Evo što će WFIRST pronaći - ako to možemo spremiti.

Simulacije pokazuju da će svemirski teleskop nove generacije biti doista izvanredan.

Ovog je ponedjeljka Bijela kuća objavila svoj predloženi proračun za fiskalnu 2020. godinu u kojem je detaljno financirano niz saveznih agencija, uključujući NASA. Proračunom predlaže svemirsku agenciju neto smanjenja u iznosu od 481 milijuna dolara, uključujući potpuno rezanje nevjerojatnih 381 milijuna dolara financiranja za širokopojasni infracrveni istraživački teleskop ili WFIRST koji bi trebao biti predstavljen sredinom 2020-ih. Ovo je druga po redu godina, uprava je pokušala ubiti svemirski teleskop, kojeg je lani spasio samo Kongres.

Starija predložena verzija WFIRST-a, još od 2019. godine. Od tada je teleskop prošao kroz nekoliko ponavljanja kako su se promijenili njegovi znanstveni ciljevi. Kreditna slika: NASA.

Kao što se i očekivalo, stratagem - opravdan natjecateljskim prekoračenjem troškova svemirskim teleskopom James Webb - naišao je na veliko protivljenje astronoma, koji smatraju WFIRST jednim od glavnih prioriteta NASA-e u sljedećem desetljeću. Oni tvrde da bi zaustavljanje šestogodišnjeg projekta predstavljalo udar na astronomiju u dva osnovna područja:

  • Astronomija Exoplaneta, koja će imati koristi od revolucionarnih izgleda WFIRST-a za otkrivanje novih svjetova putem gravitacijskog mikroležiranja i izravnog snimanja.
  • Kozmologija koja će dobiti mjerenja gustoće, evolucije i temeljne prirode tamne energije putem istraživanja galaksije i supernove WFIRST-a.

Nije iznenađujuće da su znanstvenici zainteresirani za dobivanje kvantitativnih ideja o rezultatima za koje se nadaju da će dobiti od WFIRST-a, a posljednjih nekoliko godina provedene su detaljne simulacije u pokušaju da odrede što će pronaći. Da bismo shvatili zašto je opstanak WFIRST-a toliko velik, dopustite da vas vodim kroz putovanje kroz neke od tih simulacija onoga što nam 2020. godine može priuštiti.

Prije nego što stignemo tamo, trebao bih vam malo reći o svemirskom brodu o kojem govorimo. WFIRST ima 2.4-metarski teleskop dizajniran za otkrivanje infracrvenog svjetla; iste je veličine kao i Hubble svemirski teleskop i može opažati na mnogim istim valnim duljinama. Vjerojatno će orbitirati na mjestu koje se zove druga točka Lagrange Sunca i Zemlje, a nalazi se iza noćne strane Zemlje.

Dijagram WFIRST-ovog koronagrafa koji prikazuje njegov radijator za hlađenje, spektrograf i druge ključne komponente. Kreditna slika: NASA / Goddard Spaceflight Center.

Na teleskopu su priključena dva instrumenta zbog kojih je WFIRST toliko važan: prikladno nazvan instrument širokog polja (WFI) koji će opservatoriju pružiti veliko vidno polje za snimanje i spektroskopska opažanja i koronagrafski instrument koji također ima slične snimke i spektroskopske mogućnosti, ali s malim vidnim poljem, i mogu blokirati svjetlost zvijezda da vide bilo koje prigušene egzoplanete oko njih.

Zajedno, ovi instrumenti, radeći na svemirskom brodu udaljenom 1,5 milijuna kilometara od Zemlje, pružit će napredak u dva brzorastuća polja: egzoplaneti i tamna energija. A sad, pogledajmo što astronomi misle da će ih pronaći - i pogledajmo neke najnovije simulacije.

Pronalaženje egzoplaneta pomoću nove vrste leća

Proteklih 25 godina pokazalo se značajnim za egzoplanetarnu astronomiju. Od prvog potvrđenog otkrića egzoplaneta 1992. godine, astronomi su pronašli nevjerovatnih 4.000 egzoplaneta oko otprilike 3.000 zvijezda, a još je mnogo njih čekalo potvrdu. Ti su se planeti većinom otkrili pomoću dvije glavne tehnike:

  • Metoda radijalne brzine, koja koristi spektroskopiju za otkrivanje poremećaja u gibanju zvijezde uzrokovanog orbitirajućim egzoplanetom.
  • Metoda tranzita, koja traži umove u sjaj zvijezde kada egzoplanet prođe između zvijezde i Zemlje.

