Hoe ziet de toekomst van NASA eruit? Zal de telescoop van de volgende generatie de eerste zwarte gaten in het verre heelal onderzoeken of zal hij op zoek gaan naar leven op een aardachtige planeet op lichtjaren afstand? Net als in de afgelopen decennia, het bureau neemt die beslissing niet in een vacuüm of zonder de technische obstakels te begrijpen, die formidabel zijn.

Nu al, teams van experts uit het hele bureau, academische wereld, en de industrie bestuderen vier potentiële vlaggenschipmissies die de wetenschappelijke gemeenschap heeft beoordeeld als waardige bezigheden in het kader van de 2020 Decadal Survey for Astrophysics. In maart, zij hebben tussentijdse rapportages ingediend. Volgend jaar, ze zullen naar verwachting de eindrapporten afronden die de National Research Council vervolgens zal gebruiken om zijn aanbevelingen aan NASA over een paar jaar te informeren.

"Dit is speeltijd voor astrofysica, " zei Susan Neff, hoofdwetenschapper van het Cosmic Origins-programma van NASA. "We willen al deze concepten bouwen, maar we hebben niet het budget om ze alle vier tegelijk te doen. Het doel van deze tienjarige studies is om leden van de astrofysica-gemeenschap de best mogelijke informatie te geven bij het beslissen welke wetenschap ze als eerste moeten doen."

NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, leidt twee:de Large Ultraviolet/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR) en de Origins Space Telescope (OST). NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) in Pasadena, Californië, en het Marshall Space Flight Center in Huntsville, Alabama, In de tussentijd, leiden respectievelijk de Habitable Exoplanet Imager (HabEx) en de X-ray Surveyor, bekend als Lynx (zie details van elk).

Ongeacht welke missie NASA uiteindelijk kiest of welke technologieën ze vliegt, het agentschap en de individuele centra zijn begonnen te investeren in geavanceerde instrumenten die nodig zijn om deze gedurfde, baanbrekende concepten in de toekomst, zei Thaise Pham, de technologieontwikkelingsmanager voor NASA's Astrophysics Program Office. "Ik zeg niet dat het gemakkelijk zal zijn. Het zal niet zijn, " vervolgde hij. "Dit zijn ambitieuze missies, met grote technische uitdagingen, waarvan vele elkaar overlappen en op iedereen van toepassing zijn. Het goede nieuws is dat de basis nu wordt gelegd."

Ongekende stabiliteit op picometerniveau

LUVOIR biedt een voorbeeld.

Een concept van het observatorium voorziet in een supergrote, gesegmenteerde primaire spiegel met een diameter van ongeveer 49 voet. Met deze kolos, LUVOIR kan helpen beantwoorden hoe het leven begon, welke voorwaarden zijn essentieel voor de vorming van sterren en sterrenstelsels, en misschien wel het meest overtuigend, is de aarde zeldzaam in de kosmos?

"LUVOIR zal zoeken naar tekenen van leven, maar daar blijft het niet bij. Het zal ons vertellen hoe het leven daar is gekomen en hoe zeldzaam leven is in de kosmos, " zei Shawn Domagal-Goldman, plaatsvervangend wetenschapper. "Deze missie is ambitieus, " beaamde studiewetenschapper Aki Roberte, "maar uitvinden of er leven is buiten het zonnestelsel is de prijs. Alle technologische hoge palen worden door dit doel aangedreven."

Om planeten ter grootte van de aarde direct in beeld te brengen en hun atmosferen te beoordelen, LUVOIR zou licht moeten opvangen van een relatief klein object dat minstens 10 miljard keer zwakker is dan de ster eromheen. Dit zou zijn als het onderscheiden van een object dat niet breder is dan een mensenhaar op een afstand van twee voetbalvelden, zei Roberto.

Om dit te doen, De optica en bijbehorende hardware van LUVOIR moeten ultrastabiel zijn; dat is, deze componenten kunnen niet meer dan 12 picometer bewegen of vervormen - een maat kleiner dan de grootte van een waterstofatoom. Niet alleen zou het observatorium deze veeleisende normen moeten handhaven tijdens het uitvoeren van een meting, net als zijn spiegelsegmenten.

Zoals de 5 meter lange primaire spiegel op de James Webb Space Telescope, De spiegel van LUVOIR zou bestaan ​​uit verstelbare segmenten die zich na de lancering zouden ontvouwen. Omdat het vangen van licht van een zwakke en verre bron een nauwkeurig gefocust golffront zou vereisen, actuatoren of motoren die aan de achterkant van elke spiegel zijn bevestigd, zouden vervolgens de segmenten actief aanpassen en uitlijnen om een ​​perfecte focus te bereiken.

"Fysieke stabiliteit, plus actieve controle op de primaire spiegel en een interne coronagraaf (een apparaat om sterrenlicht te blokkeren) zal resulteren in picometernauwkeurigheid, "Zei Roberte. "Het draait allemaal om controle."

