan ilmakehän kemiallisen koostumuksen yksityiskohtaiset mittaukset. Tekemällä tämän tuhansien planeettojen yli, voimme alkaa ymmärtää planeettojen muodostumista erityyppisten tähtijen ympärille. Coronagraphic-instrumenttiin on kuitenkin joitain rajoituksia.
Coronagraphic Instrument oli eräänlainen myöhäinen lisäys WFIRSTiin. Jotkut muut WFIRST-instrumentit eivät ole optimoitu toimimaan sen kanssa, joten sen toiminnalle on joitain rajoituksia. Se pystyy tutkimaan vain kaasujätteitä ja ns. Super-maapalloja. Nämä suuret planeetat eivät vaadi niin paljon hienovaraisuutta tutkiakseen, yksinkertaisesti niiden koon takia. Maan kaltaiset maailmat ovat todennäköisesti koronagrafiainstrumentin voimien ulkopuolella.
Nämä rajoitukset eivät ole iso juttu pitkällä tähtäimellä. Coronagraph on oikeastaan enemmän tekniikan esittelyä, eikä se edusta loppupäätä eksoplanetaalitutkimuksessa. Mitä välineestä opitaan, se auttaa meitä tulevaisuudessa. WFIRSTille tulee mahdollisesti seuraaja jonain päivänä, ehkä vuosikymmenien kuluttua, ja siihen mennessä Coronagraph-tekniikka on edistynyt paljon. Siihen tulevaisuuden aikaan maapallomaisten eksoplaneettojen suorat otokset voivat olla mahdollisia.
Mutta ehkä meidän ei tarvitse odottaa niin kauan.
Coronagraphin tehokkuutta WFIRSTissä on suunniteltu parantamaan, jotta se voisi kuvata maapallon kaltaisia planeettoja. Sitä kutsutaan EXO-S Starshade.
EXO-S Starshade on 34 metrin halkaisijaltaan käytettävä varjostusjärjestelmä, joka estää tähtivaloa heikentämästä WFIRST: n toimintaa. Se olisi itse asiassa erillinen vene, joka käynnistetään erikseen ja lähetetään matkalla tapaamiseen WFIRSTin kanssa L2: lla. Sitä ei kytkettäisiin, vaan suuntautuisi WFIRSTiin kamera- ja opasvalojärjestelmän kautta. Itse asiassa osa Starshaden voimaa on, että se olisi noin 40 000 - 50 000 km päässä WFIRSTistä.
Tumma energia ja eksoplaneetit ovat WFIRSTin painopistealueita, mutta aina on olemassa muita löytöjä, jotka odottavat parempia kaukoputket. Kaikkea sellaista, mitä opimme WFIRSTistä, ei ole mahdollista ennustaa. Kuvien ollessa yhtä yksityiskohtaisia kuin Hubblen, mutta 100 kertaa suurempia, meillä on joitain yllätyksiä.
"Tämä tehtävä tutkii maailmankaikkeutta löytääkseen mielenkiintoisimmat esineet sieltä." - Neil Gehrels, WFIRST-projektitutkija
"WFIRST tarjoaa mielenkiintoisten pimeän energian ja eksoplaneettojen ominaisuuksien lisäksi kaikille tähtitieteilijöille hienon tiedon aarrearkun", kertoi Neil Gehrels, WFIRST-projektin tutkija NASA: n Goddard-avaruuslentokeskuksessa Greenbeltissä, Marylandissa. "Tämä tehtävä tutkii maailmankaikkeutta löytääkseen mielenkiintoisimmat esineet sieltä."
Kaikkien superteleskooppien tullessa markkinoille seuraavien vuosien aikana, voimme odottaa uskomattomia löytöjä. 10 - 20 vuoden kuluttua tietojemme on edistynyt huomattavasti. Mitä opimme Dark Matterista ja Dark Energystä? Mitä tiedämme eksoplaneetan populaatioista?
Tällä hetkellä näyttää siltä, että olemme vain pyrkineet parempaan ymmärtämiseen näistä asioista, mutta WFIRST: n ja muiden Super Teleskooppien avulla olemme valmiita tarkoituksenmukaisempaan tutkimukseen.