Iako su obojica urodila spektakularnim brojem novih svjetova, obojica su pristrani prema pronalaženju planeta velikih, masivnih i bliskih svojim zvijezdama domaćinima. Postoje i druge metode koje smanjuju tu pristranost, poput gravitacijskog mikroležiranja. Mikroleniranje se temelji na načelu da masivni objekt izvija prostor-vrijeme, a samim tim i zrake svjetlosti koje putuju svemirom. To znači da bi zvijezda trebala izobličiti svjetlost pozadinskih zvijezda - a bilo koji planet u orbiti bi trebao pridonijeti izobličenju. Ispada da su ta odstupanja mjerljiva! Ova je tehnika zapravo prilično dobra za pronalaženje egzoplaneta male mase u orbitalnim polumjerima poput Zemljine, ali u idealnom slučaju su joj potrebni teleskopi visoke rezolucije i vedro nebo. Do sada je otkriveno vrlo malo egzoplaneta pomoću mikrolečenja.

Umjetnikov dojam o OGLE-2005-BLG-390Lb, egzoplanetu otkrivenom gravitacijskim mikrolengiranjem još 2005. Kreditna slika: ESO, pod licencom Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

WFIRST ima potencijal promijeniti sve to. Jedna od prednosti WFIRST-a u odnosu na starije mikroskopske ankete jest ta što će biti u svemiru, čime se izbjegavaju atmosferske distorzije. To, zajedno sa slikama visoke rezolucije i velikim vidnim poljem, znači da može promatrati mnoge slabe zvijezde, što su neizvedivi ciljevi za zemaljska ispitivanja mikrolezanja.

Jedan rad koji pokazuje ovu sposobnost su Penny i sur. 2018., analiza koja je izvršena prošle godine. Skupina je imala za cilj simulirati stope otkrivanja mikroleniranja vezanih planeta - to jest detekcije mikropodnošenja egzoplaneta koji orbitiraju oko zvijezda, a ne za samostalno lebdjenje u svemiru. Imali su nekoliko izazova s ​​kojima su se suočiti:

  • Dizajn WFIRST-a s vremenom se mijenjao, pa su trebali uzeti u obzir više prošlih postavljanja.
  • Prag osjetljivosti za detekciju nije u potpunosti dogovoren, čak ni za druga istraživanja mikroleziranja.
  • Binarne zvijezde mogu proizvesti puno lažnih pozitivnih rezultata, a jedna komponenta oponaša egzoplanet.

Prvo, Penny i sur. koristio program zvan GULLS za simulaciju neba pomoću sintetiziranih kataloga zvijezda i modela galaksije, pažljivo ograničavajući simulacije stvarnim vidnim poljima WFIRST-a. Morali su uključiti širok raspon svojstava zvijezda i planeta, što su i učinili pretpostavljanjem određenih masovnih funkcija - zakona koji predviđaju kako će se često u određenoj grupi pojaviti tijelo određene mase i odgovarajuća svojstva. Odatle su generirali događaje mikrolečenja i razmotrili koliko bi ih zapravo odgovaralo pragu otkrivanja teleskopa koristeći parametar zvan ∆χ², postavljen na 160. Ako je statistička količina poznata kao χ² ("chi-kvadrat") veća od 160 za s obzirom na događaj, računao se kao otkriće.

Simulacije su pokazale da WFIRST treba vidjeti stotinu ili više egzoplaneta mase Zemlje ili manje - ustvari, ukupno 200 manjih ili jednakih 3 mase Zemlje, na temelju trenutnog ("ciklus 7") WFIRST dizajna. Ukupno bi u prvom istraživanju mikrolektiranja trebalo pronaći 1400 egzoplaneta pomoću ove metode, što je mnogostruko više od trenutnog broja otkrivenog mikroleziranjem.

Slika 8, Penny i sur. Evo nekoliko rezultata simulacije temeljenih na različitim WFIRST dizajnom i funkcijama mase egzoplaneta. Čini se da je teleskop optimiziran za planete masa između Zemlje i Urana, uključujući super-Zemlje, hibridnu klasu zemaljskih objekata s gustom plinovitom atmosferom.

Sveukupno, simulacije pokazuju mnogo veću osjetljivost na egzoplanete u rasponu od 1–10 AU, s orbitalnim polumjerima sličnim Zemlji i Marsu. Također bismo trebali očekivati ​​da ćemo vidjeti određeni broj planeta Zemljine mase, koji nikada ranije nisu opaženi u ovom orbitalnom rasponu. To znači da će nam WFIRST moći pokazati planetarne sustave poput našeg, što Kepler i drugi svemirski teleskopi ne mogu. Značaj toga se ne može podcijeniti.

