Redaktörens anmärkning - Vetenskapsjournalist och författare Bruce Dorminey talade med två forskare från NASA om möjligheten att montera ett teleskop på ett rymdskepp för ett yttre planetsuppdrag.
Ljusföroreningar i vårt inre solsystem, från både den närliggande solens glöd och den dimmiga stjärnskölden från damm som markas upp i asteroidbältet, har länge fördjupade kosmologer som letar efter ett tydligare tag på det tidiga universum.
Men ett team på NASA, JPL och Caltech har undersökt möjligheten att hissa ett optiskt teleskop till en undersökning av rymdskepp på uppdrag till det yttre solsystemet.
Flyr från vårt inre solsystem förorenade lila dis
Tanken är att använda det optiska teleskopet i kryssningsfas för att få ett bättre grepp på extragalaktisk bakgrundsbelysning; det vill säga det kombinerade optiska bakgrundsbelysningen från alla källor i universum. De ser för sig teleskopets användbarhet för att sparka in cirka 5 astronomiska enheter (AU), om avståndet till Jupiters bana. Teamet vill sedan korrelera sina data med markbaserade observationer.
Ett mål är att belysa det tidiga universums epok av rejonisering. Reionisering hänvisar till den tid då ultraviolett (UV) strålning från universums första stjärnor joniserade det intergalaktiska mediet (IGM) genom att strippa elektroner från IGM: s gasatomer eller molekyler. Denna period av återjonisering tros ha ägt rum senast 450 miljoner år efter Big Bang.
ZEBRA, Zodiacal dust, Extragalactic Background and Reionization Apparatus, är ett NASA-JPL-koncept som kräver ett teleskop på 40 miljoner dollar som består av tre optiska / nära-infraröda instrument; bestående av en 3 cm bredfältskartare och en 15 cm högupplösta bilder. NASA har dock ännu inte valt ZEBRA-förslaget för ett av sina uppdrag.
Men för att lära sig mer talade vi med ZEBRA-konceptets bly- och instrumentkosmolog Jamie Bock och astronomen Charles Beichman, båda från NASA JPL och Caltech.
Dorminey: Vad är zodiacal light?
Beichman: Det är en ljus källa till diffust ljus i vårt eget solsystem från dammkorn som släpper ut eftersom de har värmts upp av solen och strålar av sig själva
eller reflektera solljus. Om du går ut på ett mycket klart mörkt månlöst ljus, kan du se bandets ljus från detta damm. Den följer ekliptikens plan. Det dammet har mestadels sitt ursprung i materialet i asteroidbältet som mals upp i små partiklar efter någon stor kollision.
Dorminey: Vad skulle komma förbi detta stjärntyg damm betyda för observationer?
Beichman: Tänk dig att sitta i Los Angeles-bassängen så har du all denna smog och dis och du vill mäta hur klart luften är ute vid Palm Springs. Du måste kunna subtrahera allt dis mellan här och där och det finns bara inget sätt att göra det med någon noggrannhet. Du måste köra ut ur bassängen för att komma ur smog.
Dorminey: Hur skulle detta hjälpa till att studera denna extragalaktiska bakgrund?
Bock: Extragalactic Background Light (EBL) mäter den totala energitätheten för ljus som kommer utanför vår galax. Detta ljus ger summan av energin som produceras av stjärnor och galaxer och andra källor över den kosmiska tidens historia. Den totala bakgrunden kan användas för att kontrollera om vi förstår galaxernas formationshistoria korrekt. Vi förväntar oss att en del av bakgrundsbelysningen från de första stjärnorna har ett distinkt spektrum som toppar sig i det nära-infraröda; detta kan berätta för oss hur ljus och hur lång epoken var när de första stjärnorna bildades. Tyvärr är zodiakljus mycket ljusare än denna bakgrund. Men genom att gå till Jupiters bana är zodiakaljuset 30 gånger svagare än på jorden, och vid Saturns bana är det 100 gånger svagtare.
