När det tar utrymme 2025, kommer Infrarött undersökningsteleskop med bred fält (WFIRST) kommer att vara det mest kraftfulla observatorium som någonsin har utsetts, och lyckas med det värdiga Hubble och Spitzer rymdteleskop. Lita på en unik kombination av hög upplösning med ett brett synfält kommer WFIRST att kunna fånga motsvarigheten 100 Hubble-kvalitetsbilder med en enda bild och kartlägga natthimlen med 1 000 gånger hastigheten.
Som förberedelse för denna betydelsefulla händelse har astronomer vid NASA: s Goddard Space Flight Center kört simuleringar för att demonstrera vad WFIRST kommer att kunna se så att de kan planera sina observationer. För att ge tittarna en förhandsgranskning av hur detta skulle se ut har NASAs Goddard Space Flight Center delat en video som simulerar WFIRST som genomför en undersökning av den angränsande Andromeda Galaxy (M31).
Simuleringen, som presenterades den här veckan vid det 235: e mötet i American Astronomical Society (ASS) i Honululu, förlitar sig på data som erhållits av Hubble under hundratals observationer av Andromeda. På detta sätt ger simuleringen tittarna en förhandsgranskning av den stora vidsträckningen och fina detaljer som WFIRST kan ge med en enda bild.
Det simulerade skottet täcker ett område i rymden som mäter 34 000 ljusår över och visar det röda och infraröda ljuset från över 50 miljoner enskilda stjärnor. Med den här typen av bildkraft kunde WFIRST på några månader undersöka så mycket av himlen i det nästan infraröda spektrumet som Hubble gjorde under tre decennier - och i lika mycket detalj.
Elisa Quintana, WFIRSTs vice projektforskare för kommunikation vid NASA: s Goddard Space Flight Center, är övertygad om att WFIRST kommer att leda till en revolution inom astrofysik. Som hon sade i ett nyligen pressmeddelande från NASA:
”För att svara på grundläggande frågor som: Hur vanligt är planeter som de i vårt solsystem? Hur bildar, utvecklas och interagerar galaxer? Exakt hur - och varför - har universums expansionsgrad förändrats över tid? Vi behöver ett verktyg som kan ge oss både en bred och detaljerad bild av himlen. WFIRST kommer att vara det verktyget. ”
De 18 bilderna som visas i simuleringen representerar en exakt bild av vad WFIRST kommer att se med varje pekning och bild. Med sina 18 detektorer, som var och en mäter 4096 x 4096 pixlar, kommer WFIRST att täcka ett område ungefär 1? gånger den för en fullmåne med varje pekning - medan enskilda Hubble-bilder täcker ett område som är mindre än 1% av fullmånens area.
Förutom dess bildfunktioner finns det också den extraordinära undersökningshastigheten som WFIRST kommer att erbjuda, vilket är resultatet av dess breda synfält. Genom att kunna övervaka ett större område i en enda pekning och snabbt växla från ett fält till ett annat kommer missionsgruppen inte att behöva gå igenom den mödosamma processen att bli omuppställd varje gång de vill undersöka ett nytt fält.
En annan faktor är den omloppsbana som WFIRST kommer att uppta, vilket ger en bild av rymden som i allmänhet är obehindrad av jorden. medan HubbleLow Earth Orbit (LEO) på cirka 560 km (350 mi) innebar att det ofta kunde samla in data för bara hälften av sin omloppsperiod, WFIRST kommer att ligga i en bred bana på cirka 1,6 miljoner km (1 miljon mi) . På det här avståndet kommer det att kunna göra observationer på nästan kontinuerligt sätt.
Ben Williams, en astronom vid University of Washington i Seattle, var ansvarig för att generera den simulerade datauppsättningen för denna bild. Som han förklarade kommer WFIRST att ge en värdefull möjlighet att förstå stora närliggande föremål som Andromeda, som annars är extremt tidskrävande att bilda eftersom de tar upp en så stor del av himlen:
”Vi har spenderat de senaste decennierna med att få bilder i hög upplösning i små delar av närliggande galaxer. Med Hubble får du dessa riktigt lockande glimtar från mycket komplexa närliggande system. Med WFIRST kan du plötsligt täcka hela saken utan att spendera mycket tid. "
I grund och botten kommer förmågan att fånga bilder av ett så stort område att ge astronomer det sammanhang de behöver för att förstå hur stjärnor bildas och hur galaxer förändras över tid. I stort sett kommer ett brett synfält att göra det möjligt för astronomer att inte bara studera enskilda stjärnor eller galaxer utan också strukturerna som de bor och den omgivande miljön.