Een Goddard-team is al begonnen met het ontwikkelen van laboratoriuminstrumenten die dynamisch vervormingen ter grootte van een picometer kunnen detecteren die optreden wanneer materialen die worden gebruikt om telescopen te bouwen krimpen of uitzetten als gevolg van wild fluctuerende temperaturen of wanneer ze worden blootgesteld aan felle lanceringskrachten. Mocht NASA LUVOIR selecteren als zijn volgende vlaggenschipmissie, NASA zou deze tool kunnen gebruiken om ervoor te zorgen dat het bureau een observatorium bouwt voor deze benchmarks.

Starlight onderdrukken:een gedeelde technische uitdaging

HabEx, hoewel fysiek kleiner dan LUVOIR, zou ook rechtstreeks planetaire systemen in beeld brengen en de samenstelling van de atmosferen van de planeten analyseren met zijn grote gesegmenteerde spiegel. In aanvulling, het zal een breed scala aan algemene astrofysica mogelijk maken, van het bestuderen van de vroegste tijdperken van de geschiedenis van het universum, om de levenscyclus en sterfgevallen van de meest massieve sterren te begrijpen, die uiteindelijk de elementen leveren die nodig zijn om het leven zoals wij dat kennen te ondersteunen.

Zoals LUVOIR, het, te, moet een grote, stabiele telescoop gevoelig voor ultraviolet, optisch, en nabij-infraroodfotonen, evenals technologieën om het heldere licht van de moederster te blokkeren en een donkere zone te creëren die de aanwezigheid van een planeet ter grootte van de aarde onthult.

"Om een ​​planeet in een baan om een ​​nabije ster direct in beeld te brengen, we moeten een enorme barrière in dynamisch bereik overwinnen:de overweldigende helderheid van de ster tegen de vage reflectie van sterrenlicht van de planeet, met slechts een kleine hoek die de twee scheidt, " zei Neil Zimmerman, een NASA-expert op het gebied van coronagrafie. "Er is geen kant-en-klare oplossing voor dit probleem, omdat het zo anders is dan elke andere uitdaging in de waarnemingsastronomie."

Om de uitdaging aan te gaan - vergelijkbaar met het fotograferen van een vuurvlieg die op duizenden kilometers afstand rond een straatlantaarn cirkelt - bestuderen onderzoekers verschillende benaderingen voor het onderdrukken van sterrenlicht, inclusief externe bloembladvormige sterschermen die licht blokkeren voordat het de telescoop binnenkomt en interne coronagrafen die maskers en andere componenten gebruiken om te voorkomen dat sterrenlicht de detectoren bereikt. Het HabEx-team onderzoekt beide technieken.

Maar er blijft een grote hindernis:zelfs met meerdere coronagrafische maskers, sterrenlicht zal nog steeds doorkomen, zei Rémi Soummer, een wetenschapper aan het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. Starlight zal van de randen van de optische componenten van een coronagraaf afbuigen, waardoor het moeilijk is om het licht volledig te blokkeren om een ​​kleine planeet in een baan om de ster te zien. Een mogelijke oplossing is om koolstofnanobuisjes op de coronagrafische maskers aan te brengen die het patroon van verstrooid licht wijzigen.

zomer, die een state-of-the-art testbed creëerde voor het evalueren van verschillende coronagrafische benaderingen, voornamelijk voor LUVOIR, werkt samen met voormalig optisch ingenieur van Goddard, John Hagopian, om de effectiviteit van Hagopian's koolstof-nanobuistechnologie voor deze toepassing te testen. Deze superzwarte coating bestaat uit meerwandige nanobuisjes 10, 000 keer dunner dan een lok mensenhaar. "Als licht het nanobuisbos binnendringt met minimale reflectie, het elektrische veld van het licht wekt de elektronen op, licht in warmte veranderen en het effectief absorberen, " legde Hagopian uit, nu een Goddard aannemer.

Testresultaten tot nu toe zijn veelbelovend, zei Zomer. Maar het vonnis is er nog niet. Terwijl Hagopian werkt aan het verbeteren van het vermogen van zijn technologie om bijna al het licht te absorberen, Soummer is van plan coronagraafmaskers te testen met behulp van een andere lichtonderdrukkingstechnologie, siliciumgras genaamd. Ontwikkeld door JPL-onderzoekers, siliciumgras bestaat uit een woud van kleine naalden die in het oppervlak van een dunne siliciumwafel zijn geëtst. "Het is mijn taak om de prestaties van de verschillende technieken te vergelijken, ' zei Zomer.

"Detectoren, detectoren, detectoren"

Hoewel grote arrays van detectoren die in de miljoenen pixels meten een must zijn voor LUVOIR, HabEx, en Lynx, ze zijn vooral belangrijk voor OST, een ver-infrarood observatorium ontworpen om de verste uithoeken van het universum te observeren.

"Als mensen vragen naar technologische lacunes bij de ontwikkeling van de Origins Space Telescope, Ik vertel ze dat de top drie uitdagingen detectoren zijn, detectoren, detectoren, " zei Dave Leisawitz, een Goddard-wetenschapper en OST-onderzoekswetenschapper. "Het draait allemaal om de detectoren."

