Tijdens de 241e bijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS) in Seattle in januari vierden veel astronomen feest terwijl ze aan het werk gingen. De conferentie, een van de grootste voor het veld, was de eerste sinds de James Webb Space Telescope afgelopen juli officieel van start ging met wetenschappelijke operaties na voltooiing van zes maanden post-launch inbedrijfstelling.

De vieringen kwamen voort uit het optreden van JWST. Na tientallen jaren van ontwikkeling en anticipatie - en veel verontrustende - bevestigden projectwetenschappers dat de ruimtetelescoop aan de verwachtingen voldeed en deze vaak ver overtrof.

"Kortom, het is niets dan goed nieuws", zei Jane Rigby, operationeel projectwetenschapper voor JWST bij NASA's Goddard Space Flight Center, in een toespraak die de conferentie opende op 9 januari. "Het is echt beter dan we over de hele linie hadden verwacht." Dat varieert van de gevoeligheid van zijn instrumenten tot de levensduur van de JWST, die nu naar verwachting minstens 20 jaar zal bedragen op basis van de hoeveelheid drijfgas aan boord.

De wetenschappelijke vruchten van die mogelijkheden waren ook te zien op de conferentie, terwijl astronomen bespraken hoe ze JWST gebruikten om sterrenstelsels in het vroege universum te bestuderen en om de ontdekking van een exoplaneet te bevestigen. Astronomen woonden een gemeentehuissessie bij, ooit gebruikt om updates te geven over de ontwikkeling van het observatorium, om in plaats daarvan te leren hoe ze voorstellen kunnen voorbereiden voor de volgende ronde van JWST-waarnemingen, Cyclus 2 genaamd, die deze zomer van start gaat.

Maar zelfs toen astronomen een 'overwinningsronde' maakten, in de woorden van een NASA-functionaris, over JWST, keken sommigen verder dan die ruimtetelescoop. Ze hoopten te profiteren van het succes van en het enthousiasme rond JWST om steun te krijgen voor een toekomstige reeks grote ruimtetelescopen en hun ontwikkeling te versnellen.

Introductie van het bewoonbare wereldenobservatorium

Het laatste tienjaarlijkse astrofysische onderzoek, Astro2020 genaamd en gepubliceerd in november 2021, adviseerde NASA de ontwikkeling na te streven van een ruimtetelescoop van zes meter breed die werkt in het ultraviolet, zichtbaar en nabij-infrarood. De telescoop, met een geschatte kostprijs van $ 11 miljard, zou begin 2040 gelanceerd worden.

Astro2020 kwam uit toen NASA en astronomen gefocust waren op de aanstaande lancering van JWST. Nu die ruimtetelescoop in bedrijf is, hebben ze hun aandacht weer gericht op het decennium en de volgende stappen om van dat concept een missie te maken.

Een van de eerste stappen was om die telescoop, naamloos genoemd in het tienjarige onderzoek, een bijnaam te geven. Afgelopen herfst begon NASA stilletjes naar die telescoop te verwijzen als het 'Habitable Worlds Observatory', en gebruikte de term in presentaties en getuigenissen van het congres.

"We moesten eigenlijk iets gaan gebruiken omdat we veel discussies hebben gevoerd met onze belanghebbenden", zei Mark Clampin, die afgelopen augustus de functie van directeur van NASA's astrofysica-divisie overnam, tijdens een agentschapsvergadering op de AAS-conferentie.

De aanduiding - voorlopig een werknaam - is bedoeld om de missie van de telescoop weer te geven om potentieel bewoonbare exoplaneten te bestuderen en tegelijkertijd te dienen als een algemeen observatorium voor astrofysica, legde hij uit. (Het was ook, merkten sommige astronomen op, een verbetering ten opzichte van de aanduiding die NASA gebruikte: IROUV, een acroniem voor infrarood, optisch en ultraviolet.)

Afgezien van de naam zijn er echter weinig details over het Habitable Worlds Observatory, inclusief zelfs een denkbeeldige illustratie ervan. De door Astro2020 onderschreven telescoop was niet een van de vier concepten waarvan NASA studies financierde; het valt in plaats daarvan tussen de grotere LUVOIR-telescoop, waarvan de primaire spiegel tussen de 8 en 16 meter breed is, en de kleinere HabEx, vier meter breed.

