Vi människor har en omättlig hunger efter att förstå universum. Som Carl Sagan sa: "Förståelse är extas." Men för att förstå universum behöver vi bättre och bättre sätt att observera det. Och det betyder en sak: stora, enorma, enorma teleskop.
I den här serien tittar vi på världens kommande superteleskop:
- The Giant Magellan Telescope
- Det överväldigande stora teleskopet
- Det 30 meter teleskopet
- Det europeiska extremt stora teleskopet
- Det stora synoptiska undersökningsteleskopet
- James Webb rymdteleskop
- Det breda fältet Infrarött undersökningsteleskop
Det är lätt att glömma inverkan som Hubble Space Telescope har haft på vårt kunskapstillstånd om universum. Det kan faktiskt vara den bästa mätningen av dess framgång: Vi tar Hubble, och allt vi har lärt oss av det, för givet nu. Men andra rymdteleskoper håller på att utvecklas, inklusive WFIRST, som kommer att vara mycket kraftigare än Hubble. Hur långt kommer dessa teleskop att utöka vår förståelse för universum?
"WFIRST har potentialen att öppna våra ögon för universums underverk, ungefär på samma sätt som Hubble har." - John Grunsfeld, NASA: s vetenskapliga uppdrag direktorat
WFIRST kan vara den verkliga efterföljaren till Hubble, även om James Webb Space Telescope (JWST) ofta utpekas som sådan. Men det kan vara felaktigt att till och med kalla WFIRST ett teleskop; det är mer exakt att kalla det ett astrofysikobservatorium. Det beror på att ett av dess primära vetenskapliga mål är att studera Dark Energy, den ganska mystiska kraften som driver universums expansion och Dark Matter, den svår att upptäcka materien som bromsar den expansionen.
WFIRST kommer att ha en spegel på 2,4 meter, i samma storlek som Hubble. Men den kommer att ha en kamera som kommer att utöka kraften i den spegeln. Wide Field Instrument är en 288-megapixel multi-band nära-infraröd kamera. När den är igång kommer den att fånga bilder som är lika skarpa som från Hubble. Men det finns en enorm skillnad: Wide Field Instrument kommer att fånga bilder som täcker mer än 100 gånger himlen som Hubble gör.
Vid sidan av det breda fältinstrumentet kommer WFIRST att ha Coronagraphic-instrumentet. Coronagraphic Instrument kommer att främja studien av exoplaneter. Det kommer att använda ett system med filter och masker för att blockera ljuset från andra stjärnor och finslipa på planeter som kretsar kring stjärnorna. Detta kommer att möjliggöra en mycket detaljerad studie av atmosfärerna av exoplaneter, ett av de viktigaste sätten att fastställa bebodighet.
WFIRST är planerad att lanseras 2025, även om det är för tidigt att ha ett exakt datum. Men när den lanseras är planen att WFIRST ska resa till Sun-Earth LaGrange Point 2 (L2.) L2 är en gravitationellt balanserad punkt i rymden där WFIRST kan göra sitt arbete utan avbrott. Uppdraget kommer att pågå i cirka sex år.
"WFIRST har potentialen att öppna våra ögon för universums underverk, ungefär på samma sätt som Hubble har," sade John Grunsfeld, astronaut och associerad administratör av NASA: s Science Mission Directorate vid huvudkontoret i Washington. "Detta uppdrag kombinerar unikt förmågan att upptäcka och karakterisera planeter utöver vårt eget solsystem med känsligheten och optiken för att titta bredt och djupt in i universum i en strävan att upptäcka mysterierna om mörk energi och mörk materia."
Sammanfattningsvis finns det två förslag på vad Dark Energy kan vara. Den första är den kosmologiska konstanten, där Dark Energy är enhetlig i hela kosmos. Den andra är vad som kallas skalfält, där densiteten för Dark Energy kan variera i tid och rum.
Sedan 1990-talet har observationer visat oss att universumets expansion expanderar. Denna acceleration startade för cirka 5 miljarder år sedan. Vi tror att Dark Energy är ansvarig för den snabbare expansionen. Genom att tillhandahålla så stora, detaljerade bilder av kosmos kommer WFIRST att låta astronomer kartlägga expansion över tid och över stora områden. WFIRST kommer också att exakt mäta former, positioner och avstånd för miljoner galaxer för att spåra fördelningen och tillväxten av kosmiska strukturer, inklusive galaxkluster och Dark Matter som följer med dem. Förhoppningen är att detta kommer att ge oss en nästa nivå av förståelse när det gäller Dark Energy.
Om det låter för komplicerat, titta på det här sättet: Vi vet att universum expanderar och vi vet att expansionen accelererar. Vi vill veta varför det expanderar och hur. Vi har gett namnet 'Dark Energy' till kraften som driver den utvidgningen, och nu vill vi veta mer om den.
Mörk energi och universums expansion är ett enormt mysterium och en fråga som driver kosmologer. (De vill verkligen veta hur universum kommer att sluta!) Men för många av oss andra är en annan fråga ännu mer övertygande: Är vi ensamma i universum?
