Ето какво ще намери WFIRST - ако успеем да го запишем.

Симулациите показват, че космическият телескоп от ново поколение ще бъде наистина изключителен.

Този понеделник Белият дом пусна предложения бюджет за фискалната 2020 година, в който подробно се финансират редица федерални агенции, включително НАСА. Бюджетът предлага нетни съкращения в размер на 481 милиона долара за космическата агенция, включително напълно съкращаване на потресаващите 381 милиона долара финансиране за широколентовия инфрачервен анкетен телескоп или WFIRST, планирано да стартира в средата на 2020-те. Това е втора поредна година администрацията се опита да убие космическия телескоп, който беше спасен миналата година само от Конгреса.

По-стара предложена версия на WFIRST от далечната 2019 г. Оттогава телескопът премина през няколко повторения, тъй като целите му за наука се промениха. Кредит за изображение: НАСА.

Както се очаква, стратагемът, оправдан от надпреварата за надвишаване на разходите от космическия телескоп на Джеймс Уеб, беше посрещнат със значително противопоставяне на астрономите, които смятат WFIRST за един от основните приоритети на НАСА през следващото десетилетие. Те твърдят, че спирането на шестгодишния проект би било удар за астрономията в две основни области:

  • Екзопланета астрономия, която ще се възползва от революционните перспективи на WFIRST за откриване на нови светове чрез гравитационно микросензиране и директно изобразяване.
  • Космология, която ще получи измервания на плътността, еволюцията и фундаменталния характер на тъмната енергия чрез проучванията на галактиката и свръхновата на WFIRST.

Не е изненадващо, че учените са заинтересовани да получат количествени идеи за резултатите, които се надяват да получат от WFIRST, и през последните няколко години бяха направени подробни симулации в опит да се определи точно какво ще намери. За да разбера само защо оцеляването на WFIRST е толкова голяма работа, нека ви заведа на едно от тези симулации на това, което може да ни донесе 2020-те години.

Преди да стигнем до там обаче, трябва да ви разкажа малко за космическия кораб, за който говорим. WFIRST разполага с 2.4-метров телескоп, проектиран да разпознава инфрачервена светлина; той е със същия размер като космическия телескоп Хъбъл и може да наблюдава при много същите дължини на вълната. Той вероятно ще орбитира на място, наречено втората точка на Лагранж Слънце-Земя, разположена отвъд нощната страна на Земята.

Диаграма на коронаграфа на WFIRST, показваща неговия охлаждащ радиатор, спектрограф и други ключови компоненти. Кредитно изображение: НАСА / Център за космически полети на Годард.

Към телескопа са прикрепени двата инструмента, които правят WFIRST толкова важен: подходящо нареченият инструмент за широко поле (WFI), който ще даде на обсерваторията голямо поле за зрение за изображения и спектроскопични наблюдения, и Коронаграфският инструмент, който също има подобни изображения и спектроскопични възможности, но с малко зрително поле и могат да блокират светлината на звездите, за да виждат всякакви мъгливи екзопланети, които ги обикалят.

Заедно тези инструменти, работещи натоварено на космически кораб на 1,5 мили мили от Земята, ще осигурят напредък в две бързорастящи полета: екзопланети и тъмна енергия. Сега, нека да видим какво астрономите смятат, че ще намерят - и разгледаме някои актуални симулации.

Намиране на екзопланети чрез нов тип леща

Последните 25 години се оказаха благоприятни за екзопланетарната астрономия. След първото потвърдено откриване на екзопланета през 1992 г., астрономите са открили изумителните 4000 екзопланети около около 3 000 звезди, като много други очакват потвърждение. Тези планети до голяма степен са открити чрез две основни техники:

  • Методът на радиална скорост, който използва спектроскопия за откриване на смущения при движение на звезда, причинено от орбитална екзопланета.
  • Методът на транзит, който търси спадове в яркостта на звездата, когато екзопланета преминава между звездата и Земята.