Clampin gaf echter een glimp van de aanpak die hij van plan was te volgen voor het observatorium, en bood een reeks principes aan om de ontwikkeling ervan te begeleiden, waarvan hij zei dat ze zouden uitleggen "hoe bouwen we het op en hoe overtuigen we mensen die onze belanghebbenden en ons in staat stellen het op te bouwen, dat we weten wat we doen, "zei hij.

Eerst en vooral, zei hij, was het bouwen van de telescoop volgens een vast schema. NASA zou een lanceringsdatum voor de missie vaststellen en dat een "Level 1" -vereiste maken naast wetenschappelijke vereisten, een benadering die hij vergeleek met planetaire missies met beperkte lanceringsvensters. "We rijpen de technologieën en stellen vervolgens het schema vast", zei hij. Door dit te doen, zo betoogde hij, zouden de kosten kunnen worden beperkt en zou NASA sneller kunnen doorgaan naar andere vlaggenschipmissies.

Daaraan gekoppeld was een tweede grondbeginsel: het ontwikkelen van bestaande technologieën en het beperken van investeringen in gloednieuwe technologieën die veel minder volwassen zijn. Hij noemde als voorbeeld het gesegmenteerde spiegelontwerp van JWST, waarvan hij suggereerde dat het waarschijnlijk zou worden overgenomen voor Habitable Worlds Observatory. Een belangrijk instrument voor de telescoop zal een coronagraaf zijn die sterlicht blokkeert, waardoor directe waarnemingen van exoplaneten die eromheen draaien mogelijk zijn; het zal gebaseerd zijn op een exemplaar dat is gebouwd voor de Roman Space Telescope die later dit decennium zal worden gelanceerd.

“Het laat zien dat we gefocust zijn. Het laat zien dat we voortbouwen op NASA-investeringen”, zei hij.

Een derde principe is dat NASA de telescoop zal ontwerpen om te profiteren van de mogelijkheden van nieuwe grote draagraketten. Dat zou het gemakkelijker en goedkoper kunnen maken om te ontwikkelen, omdat het niet zo strak hoeft te worden opgevouwen om in zoiets als Starship of het Space Launch System te passen.

"We zouden gek zijn als we ze niet zouden gebruiken", zei hij. “Grote stroomlijnkappen op grote raketten geven je flexibiliteit. Ze zorgen ervoor dat je niet wordt beperkt door massa of volume, wat beide grote problemen zijn.” Zelfs vóór de release van Astro2020 bestudeerden ingenieurs hoe concepten zoals de grotere LUVOIR in Starship of SLS konden passen.

De zes principes van Clampin voor het Habitable Worlds Observatory

Een vierde principe is om Habitable Worlds Observatory te ontwerpen voor onderhoud. "Er is een ware goudkoorts van commerciële bedrijven die robotonderhoud willen doen", zei Clampin, waar NASA van kan profiteren.

Dat onderhoud zou zich uitstrekken tot het upgraden van de instrumenten van de telescoop, waardoor NASA een deel van het schema en de technologische uitdagingen van de missie kan omzeilen. "We hoeven niet noodzakelijkerwijs alle wetenschappelijke doelen de eerste keer te halen," zei hij.

Het hebben van robuuste wetenschappelijke marges was het vijfde principe dat Clampin beschreef, dat volgens hem een ​​deel van de onzekerheid over het bereiken van wetenschappelijke doelen wegneemt. Onder hen is een figuur genaamd "eta Earth", of het gemiddelde aantal planeten ter grootte van de aarde in de bewoonbare zone van een ster, een sleutelfactor bij het bepalen hoe goed de telescoop zijn doelen kan bereiken om dergelijke planeten te karakteriseren.

Schattingen van eta Earth lopen sterk uiteen, zei Jessie Christiansen, een astronoom bij Caltech, in een lezing op de AAS-conferentie. Dat heeft gevolgen voor het ontwerp van de telescoop: hoe kleiner de eta-aarde is, hoe minder planeten een telescoop van een bepaalde grootte zou kunnen bestuderen. "Het zou echt fantastisch zijn als de bloeddruk van veel mensen dit aantal een beetje beter zou kennen," zei ze.