Med denna nivå av teknik och kapacitet till sitt förfogande ser uppdragsansvariga fram emot att samla in enorma mängder data om kosmos. Under det femåriga planerade uppdraget förväntas WFIRST samla mer än 20 petabyte information om tusentals planeter, miljarder stjärnor och miljoner galaxer. Dessa data kommer att användas för att ta itu med de grundläggande frågorna i kosmos och lagarna som reglerar den.
Dessa inkluderar huruvida kosmisk expansion beror på en mystisk, osynlig kraft (alias Dark Energy) eller en uppdelning av den allmänna relativiteten på kosmologiska skalor; när de första galaxerna dök upp i universum och hur de sedan dess har utvecklats; och huruvida planeter utanför vårt solsystem (extrasolära planeter) har tillräckliga atmosfärer och nödvändiga förhållanden på sina ytor för att stödja liv.
Julianne Dalcanton, professor i astronomi vid University of Washington, ledde programmet Panchromatic Hubble Andromeda Treasury (PHAT) som de simulerade uppgifterna är baserade på. Som hon förklarade har kombinationen av WFIRST: s ultra-telefoto och super vidvinkelfunktioner (som visat med deras simulering) potentialen att bli banbrytande:
”PHAT-undersökningen av Andromeda var en enorm investering i tid, som krävde noggrann motivering och tanke. Den här nya simuleringen visar hur lätt en motsvarande observation kan vara för WFIRST. ”
När den väl är i drift kommer WFIRST att spendera en betydande del av sin tid på att övervaka hundratusentals avlägsna galaxer för supernovaexplosioner, som kan användas för att studera Dark Energy och universums expansion. Den kommer också att använda den här tiden för att kartlägga galaxernas former och fördelningar för att bättre förstå hur universum har utvecklats under nästan 14 miljarder år sedan Big Bang.
WFIRST kommer också att övervaka ljusstyrkan för miljarder stjärnor i Vintergatan för att vara på jakt efter möjliga mikrolenseringshändelser. Dessa inträffar när planeter passerar mellan deras stjärna och observatören och tillfälligt förstärker stjärnans ljus. Med sin högupplösta förväntas WFIRST upptäcka många exoplaneter som är små, långt ifrån deras stjärna och rogue planeter - och därmed spela en viktig roll för att slutföra folkräkningen för exoplaneter.
WFIRST kommer också att fungera som en teknikdemonstrator genom att bära en krigsavsnitt, ett instrument som är utformat för att blockera ljuset från en stjärna så att planeter som kretsar kring den kan direkt avbildas och karakteriseras. I en annan första kommer informationen som samlats in av WFIRST att vara öppen åtkomst och omedelbart tillgänglig för allmänheten. Enligt Dalcanton är detta en av de viktigaste aspekterna av uppdraget.
"Tusentals sinnen från hela världen kommer att kunna tänka på den informationen och komma med nya sätt att använda den," sa hon. "Det är svårt att förutse vad WFIRST-uppgifterna kommer att låsa upp, men jag vet att ju fler människor vi tittar på det, desto större upptäcktshastighet."
För att komplettera allt kommer WFIRST-uppdraget att komplettera observatorier som redan finns i rymden. Dessa inkluderar NASA: s Hubble och den James Webb rymdteleskop (som också kommer att genomföra omfattande undersökningar i nära-infraröd), liksom ESA: s Euclid uppdrag - som kommer att mäta hastigheten med vilken universum expanderar för att bestämma den roll som Dark Matter och Dark Energy spelar.
Som Karoline Gilbert, WFIRST Mission Scientist vid Space Telescope Science Institute (STSI) i Baltimore, Maryland, uttryckte det:
”Med hundra gånger synfältet från Hubble och förmågan att snabbt undersöka himlen kommer WFIRST att vara ett extremt kraftfullt upptäcktsverktyg. Webb, som är 100 gånger mer känsligt och kan se djupare in i det infraröda, kommer att kunna observera de sällsynta astronomiska föremål som upptäckts av WFIRST i utsökt detalj. Under tiden kommer Hubble att fortsätta att ge en unik bild av det optiska och ultravioletta ljuset som släpps ut av de föremål som WFIRST upptäcker, och Webb följer upp. ”
2020-talet formar sig för att bli en mycket spännande tid för astronomer och rymdutforskare. Bortsett från nästa generations mark- och rymdteleskop som kommer att gå i tjänst är ett antal uppdrag avsedda att gå till månen, till Mars och det yttre solsystemet. Om universums mysterier och allt som ligger inom det kan liknas med en lök, är det säkert att flera lager skalas tillbaka under det här decenniet!
Den simulerade bilden presenteras vid det 235: e mötet i American Astronomical Society i Honolulu, Hawaii.