Slika 9, Penny i sur. Ovo je zaplet zbog kojeg biste trebali ići na

Sada, kao nadopuna mjerenja mikrolengiranja, WFIRST će također moći detektirati egzoplanete pomoću izravnog snimanja. Izravno snimanje je tehnika koja fotografira zvjezdani sustav, ali blokira svjetlost zvijezde, omogućavajući teleskopu da vidi slabije predmete u blizini. Iako je ovo najosjetljivije na tijela koja su nekoliko puta veća od Jupitera, ipak djeluje dobro za egzoplanete koji orbitiraju još dalje od njihovih zvijezda. Međutim, poput mikroleziranja, izravno je snimanje do sada imalo vrlo mali uspjeh.

Upotrebom izravnog snimanja, WFIRST-ov koronagraf trebao bi otkriti možda desetak egzoplaneta između 3 i 10 AU njihovih zvijezda. Do danas, izravno snimanje teleskopima na Zemlji nije uspjelo pronaći mnogo egzoplaneta u tom rasponu - još jedan razlog zašto je WFIRST pripremljen za pomicanje granica astronomije egzoplaneta.

Prolijeva svjetlost u tamu

U isto vrijeme kad je odlazila egzoplanetologija, tamna energija izvirala je na čelo moderne kozmologije. Krajem 1990-ih, High-Z-ov Supernova Search tim i Supernova Cosmology Project neovisno su izmjerili selekcije supernova tipa Ia - eksplodirali bijeli patuljci u binarnim sustavima. Očekuje se da će većina ovih supernova imati istu blistavost, što ih čini korisnim standardnim svijećama. Koristeći supernove iz tipa Ia za mjerenje recesijskih brzina galaksija, grupe su pružile jasne dokaze da se širenje svemira ubrzava - rezultat Nobelove nagrade.

Slike 4 i 5, Riess i sur. 1998. Ovi dijagrami crtaju module udaljenosti supernova tipa Ia u odnosu na njihove crvene pomake. Trend podatkovnih točaka ukazivao je na to da se svemir širi - i to brzinom ubrzavanja.

Astronomi vjeruju da je odgovorna tamna energija. Znamo da postoji svugdje i čini otprilike dvije trećine svemira, ali nitko ne zna što je to zapravo. Glavno svojstvo tamne energije kodirano je u njezinoj jednadžbi koja opisuje kako se tlak i gustoća međusobno odnose. Jednadžba uključuje ključnu veličinu koja se naziva jednadžba parametra stanja, w. To se zauzvrat može rastaviti u izraz koji uključuje dvije druge veličine, w₀ i wₐ, koje karakteriziraju trenutnu vrijednost w i njegovu evoluciju u vremenu. Promatrajući supernove na različitim udaljenostima, možemo izmjeriti obje količine.

Tim koji stoji iza WFIRST-a planirao je petogodišnju misiju za teleskop, koja uključuje šest mjeseci promatranja supernove koristeći instrument širokog polja. Ovo je relativno kratko vrijeme, tako da znanstvenici moraju biti što je moguće učinkovitiji. Skupina astronoma (Hounsell i sur. 2018.) odlučila je simulirati 11 različitih WFIRST tehnika promatranja kako bi pronašli optimalnu strategiju.

Slika 4, Hounsell i sur. 2018. Evo izbora simuliranih krivulja svjetlosti supernove kako se mogu vidjeti kroz nekoliko različitih filtera. Primjetite da nesigurnosti u mjerenjima znatno rastu kod velikih crvenih pomaka.

Trebao bih pojasniti što podrazumijevamo pod "strategijom". Na način na koji se ovdje koristi, pojam se odnosi na kolekciju filtara, instrument (širokokutni fotoaparat ili IFC-S spektrograf) i područja neba koja se ispituju. 11 različitih strategija koje je tim simulirao koristio je različite kombinacije gore navedenog. Na primjer, strategija Imaging: Lowz koristi samo WFC, kao i Y + J i J + H filtre.

Simulacije su uključivale softverski paket pod nazivom SNANA, koji je analizirao performanse svake strategije, kao i spektralni model SALT2, koji je korišten za generiranje populacija supernovae tipa Ia i njihovih svjetlosnih krivulja. Za dodavanje drugih sastojaka, poput kozmoloških parametara, korišteni su brojni drugi alati. Umjesto da karakterizira uspjeh svakog istraživanja prema broju otkrivenih supernova, tim je upotrijebio količinu koja se naziva lik zasluge (FoM). Što je viša FoM, to je strategija učinkovitija i točnija.