Een flexibel ontwerp voor het Habitable Worlds Observatory, zei Clampin, zou die druk ook kunnen verlichten. "Het is van fundamenteel belang dat we ons niet te vroeg vastzetten in een diafragmagrootte", zei hij, een ander argument voor het gebruik van gesegmenteerde spiegels die naar behoefte kunnen worden toegevoegd of verwijderd in de ontwerpfase.

Technologieontwikkeling in kaart brengen

Het laatste principe dat Clampin tijdens de gemeentehuisvergadering besprak, was om nieuwe technologieën die nodig zijn voor het observatorium volledig te laten rijpen voordat ze in ontwikkeling gaan. Dat was een aanbeveling van Astro2020, die de NASA opriep om een ​​technologieontwikkelingsprogramma op te zetten voor zowel het Habitable Worlds Observatory als toekomstige vlaggenschiptelescopen voor röntgenstraling en ver-infrarood.

NASA heeft als reactie hierop vorig jaar een Great Observatories Mission and Technology Maturation Program of GOMAP opgezet. De eerste fase van het programma, grotendeels om de algehele inspanning op te zetten, is voltooid, zei Julie Crooke, GOMAP-programmamanager bij NASA Headquarters, tijdens een nevenbijeenkomst op de AAS-conferentie.

NASA maakt zich op voor de tweede fase van GOMAP, die een conceptrijpingsstudie zal uitvoeren voor Habitable Worlds Observatory. Dat onderzoekt de verschillende mogelijkheden op het gebied van wetenschap, technologie en architectuur voor de telescoop. "We willen echt naar de hele optieruimte kijken", zei ze.

Dat onderzoek zal worden uitgevoerd door een onafhankelijk team van 20 tot 30 wetenschappers en ingenieurs, ondersteund door onafhankelijke consultants met expertise in kostenmodellering en planning. De studie zou later dit jaar beginnen en lopen tot september 2024.

De derde fase van GOMAP, na de voltooiing van de conceptrijpingsstudie, is wat NASA een "geëvolueerde pre-Phase A"-studie voor Habitable Worlds Observatory noemt. Dat zal het ontwerp van de telescoop verder verfijnen en de sleuteltechnologieën die daarvoor nodig zijn, verder ontwikkelen, zodat het formele werk aan de missie al in 2029 kan beginnen.

NASA wil "zo snel mogelijk" door het ontwerp- en technologieontwikkelingswerk voor het observatorium gaan, zei ze, maar waarschuwde dat de tijdlijn die ze presenteerde een denkbeeldige was. "Het is afhankelijk van de financiering die NASA ontvangt."

Het verspreiden van het evangelie van de New Great Observatories

Naarmate GOMAP die derde fase ingaat, zal het ook kijken naar de technologieën die nodig zijn voor toekomstige vlaggenschepen: de röntgentelescoop gebaseerd op een concept genaamd de Lynx X-ray Observatory bestudeerd voor Astro2020, en een ver-infraroodtelescoop gebaseerd op een andere Astro2020 concept, de Origins-ruimtetelescoop.

"We zullen zo snel mogelijk vooruitgang boeken voor het Habitable Worlds Observatory en tegelijkertijd de basis leggen voor de andere toekomstige grote observatoria", beloofde Crooke.

Veel astronomen hebben zich achter een concept geschaard dat ze de New Great Observatories noemen, waaronder het Habitable Worlds Observatory en de latere ver-infrarood- en röntgentelescopen die ook door het decenniumonderzoek zijn onderschreven. Ze vergelijken het met NASA's originele Great Observatories, waaronder de Hubble Space Telescope, Compton Gamma-Ray Observatory, Chandra X-Ray Observatory en Spitzer Space Telescope.

Net zoals de oorspronkelijke Great Observatories grotendeels parallel werkten (Compton werd een paar jaar voordat Spitzer gelanceerd werd uit zijn baan gehaald), willen astronomen dat de drie New Great Observatories tegelijkertijd in bedrijf zijn, zodat ze kunnen samenwerken om doorbraken te bewerkstelligen op gebieden als het zoeken naar bewoonbare exoplaneten.