Dorminey: Skulle du behöva haka på ett NASA-uppdrag eller kan det vara ett partnerskap med en annan rymdorganisation, till exempel ESA?
Bock: Vi har undersökt det billigaste tillvägagångssättet i samarbete med ett NASA-planetuppdrag. Men vi kunde samarbeta med en annan rymdbyrå. Den europeiska Jupiter Icy Moons Explorer (tidigare JGO) tävlar nu om nästa L-klassuppdrag i början av 2020-talet och är en attraktiv möjlighet för ett bidraget kryssfasvetenskapligt instrument. Varje strategi har en annan kostnads- och partnerskapsmiljö.
Dorminey: Är EBL-teleskopets främsta drivkraft att komma bortom zodiakdammet eller erbjuder 5 AU också en observationsfördel när det gäller att uppnå svaghet i storleken?
Bock: Det finns en observerande fördel på grund av [mörkare solsystem] bakgrund. Med ett så litet teleskop försöker vi inte utnyttja denna fördel, men framtida observatorier skulle kunna göra det. Vi kommer att mäta zodiakens ljusstyrka till Jupiter och därefter, och detta kan motivera astronomiska observationer med teleskop i det yttre solsystemet i framtiden.
Dorminey: Vilken typ av data downlink-utmaningar skulle du stöta på?
Bock: Datakraven är kanske mindre än man först kan förvänta sig, eftersom våra bilder erhålls med långa [observations] integrationer med måttlig rumslig upplösning. För det planetförslag som vi studerade i detalj var den totala datavolymen 230 gigabyte, varvid cirka 65 procent av dessa data returnerades från Jupiter och ut till Saturnus. Teleskoppekningarna fungerar autonomt.
Dorminey: Hur är det med strålning från Jupiter som stör störningar i optik och CCD-kameror i teleskopet?
Beichman: Vad du skulle göra är att sluta göra EBL-observationerna när du är nära Jupiter. Strålningsproblemen är betydande, så du skulle bara göra observationer före och efter att du passerat Jupiter.
Dorminey: Vad skulle dina instrument göra som NASA: s planerade James Webb Space Telescope (JWST) inte skulle göra?
Bock: JWST kommer sannolikt att upptäcka de ljusaste första galaxerna, och beroende på exakt hur galaxer som bildas, kommer att sakna större delen av den totala strålningen på grund av bidraget från många svaga galaxer. Att mäta den extragalaktiska bakgrunden ger den totala strålningen från alla galaxerna och ger den totala energin. Dessutom behöver vi inte ett stort teleskop; 15 cm är tillräckligt.
Dorminey: Vad sägs om planetvetenskap med teleskopet?
Bock: Vårt instrument är specialiserat på att göra mätningar med låg ytljusstyrka. Vi gjorde specifika designval för att kartlägga zodiakens dammmoln från det inre till det yttre solsystemet. En tredimensionell vy låter oss spåra ursprunget till interstellärt damm till kometer och asteroidkollisioner. Vi vet att det finns Kuiper-bälteobjekt bortom Neptuns omloppsbana, och det är troligt att det också finns damm associerat med dem.
Dorminey: Hur länge skulle detta teleskop fungera?
Bock: Efter det att de främsta observationerna har slutförts skulle det säkert vara möjligt att det ursprungliga teamet eller en extern part skulle kunna föreslå att använda teleskopet. Ett spännande vetenskapssak är parallaxa observationer av mikrolinser; observationer som använder parallaxen mellan jorden och Saturnus för att studera påverkan av exo-planeter som kretsar runt stjärnorna som producerar en mikro-linshändelse. Andra vetenskapsmöjligheter inkluderar kartor över Kuiper-bältet i det nära-infraröda; stellar ockultationer av Kuiper Belt Objects; och kartlägga fler EBL-fält för jämförelse med andra undersökningar.
Dorminey: Hur skulle teleskopets initiala observationer potentiellt skaka upp teoretisk kosmologi?
Beichman: När du gör en mätning som är en faktor som är hundra gånger bättre än tidigare får du alltid en överraskning.