Na kraju su astronomi odabrali četiri strategije s najviše FoM-ova: SDT *, SDT * Highz, Imaging: Allz i Imaging: Highz *. Prve dvije su modifikacije izvorne predložene strategije od strane tima WFIRST Science Definition i koriste i IFC-S i WFC, dok su posljednja dva strategija samo za obradu slika i samo koriste kameru širokog polja. Svi bi trebali imati FoM vrijednosti - optimistički - između 338 i 369, što podrazumijeva standardna odstupanja pri mjerenjima w₀ i wₐ od oko 0,035 i 0,17. U usporedbi s trenutnim mjerenjima i nesigurnostima w₀ i wₐ (–0,91 ± 0,10 i –0,39 ± 0,34), ovo su značajna poboljšanja.

Slika 13, Hounsell i sur. 2018. Intervali pouzdanosti za četiri odabrane strategije puno su bolji od intervala pouzdanosti proizvedenih drugim metodama (poput proučavanja barijenskih akustičkih oscilacija u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini) ili čak prema originalnoj strategiji koju je predložio WFIRST tim.

Bez obzira na korištenu strategiju promatranja, očekujemo da ćemo vidjeti dobre rezultate od WFIRST-a na fronti tamne energije - mnogo bolje nego što je to pronađeno drugim metodama. Ako se WFIRST tim odluči uzeti simulacije od Hounsell i sur. Međutim, imat ćemo još bolja ograničenja - a to je samo kroz promatranje supernove! WFIRST također ima potencijal postavljanja dodatnih ograničenja na ove parametre promatrajući kako se galaksije redaju na nebu, pomažući nam da shvatimo raspodjelu mase u svemiru i samim tim kako tamna energija oblikuje kozmos.

Zašto je WFIRST teleskop za to?

Vratimo se tamo gdje smo započeli i postavimo ključno pitanje: Ako imamo James Webb svemirski teleskop (JWST) spreman za lansiranje za nekoliko godina, zašto nam treba istovremeno napraviti još jedan skupi projekt? Zašto JWST također ne može vršiti mjerenja mikrolektiranja ili promatrati supernove daleko da nam pomognu da shvatimo prirodu tamne energije? Uostalom, smatra se nasljednikom svemirskog teleskopa Hubble, stupa svemirskih promatranja gotovo tri desetljeća.

Pa, WFIRST je posebno dizajniran za dva glavna opisa koja sam gore opisao: promatranje superlečenja i tip Ia supernova. Kako je Penny sam rekao, jedna od prednosti koju je imao u odnosu na JWST - ili bilo koji drugi svemirski teleskop do sada - je da ima i visoku rezoluciju i veliko vidno polje. Ne znamo kada bi se mogao dogoditi događaj mikrolektiranja, pa moramo gledati veće dijelove neba. Zahvaljujući velikom vidnom polju, iako je u mogućnosti prikupiti visokokvalitetne podatke, razdvaja se WFIRST. Ista logika vrijedi i za istraživanje tamne energije. JWST će moći vidjeti slabije i udaljenije supernove od WFIRST-a, dijelom i zato što je osjetljiv na veće valne duljine svjetlosti, ali veliko polje WFIRST-a čini ga mnogo boljim alatom za proučavanje populacije supernove u cjelini.

Umjetnikov dojam James Webb svemirskog teleskopa. JWST može biti jedan od najuzbudljivijih instrumenata koji dolaze u narednih nekoliko godina, ali tako je i WFIRST - a dva su vrlo različita teleskopa. Kreditna slika: NASA

Ne zaboravimo i staru poslovicu da su dva teleskopa bolja od jednog. Sjetite se zašto je proučavanje strategije supernove na prvom mjestu bilo važno: vrijeme koje joj se WFIRST može posvetiti izuzetno je ograničeno - možda samo šest mjeseci! Svemirski teleskop James Webb, sa mogućnostima nove generacije za proučavanje atmosfere egzoplaneta i protogalaksije, bit će izuzetno zauzet jer nije preuzeo monumentalne probleme koji WFIRST želi osvijetliti više.

Predviđanja koja sam ovdje objasnio - WFIRST može otkriti 1400 egzoplaneta putem gravitacijskog mikrolektiranja i pružiti tijesne granice karakteristika tamne energije - nisu moja. Oni su rezultat pažljivih simulacija astronoma koji intimno poznaju teleskop. Pa kad čujete zanosnu znanstveničku obranu zašto nam je potreban da ovaj teleskop ostane živ - pa, znate zašto su toliko uložili u njega.

2020. će biti još jedno uzbudljivo desetljeće za astronomiju. Vidjet ću te tamo.