Макар и двете дават невероятно голям брой нови светове, и двете са пристрастни към намирането на планети, големи, масивни и близки до техните звезди-домакини. Съществуват и други методи, които намаляват това пристрастие, като гравитационното микролениране. Микролензирането се основава на принципа, че масивен обект изкривява пространство-време и следователно лъчи светлина, пътуващи през Вселената. Това означава, че една звезда трябва да изкривява светлината на фоновите звезди - и всяка планета, която я обикаля, трябва да допринесе за изкривяването. Оказва се, че тези отклонения са измерими! Тази техника всъщност е доста добра за намиране на екзопланети с ниска маса в орбитални радиуси като земната, но в идеалния случай се нуждае от телескопи с висока разделителна способност и ясно небе. Досега много малко екзопланети са открити с помощта на микросензиране.

Впечатление на един художник от OGLE-2005-BLG-390Lb, екзопланета, открита чрез гравитационно микролентиране през 2005 г. Кредитно изображение: ESO, по лиценз Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

WFIRST има потенциал да промени всичко това. Едно от предимствата на WFIRST пред по-старите проучвания за микросензирането е, че то ще бъде в космоса, което избягва атмосферните изкривявания. Това, в съчетание с изображението с висока разделителна способност и голямо зрително поле, означава, че може да наблюдава много слаби звезди, които са неизпълнени цели за наземни микролензинг проучвания.

Един документ, който демонстрира тази способност, е Penny et al. 2018 г., анализ, който беше извършен миналата година. Групата има за цел да симулира степента на откриване на събитията в микропланирането на обвързана планета - тоест детектиране на микролегиране от екзопланети, които обикалят около орбитите на звездите, а не сами да плуват в космоса. Те имаха няколко предизвикателства да се справят с:

  • Дизайнът на WFIRST се променя с течение на времето, така че те трябва да вземат предвид множество предишни настройки.
  • Прагът на чувствителност за откриване не е напълно съгласуван, дори и за други микролензинг изследвания.
  • Двоичните звезди могат да произведат множество фалшиви позитиви, като един компонент имитира екзопланета.

Първо, Penny et al. използва програма, наречена GULLS, за да симулира небето, използвайки синтезирани звездни каталози и модел на галактиката, като внимателно ограничава симулациите до действителните зрителни полета на WFIRST. Те трябваше да включват широк спектър от свойства на звезди и планети, което направиха, като поемат определени масивни функции - закони, които предсказват колко често дадено тяло с определена маса и съответните свойства ще се показват в набор от данни. Оттам те генерираха микросенсионни събития и прецениха колко в действителност ще съответстват на прага на детектиране на телескопа, използвайки параметър, наречен ∆χ², зададен на 160. Ако статистическото количество, известно като χ² („chi-квадрат“), беше по-голямо от 160 за дадено събитие, то се отчита като откриване.

Симулациите показаха, че WFIRST трябва да вижда сто или повече екзопланети от масата на Земята или по-малко - всъщност общо 200 по-малко или равно на 3 земни маси, въз основа на текущия („Цикъл 7“) WFIRST дизайн. Като цяло първото изследване за микросензиране трябва да открие 1400 екзопланети, използвайки метода, многократно повече от текущото число, открито чрез микросензирането.

Фигура 8, Penny et al. Ето редица резултати от симулацията, базирани на различни WFIRST дизайни и функции на масата на екзопланетите. Телескопът изглежда оптимизиран за планети от маси между Земята и Уран, включително суперземли, хибриден клас наземни обекти с плътна газообразна атмосфера.

Като цяло симулациите показват много по-голяма чувствителност към екзопланети в обхвата 1–10 AU с орбитални радиуси, подобни на Земята и Марс. Трябва също да очакваме да видим редица планети земна маса, които никога досега не са били наблюдавани в този орбитален обхват. Това означава, че WFIRST може да ни покаже планетарни системи като нашите собствени, нещо, което Кеплер и други космически телескопи не могат. Значението на това не може да се подценява.

Фигура 9, Penny et al. Това е сюжетът, който трябва да ви накара да отидете „Уау“. Той показва как WFIRST ще изследва нови популации от екзопланети, каквито съществуващите телескопи никога не са виждали.

