Een nieuw optisch systeem dat de structuur van de ogen van een kreeft nabootst, zou een conceptuele missie van de Explorer-klasse in staat stellen om nauwkeurig te lokaliseren, karakteriseren, en waarschuw andere observatoria voor de bron van zwaartekrachtsgolven, die worden veroorzaakt door enkele van de meest krachtige gebeurtenissen in het universum.

Het Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, zal de haalbaarheid bestuderen van het Transient Astrophysics Observatory op het internationale ruimtestation, of ISS-TAO. De missie is gekozen, samen met twee andere soortgelijke geclassificeerde concepten, als een potentiële Explorer Mission of Opportunity. in 2019, NASA zal naar verwachting één concept kiezen voor constructie en lancering.

"Deze missie is vandaag relevanter dan ooit tevoren, " zei missiehoofdonderzoeker Jordan Camp, die een internationaal team leidt om het concept te ontwikkelen en de twee instrumenten te verfijnen:een door Goddard geleverde zachte X-ray Wide-Field Imager, of WFI, en de door de Israel Space Agency geleverde Gamma-Ray Transient Monitor.

"De detectie van zwaartekrachtsgolven eind 2015 was een keerpunt, ' zei Camp. 'Zwaartekrachtgolven zijn zo verschillend, zo nieuw. We willen een manier om conventionele elektromagnetische astronomie te verbinden met deze opkomende wetenschap."

All-Sky Monitoring

Vanaf zijn plek aan boord van het internationale ruimtestation, of ISS, de missie zou de lucht in de gaten houden op zoek naar voorbijgaande röntgen- en gammastraling - die vluchtige, moeilijk vast te leggen, hoogenergetische fotonen die vrijkomen tijdens fusies van zwarte gaten en neutronensterren en supernova's. Deze krachtige omwentelingen genereren zwaartekrachtsgolven.

Voor het eerst gepostuleerd door Albert Einstein een eeuw geleden, zwaartekrachtsgolven worden geproduceerd wanneer massieve objecten die dicht bij de lichtsnelheid bewegen samensmelten en samensmelten in het universum. De beweging en de resulterende botsing creëren golven in het weefsel van ruimte-tijd, uitstralend in alle richtingen, net zoals water rimpelt wanneer een steen in een vijver wordt gegooid.

Vorig jaar in een bomaankondiging, wetenschappers onthulden dat het op de grond gebaseerde Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, of LIGO, zwaartekrachtgolven had gedetecteerd van niet één, maar twee afzonderlijke gebeurtenissen met betrekking tot de botsing van zwarte gaten in andere sterrenstelsels; anderen zijn sindsdien gemeld. Voor deze ontdekking de drie natuurkundigen die pionierden met de LIGO-faciliteit - Rainer Weiss, Kip Thorne, en Barry Barish - hebben onlangs de Nobelprijs voor de natuurkunde 2017 gekregen.

En dan, op 16 oktober, LIGO kondigde de allereerste detectie aan van zwaartekrachtsgolven door de samensmelting van twee neutronensterren. Minder dan twee seconden later nadat de golven over de ruimtetijd van de aarde spoelden, NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope detecteerde een zwakke uitbarsting van hoogenergetisch licht - de eerste die ooit ondubbelzinnig was verbonden met een zwaartekrachtgolfbron. Een halve dag later, observatoria over de hele wereld hadden de locatie in zichtbaar licht gevonden, voor het eerst een zwaartekrachtgolfbron aanwijzen.

Momenteel, bijna alles wat wetenschappers weten over de kosmos komt van het detecteren en analyseren van het licht van kosmologische bronnen in al zijn vormen over het elektromagnetische spectrum - radio, infrarood, zichtbaar, ultraviolet, Röntgenstralen, en gammastraling. Elke golflengte voegt een ander detail toe aan de compositie, temperatuur, en snelheid van deze bronnen, onder andere fysieke kenmerken.

De bevestiging dat zwaartekrachtsgolven bestaan, heeft een nieuw venster op het heelal geopend, wetenschappers een nieuwe kijk geven die een aanvulling vormt op wat ze al hebben geleerd door middel van meer traditionele observatiebenaderingen. Kamp, die hielp bij het ontwikkelen van LIGO's lasers en optica en een van de auteurs was op de krant die de eerste ontdekking aankondigde, gelooft dat de missie een speciale niche heeft om deze opkomende tak van astrofysica te vullen.