NASA-onderzoekers ontwikkelen momenteel verschillende soorten supergeleidende detectoren voor telescopen van de volgende generatie, but OST could benefit more from either of two emerging types:Transition Edge Sensors (TESs) or Kinetic Inductance Detectors (KIDs). TES detectors have reached a high degree of technological maturity and are now used in HAWC+, an instrument on NASA's Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, commonly known as SOFIA. "While relatively early in its technology readiness, KIDs are quickly maturing, and may find uses in future astronomical instruments, " said Johannes Staguhn, a detector expert at Goddard and deputy study scientist and instrument scientist for OST.

Echter, neither detector technology can fulfill its promise unless the observatory is actively cooled to a frosty 4 kelvin, or -452.47 degrees Fahrenheit. That's because the light it's collecting—light that first began its journey across the universe literally billions of years ago—reaches space telescopes as heat. If the observatory and its instruments generate too much heat, it will overwhelm the signal the telescope wants to collect and measure.

Als resultaat, OST's segmented primary mirror—now projected to span nearly 30 feet in diameter—would have to be cooled to about 4 K. If NASA chooses OST, the observatory would be NASA's first actively cooled telescope. According to Leisawitz, the OST team would like to achieve this by flying layers of sunshields that would envelope the mirror and radiate heat away from it. Four cryocoolers or heat sinks would then mechanically absorb the residual heat to maintain the mirror's 4 K target temperature.

OST's instrument detectors must be cooled as well—to 0.05 K, or one twentieth of a degree above absolute zero. This is 80 times colder than the observatory itself. The study team believes it can accomplish this technical feat with a multi-stage continuous adiabatic demagnetization refrigerator (CADR).

De technologie, developed by Goddard cryogenic engineers, has flown on past X-ray missions. It cools to this very low temperature by varying the magnetic fields inside rods of specialized materials and ultimately conducting heat away to a 4 kelvin cryocooler. "The CADR has no moving parts, produces no vibrations, and works independent of gravity, making it very suitable for space missions, " said Goddard cryogenic engineer Jim Tuttle.

Mirrors and Cool Detectors to Reveal the Hidden Universe

Cooling technologies and higher-performing detectors also present challenges for Lynx. Named after the sharp-sighted feline, the proposed observatory is the only of the four to examine the universe in X-rays. One of its principal jobs would be to detect this more energetic form of light coming from supermassive black holes at the center of the very first galaxies.

"Supermassive black holes have been observed to exist much earlier in the universe than our current theories predict, " said Rob Petre, a Lynx study member at Goddard. "We don't understand how such massive objects formed so soon after the time when the first stars could have formed. We need an X-ray telescope to see the very first supermassive black holes, in order to provide the input for theories about how they might have formed."

To unravel the mystery, the Lynx study team is considering flying an X-ray microcalorimeter imaging spectrometer, among other instruments. With microcalorimetry, X-ray photons strike the detector's absorbers and their energy is converted to heat, which a thermometer then measures. The heat is directly proportional to the X-ray's energy, which can reveal much about the target's physical properties. Because microcalorimeters essentially are thermometers, they must be cooled to cryogenic temperatures to detect these fleeting, hard-to-capture X-rays.

NASA has made strides in these areas, Petre said. A Goddard team provided the cooling technology, a two-stage ADR, and a 36-pixel microcalorimeter array for the Japanese Suzaku and Astro-H missions. For Lynx, echter, these technologies must become larger and more capable.

Momenteel, Goddard scientists Simon Bandler and Caroline Kilbourne are scaling up the size of the microcalorimeter array and, in feite, are developing a 4, 000-pixel microcalorimeter array for the European Space Agency's Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, or Athena, missie. Athena is expected to launch in the late 2020s. Their goal is to ultimately create an array containing 100, 000 pixels. In de tussentijd, Goddard cryogenic experts, led by Tuttle, are adding stages to the refrigerator. The same multi-stage cooling system baselined for Lynx also could be used on OST, Tuttle said.

Lynx also would require a lightweight optic offering a significantly larger collection area and dramatically improved resolution. Unlike other mirrors that collect less energetic light, X-ray optics must be curved and nested inside a canister so that incoming photons graze the mirrors' surface and deflect into the observatory's instruments. The greater the number of mirrors, the higher the resolution.

One possible approach is using a relatively inexpensive, easily reproducible optic made of single-crystal silicon, a hard, brittle, non-metallic element used to make computer chips. Now being developed by NASA optics expert Will Zhang, the material has proven effective at gathering X-rays, Petre said. Because these mirrors are thin and lightweight, Lynx could carry thousands of individual mirror segments to improve its light-gathering power.

Although two other competing technologies exist, Zhang is confident Lynx would profit from his work. "The quality of the mirrors we are making today is several times better than a year ago. We are meeting or close to meeting Lynx requirements, but a year or so from now, we definitely will be meeting them."