Det kommer inte att finnas något snabbt svar på det, men alla svar vi hittar börjar med att studera exoplaneter, och det är något som WFIRST också kommer att utmärka sig vid.
"WFIRST är utformat för att ta itu med vetenskapsområden som identifierats som högsta prioriteringar av det astronomiska samhället," sa Paul Hertz, chef för NASA: s astrofysikavdelning i Washington. ”Bredfältinstrumentet ger teleskopet möjligheten att fånga en enda bild med djupet och kvaliteten på Hubble, men täcker 100 gånger området. Bestämmelsen kommer att tillhandahålla revolutionerande vetenskap, fånga de svaga, men direkta bilderna av avlägsna gasformiga världar och superjordar. ”
"Rättelsen kommer att ge revolutionär vetenskap, fånga de svaga, men direkta bilder av avlägsna gasformiga världar och superjordar." - Paul Hertz, NASA: s astrofysikavdelning
Svårigheten med att studera exoplaneter är att de alla kretsar runt stjärnor. Stjärnor är så ljusa att de gör det omöjligt att se sina planeter i detalj. Det är som att stirra in i en fyr mil bort och försöka studera ett kryp nära fyren.
Coronagraphic-instrumentet ombord på WFIRST kommer att utmärka sig för att blockera ljuset från avlägsna stjärnor. Det gör det med ett system med speglar och masker. Det är detta som gör det möjligt att studera exoplaneter. Först när ljuset från stjärnan hanteras kan exoplaneternas egenskaper undersökas.
Detta möjliggör detaljerade mätningar av den kemiska sammansättningen i en exoplanetts atmosfär. Genom att göra detta över tusentals planeter, kan vi börja förstå bildandet av planeter runt olika typer av stjärnor. Det finns dock vissa begränsningar för Coronagraphic-instrumentet.
Coronagraphic Instrument var ett slags sen tillägg till WFIRST. En del av den andra instrumenteringen på WFIRST är inte optimerad för att arbeta med den, så det finns vissa begränsningar för dess funktion. Det kommer bara att kunna studera gasjättar och så kallade Super-Earths. Dessa större planeter kräver inte så mycket finess för att studera, helt enkelt på grund av deras storlek. Jordliknande världar kommer sannolikt att ligga utanför kraften i Coronagraphic Instrument.
Dessa begränsningar är inte så stora saker på lång sikt. Coronagraph är faktiskt mer en teknologidemonstration, och det representerar inte slutspelet för exoplanetstudie. Vad som än lärs av detta instrument kommer att hjälpa oss i framtiden. Det kommer att bli en eventuell efterföljare till WFIRST en dag, kanske årtionden från och med nu, och vid den tiden kommer Coronagraph-tekniken att ha avancerat mycket. Vid den framtida tiden kan direkta ögonblicksbilder av jordliknande exoplaneter mycket väl vara möjliga.
Men kanske behöver vi inte vänta så länge.
Det finns en plan för att öka effektiviteten i Coronagraph på WFIRST som skulle göra det möjligt att avbilda jordliknande planeter. Det kallas EXO-S Starshade.
EXO-S Starshade är ett utskjutbart skuggningssystem med en diameter på 34 meter som kommer att hindra stjärnljus från att försämra funktionen hos WFIRST. Det skulle faktiskt vara ett separat hantverk, lanserat separat och skickat på väg till mötet med WFIRST på L2. Det skulle inte vara bundet, utan skulle orientera sig med WFIRST genom ett system med kameror och styrljus. I själva verket är en del av kraften i Starshade att den skulle vara cirka 40 000 till 50 000 km från WFIRST.
Dark Energy och Exoplanets är prioriteringar för WFIRST, men det finns alltid andra upptäckter som väntar på bättre teleskop. Det är inte möjligt att förutsäga allt vi lär oss av WFIRST. Med bilder lika detaljerade som Hubbles, men 100 gånger större, är vi med på några överraskningar.
"Detta uppdrag kommer att undersöka universum för att hitta de mest intressanta föremål där ute." - Neil Gehrels, WFIRST projektforskare
"Förutom sina spännande förmågor för mörk energi och exoplaneter, kommer WFIRST att tillhandahålla en skattkälla med utsökt data för alla astronomer," sa Neil Gehrels, WFIRST-projektforskare vid NASA: s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Detta uppdrag kommer att undersöka universum för att hitta de mest intressanta föremål där ute."
Med alla superteleskop som kommer på nätet under de närmaste åren kan vi förvänta oss några fantastiska upptäckter. Om 10 till 20 år kommer vår kunskap att utvecklas avsevärt. Vad ska vi lära oss om Dark Matter och Dark Energy? Vad kommer vi att veta om exoplanetpopulationer?
Just nu verkar det som om vi bara famlar mot en bättre förståelse av dessa saker, men med WFIRST och de andra superteleskopen är vi redo för en mer målmedveten studie.