Speciale niche in zwaartekrachtgolfwetenschap

De missie zal een schildwacht zijn, zei missie plaatsvervangend hoofdonderzoeker Scott Barthelmy.

Naast het uitvoeren van all-sky surveys van voorbijgaande röntgenbronnen, het zal nauwkeuriger de röntgentegenhangers van bronnen van zwaartekrachtgolfgebeurtenissen lokaliseren, gegevens verzamelen, en hun positie doorgeven aan andere observatoria, zodat ze hun eigen waarnemingen kunnen beginnen.

"LIGO en Virgo (een recent verbeterde interferometerfaciliteit in Pisa, Italië) vormen het geavanceerde netwerk van observatoria voor zwaartekrachtgolven, ' zei Camp. 'Ze zullen ons attent maken op de meest opwindende kandidaten, zoals de laatste momenten van een compact binair systeem. Hoewel deze faciliteiten de rimpelingen in de ruimte-tijd kunnen detecteren, ze kunnen zwaartekrachtgolven niet focussen en in plaats daarvan hun bronlokalisatie bereiken door de timing van ruisige signalen, " legde Camp uit. "Dus, ze kunnen hun bronnen niet precies lokaliseren."

In tegenstelling tot, de lading zou zijn kreeftenoptiek richten op het grote deel van de lucht dat is geïdentificeerd door LIGO en Maagd en vervolgens de bijbehorende röntgenstralen focussen om deze bronnen te lokaliseren en te karakteriseren, hij zei.

Momenteel, de Hubble-ruimtetelescoop, de Fermi Gamma-ray Ruimtetelescoop, de Swift Gamma-Ray Burst-missie, de Spitzer Ruimtetelescoop, en het Chandra X-ray Observatory zijn op zoek naar elektromagnetische tegenhangers. Samen met tientallen observatoria op de grond, ze hebben allemaal licht gedetecteerd van de fusie van de neutronensterren, waardoor astronomen voor het eerst de nasleep van een zwaartekrachtgolfgebeurtenis kunnen bestuderen.

Echter, de missie is bijzonder geschikt voor de taak, zei missie co-onderzoeker Judy Racusin.

Een van zijn instrumenten, de WFI, is uitgerust met de nieuwe kreeftenoogoptiek, die de structuur van de ogen van de schaaldieren nabootsen. Kreeftogen bestaan ​​uit lange, smalle cellen die elk een kleine hoeveelheid licht uit een bepaalde richting reflecteren. Hierdoor kan het licht van een breed gezichtsveld worden gebundeld in één enkel beeld.

De optiek van WFI werkt op dezelfde manier. Zijn ogen zijn microkanaalplaten - dun, gebogen platen van materiaal bezaaid met kleine buisjes over het oppervlak. Röntgenlicht kan deze buizen vanuit meerdere hoeken binnendringen en wordt gefocusseerd door reflectie van grazing-incidentie, waardoor de technologie een breed gezichtsveld heeft dat nodig is voor het vinden en in beeld brengen van voorbijgaande gebeurtenissen die niet van tevoren kunnen worden voorspeld. Behalve in een klinkende raketdemonstratie, kreeftenoogoptieken moeten nog worden gebruikt in een ruimtetoepassing, zei Kamp.

De ligplaats van de missie aan boord van het ruimtestation biedt nog een ander voordeel, zei missiewetenschapper Robert Petre, eraan toevoegend dat de buitenpost in een baan voor communicatie zorgt, stroom, en andere diensten die de kosten van ruimtevaartuigen opdrijven. "We willen deze geweldige faciliteit gebruiken voor precies waarvoor het is ontworpen:snelle, goedkope toegang tot de ruimte."

Mocht ISS-TAO worden geselecteerd als een Explorer Mission of Opportunity, Camp gelooft dat hij de missie kan voltooien en tegen 2022 kan lanceren. slechts een paar jaar na de geplande lancering van de James Webb Space Telescope. Het Webb-observatorium kan ook worden ingeschakeld om de explosieve gebeurtenissen te observeren die zwaartekrachtgolven genereren, zei Kamp.

"We begonnen aan dit missieconcept te werken voordat LIGO de ontdekking deed, "Kamp zei, verwijzend naar door O&O gefinancierde inspanningen die ongeveer vijf jaar geleden begonnen. "De ontdekking van zwaartekrachtsgolven heeft zeker voor veel opwinding gezorgd en een revolutionaire nieuwe grens in de astrofysica geopend. We denken dat onze missie de zwaartekrachtsgolfwetenschap enorm kan verbeteren."