Сега, за да допълни своите измервания на микроелементи, WFIRST ще може да открие екзопланети и чрез директно изобразяване. Директното изображение е техника, която прави снимки на звездна система, но блокира светлината от звездата, което позволява на телескопа да вижда по-бедни обекти наблизо. Въпреки че това е най-чувствително към телата, по-големи от масата на Юпитер, той работи добре за екзопланети, орбитиращи дори по-далеч от своите звезди. Въпреки това, подобно на микроекранирането, директното изобразяване досега има много малък успех.

Използвайки директно изображение, коронаграфът на WFIRST трябва да открие може би десетина екзопланети между 3 и 10 AU от техните домакини. Към днешна дата директните изображения с телескопи на Земята не успяха да намерят много екзопланети в този диапазон - още една причина WFIRST е грундирана, за да прокара границите на астрономията на екзопланетите.

Проливане на светлина върху тъмнината

В същото време, когато излита екзопланетологията, тъмната енергия изплува на преден план в съвременната космология. В края на 90-те години екипът за търсене на High-Z Supernova и проектът за космология Supernova независимо измерват селекциите от свръхнове тип Ia - експлодиращи бели джуджета в двоични системи. Очаква се повечето от тези свръхнови да имат еднаква светимост, което ги прави полезни стандартни свещи. Използвайки свръхновите тип Ia за измерване на рецесивните скорости на галактиките, групите предоставиха ясно доказателство, че разширяването на Вселената се ускорява - резултат от Нобелова награда.

Фигури 4 и 5, Riess et al. 1998. Тези диаграми очертават модулите за разстояние на свръхновите тип Ia спрямо техните червени смени. Тенденцията в точките с данни показва, че Вселената се разширява - и то с ускоряваща се скорост.

Астрономите смятат, че тъмната енергия е отговорна. Знаем, че тя съществува навсякъде и съставлява около две трети от Вселената, но никой не знае какво всъщност е. Основно свойство на тъмната енергия е кодирано в нейното уравнение на състоянието, което описва как нейното налягане и плътност се свързват една с друга. Уравнението включва ключово количество, наречено уравнение на параметъра на състоянието, w. Това от своя страна може да бъде разложено на израз, включващ две други величини, w₀ и wₐ, които характеризират текущата стойност на w и нейната еволюция във времето. Наблюдавайки свръхнови на различни разстояния, можем да измерим и двете количества.

Екипът зад WFIRST е планирал петгодишна мисия за телескопа, която включва шест месеца наблюдения на свръхнови с помощта на инструмента за широко поле. Това е сравнително кратко време, така че учените трябва да бъдат максимално ефективни. Група астрономи (Hounsell et al. 2018) решиха да симулират 11 различни WFIRST техники за наблюдение, за да намерят оптималната стратегия.

Фигура 4, Hounsell et al. 2018. Ето една селекция от симулирани светлинни криви на свръхновата, както се вижда чрез множество различни филтри. Забележете, че несигурността в измерванията нараства значително при големи червени смени.

Трябва да изясня какво имаме предвид под „стратегия“. По начина, по който се използва тук, терминът се отнася до колекция от филтри, инструмент (широколентов фотоапарат или спектрограф на IFC-S) и области на небето за изследване. 11-те различни стратегии, които екипът симулира, използваха различни комбинации от горното. Например стратегията Imaging: Lowz използва само WFC, както и филтрите Y + J и J + H.

Симулациите включваха софтуерен пакет, наречен SNANA, който анализираше ефективността на всяка стратегия, както и спектралния модел SALT2, който беше използван за генериране на популации от свръхнови тип Ia и техните светлинни криви. Редица други инструменти бяха използвани за добавяне на други съставки, като космологични параметри. Вместо да характеризира успеха на всяко изследване с броя открити свръхнови, екипът използва количество, наречено цифра на заслугите (FoM). Колкото по-висока е FoM, толкова по-ефективна и точна е стратегията.