"De bewoonbaarheid van een bepaalde planeet wordt beïnvloed door het röntgen- en ver-ultraviolette spectrum en de activiteit van zijn ster", zei Christiansen. "Het Habitable Worlds Observatory kan alleen slagen in zijn missie als we tegelijkertijd ook beschikken over gelijktijdige röntgen- en ver-ultraviolette capaciteiten."

Ze sprak tijdens een workshop tijdens de AAS-conferentie, waar een menigte die alleen in de sta-ruimte stond, hoorde over de vooruitzichten om de werkzaamheden aan de New Great Observatories te versnellen. Een grassroots-coalitie probeerde steun te krijgen om het werk aan de telescopen te versnellen, iets waarvan ze erkenden dat het aanzienlijke verhogingen van de financiering voor NASA's astrofysica-programma's zou vereisen.

Jason Tumlinson, een astronoom bij het Space Telescope Science Institute, presenteerde tijdens de bijeenkomst enkele financieringsprofielen. Met één profiel zou Habitable Worlds Observatory, dat 11 miljard dollar kost, in 2041 gelanceerd kunnen worden, met de röntgen- en ver-infraroodtelescopen in 2047 en 2051. (De volgorde van die twee toekomstige missies is niet belangrijk, geloven de meeste astronomen. ) "Dit is wat we willen, maar het is niet snel genoeg," zei hij.

Zelfs die inschatting was voor sommigen optimistisch. "Als we het decennium op zijn kop nemen, is het vermeldenswaard dat de laatste van de Grote Observatoria in 2065 zal worden voltooid en gelanceerd", schatte Jonathan Arenberg, hoofdmissie-architect voor wetenschappelijke robotverkenning bij Northrop Grumman. "Onnodig te zeggen dat dat te verdomd langzaam is."

Een alternatief budgetprofiel aangeboden door Tumlinson zou Habitable Worlds Observatory in staat stellen om in 2035 te lanceren, terwijl de andere twee volgen in 2040 en 2045. De vangst? Het gaat ervan uit dat het astrofysicabudget van NASA, momenteel ongeveer $ 1.5 miljard per jaar, groeit tot $ 2.5 miljard per jaar. "Dit is een budget dat een programma zal uitvoeren dat we allemaal willen, en het kan worden gedaan", zei hij, erop wijzend dat het verhoogde budget lager is dan het huidige jaarlijkse budget voor planetaire wetenschap bij NASA.

Arenberg, die aan Chandra en JWST werkte, zag kansen om het ontwerp en de constructie van die telescopen efficiënter te maken. "Ons huidige ontwikkelingsparadigma kan op zijn best worden omschreven als pre-industrieel of ambachtelijk", zei hij. Hij pleitte voor het ontwikkelen van alle drie de missies als een enkel programma (en vermoedelijk met een enkele contractant), waarbij het hergebruik van technologie en personeel werd gemaximaliseerd, wat kosten kon besparen en ontwikkeltijden kon verkorten.

Een van de organisatoren van de workshop was Grant Tremblay, een astronoom aan het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics en een soort evangelist voor de New Great Observatories. Aan het begin van de bijeenkomst schetste hij alle factoren die tegen het concept werken, van beperkte budgetten en een hernieuwde focus op bemande ruimtevluchten tot inflatie en geopolitieke instabiliteit. Maar, zo betoogde hij, al die uitdagingen bestonden ook in de jaren tachtig, toen astronomen pleitten voor en uiteindelijk geld binnenhaalden voor de oorspronkelijke Grote Observatoria.

Hij hoopt dat de recente successen van NASA, ook met JWST, een impuls kunnen geven aan de New Great Observatories. "Dit is een van de meest triomfantelijke jaren in de recente geschiedenis van NASA geweest", zei hij. Wat die successen gemeen hadden, betoogde hij, waren pleitbezorgers die in goede en slechte tijden voor hun projecten vochten.

De New Great Observatories zullen diezelfde pleitbezorging nodig hebben, zei hij tegen de volgepakte zaal. “Dit is drie decennia. We hebben een lange weg voor de boeg', zei hij. “We streven niet alleen naar één observatorium. We achtervolgen een vloot, te beginnen met het Habitable Worlds Observatory.”

Dit artikel verscheen oorspronkelijk in het nummer van SpaceNews van februari 2023.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• Bron: https://spacenews.com/envisioning-the-next-generation-of-space-telescopes/