В крайна сметка астрономите избраха четири стратегии с най-висок FoM: SDT *, SDT * Highz, Imaging: Allz и Imaging: Highz *. Първите две са модификации на оригиналната предложена стратегия от екипа на WFIRST Science Definition и използват както IFC-S, така и WFC, докато последните две са само стратегии за изображения и просто използват камерата с широко поле. Всички трябва да имат стойности на FoM - оптимистично - между 338 и 369, което предполага стандартни отклонения при измерванията на w₀ и wₐ от около 0,035 и 0,17. В сравнение с текущите измервания и несигурността на w₀ и wₐ (−0,91 ± 0,10 и −0,39 ± 0,34), това са съществени подобрения.

Фигура 13, Hounsell et al. 2018. Интервалите на доверие за четирите избрани стратегии са много по-добри от интервалите на доверие, произведени по други методи (като например изучаване на акустични колебания на барион в космическия микровълнов фон) или дори от оригиналната стратегия, предложена от екипа на WFIRST.

Независимо от конкретната стратегия за наблюдение, ние очакваме да видим добри резултати от WFIRST на фронта на тъмната енергия - много по-добри, отколкото открити чрез други методи. Ако екипът на WFIRST реши да вземе симулациите от Hounsell et al. Имайки предвид, обаче, ще имаме още по-добри ограничения - и това е само чрез наблюденията на суперновата! WFIRST също има потенциал да постави допълнителни ограничения върху тези параметри, като наблюдава как галактиките се подреждат в небето, помагайки ни да разберем разпределението на масата във Вселената и следователно как тъмната енергия оформя Космоса.

Защо WFIRST е телескопът, за да направи това?

Да се ​​върнем към мястото, от което сме започнали, и да зададем ключов въпрос: Ако имаме космически телескоп James Webb (JWST), готов да стартира след няколко години, защо се нуждаем едновременно да се изгради друг скъп проект? Защо JWST също не може да извърши измервания на микроелементиране или да наблюдава свръхновите далеч, за да ни помогне да разберем природата на тъмната енергия? В крайна сметка, той се счита за наследник на космическия телескоп Хъбъл, стълб от космически наблюдения в продължение на почти три десетилетия.

Е, WFIRST е специално разработен за двете основни задачи, които описах по-горе: микролентинг и наблюдения на суперновата тип Ia. Както самият Пени каза, едно предимство, което има пред JWST - или всеки друг космически телескоп до този момент - е, че има както висока разделителна способност, така и голямо зрително поле. Не знаем кога може да се случи събитие за микроелементиране, така че трябва да гледаме по-големи части от небето. Наличието на голямо зрително поле, докато може да събира висококачествени данни, разделя WFIRST. Същата логика важи и за изследванията на тъмната енергия. JWST ще може да вижда по-бледи и по-далечни свръхнове от WFIRST, отчасти защото е чувствителен към по-дългите дължини на вълната на светлината, но голямото зрително поле на WFIRST го прави много по-добър инструмент за изследване на популацията на свръхнова като цяло.

Впечатление на художника от космическия телескоп James Webb. JWST може да е един от най-вълнуващите инструменти, идващи през следващите няколко години, но това е WFIRST - и двата са много различни телескопи. Кредит за изображение: НАСА

Нека не забравяме и старата поговорка, че два телескопа са по-добри от един. Помнете защо проучването на стратегията за свръхнова беше важно на първо място: времето, което WFIRST може да отделя за това, е изключително ограничено - може би само шест месеца! Космическият телескоп „Джеймс Уеб“ със своите възможности за следващо поколение за изучаване на екзопланетните атмосфери и протогалаксии ще бъде изключително натоварен, тъй като е без да поема монументалните проблеми, които WFIRST има за цел да хвърли повече светлина.

Прогнозите, които обясних тук - че WFIRST може да открие 1400 екзопланети чрез гравитационно микросензиране и да осигури плътни граници на характеристиките на тъмната енергия - не са мои. Те са резултат от внимателни симулации от астрономи, които познават интензивно телескопа. Така че, когато чуете натрапчивата защита на учен защо трябва да поддържаме жив този телескоп - добре, вие знаете защо те са толкова инвестирани в него.

2020-те ще бъдат още едно вълнуващо десетилетие за астрономията. Ще се видим там.