Come sarà il futuro della NASA? Il telescopio di nuova generazione indagherà sui primi buchi neri nel lontano universo o cercherà la vita su un pianeta simile alla Terra distante anni luce? Come nei decenni passati, l'agenzia non prenderà quella decisione nel vuoto o senza comprendere gli ostacoli tecnici, che sono formidabili.

Già, team di esperti di tutta l'agenzia, accademico, e l'industria stanno studiando quattro potenziali missioni di punta che la comunità scientifica ha valutato come attività meritevoli nell'ambito del Decadal Survey for Astrophysics 2020. A marzo, hanno presentato relazioni intermedie. L'anno prossimo, ci si aspetta che finiscano i rapporti finali che il Consiglio nazionale delle ricerche utilizzerà per informare le sue raccomandazioni alla NASA in un paio d'anni.

"Questo è il momento del gioco per l'astrofisica, " ha detto Susan Neff, capo scienziato del programma Cosmic Origins della NASA. "Vogliamo costruire tutti questi concetti, ma non abbiamo il budget per farle tutte e quattro contemporaneamente. Il punto di questi studi decennali è quello di fornire ai membri della comunità di astrofisica le migliori informazioni possibili mentre decidono quale scienza fare per prima".

Il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, guida due:il Large Ultraviolet/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR) e l'Origins Space Telescope (OST). Il Jet Propulsion Laboratory (JPL) della NASA a Pasadena, California, e il Marshall Space Flight Center di Huntsville, Alabama, nel frattempo, guidano rispettivamente Habitable Exoplanet Imager (HabEx) e X-ray Surveyor, noto come Lynx (vedi i dettagli di ciascuno).

Indipendentemente dalla missione che la NASA seleziona alla fine o dalle tecnologie che utilizza, l'agenzia e i singoli centri hanno iniziato a investire in strumenti avanzati necessari per perseguire questi audaci, concetti innovativi in ​​futuro, disse Thai Pham, il responsabile dello sviluppo tecnologico per l'Astrophysics Program Office della NASA. "Non sto dicendo che sarà facile. Non sarà, " ha continuato. "Queste sono missioni ambiziose, con notevoli difficoltà tecniche, molti dei quali si sovrappongono e si applicano a tutti. La buona notizia è che ora si stanno gettando le basi".

Stabilità a livello di picometro senza precedenti

LUVOIR fornisce un esempio calzante.

Un concetto dell'osservatorio prevede un sovradimensionato, specchio primario segmentato di circa 49 piedi di diametro. Con questo colosso, LUVOIR potrebbe aiutare a rispondere a come è iniziata la vita, quali condizioni sono vitali per la formazione di stelle e galassie, e forse più avvincente, la Terra è rara nel cosmo?

"LUVOIR cercherà segni di vita, ma non si ferma qui. Ci dirà come la vita è arrivata lì e quanto sia rara la vita nel cosmo, " disse Shawn Domagal-Goldman, vice scienziato dello studio. "Questa missione è ambiziosa, " concordato lo scienziato dello studio Aki Roberge, "ma scoprire se c'è vita al di fuori del sistema solare è il premio. Tutti i pali della tecnologia sono guidati da questo obiettivo".

Per visualizzare direttamente pianeti delle dimensioni della Terra e valutare le loro atmosfere, LUVOIR dovrebbe acquisire luce da un oggetto relativamente piccolo almeno 10 miliardi di volte più debole della stella che circonda. Sarebbe come distinguere un oggetto non più largo di un capello umano dalla distanza di due campi da calcio, ha detto Roberto.

Per fare questo, L'ottica di LUVOIR e l'hardware associato devono essere ultra stabili; questo è, questi componenti non possono muoversi o distorcere più di 12 picometri, una misura più piccola della dimensione di un atomo di idrogeno. Non solo l'osservatorio dovrebbe mantenere questi standard rigorosi mentre effettua una misurazione, così sarebbero i suoi segmenti speculari.

Come lo specchio primario di 21 piedi del James Webb Space Telescope, Lo specchio di LUVOIR sarebbe costituito da segmenti regolabili che si aprirebbero dopo il lancio. Poiché catturare la luce da una fonte debole e lontana richiederebbe un fronte d'onda focalizzato con precisione, attuatori o motori collegati alla parte posteriore di ogni specchio quindi regolano attivamente e allineano i segmenti per ottenere una messa a fuoco perfetta.

"Stabilità fisica, più il controllo attivo sullo specchio primario e un coronografo interno (un dispositivo per bloccare la luce delle stelle) si tradurrà in una precisione del picometro, "Roberge ha detto. "Si tratta di controllo."

Già un team di Goddard ha iniziato a sviluppare strumenti di laboratorio in grado di rilevare dinamicamente distorsioni delle dimensioni di un picometro che si verificano quando i materiali utilizzati per costruire i telescopi si restringono o si espandono a causa di temperature estremamente variabili o quando sono esposti a forti forze di lancio. Se la NASA dovesse selezionare LUVOIR come sua prossima missione di punta, La NASA potrebbe utilizzare questo strumento per garantire che l'agenzia costruisca un osservatorio su questi parametri di riferimento.

Sopprimere Starlight:una sfida tecnica condivisa

HabEx, sebbene fisicamente più piccolo di LUVOIR, immaginerebbe anche direttamente i sistemi planetari e analizzerebbe la composizione delle atmosfere dei pianeti con il suo grande specchio segmentato. Inoltre, consentirà una vasta gamma di astrofisica generale, dallo studio delle prime epoche della storia dell'universo, alla comprensione del ciclo di vita e della morte delle stelle più massicce, che alla fine forniscono gli elementi necessari per sostenere la vita come la conosciamo.

Come LUVOIR, esso, pure, deve volare un grande, telescopio stabile sensibile all'ultravioletto, ottico, e fotoni nel vicino infrarosso, nonché tecnologie per bloccare la luce brillante della stella madre e creare una zona oscura che rivela la presenza di un pianeta delle dimensioni della Terra.

"Per visualizzare direttamente un pianeta in orbita attorno a una stella vicina, dobbiamo superare una tremenda barriera nella gamma dinamica:la travolgente luminosità della stella contro il debole riflesso della luce stellare sul pianeta, con solo un minuscolo angolo che separa i due, " ha detto Neil Zimmerman, un esperto della NASA nel campo della coronagrafia. "Non esiste una soluzione pronta per questo problema perché è così diversa da qualsiasi altra sfida nell'astronomia osservativa".

Per superare la sfida, paragonabile al tentativo di fotografare una lucciola che gira intorno a un lampione da migliaia di chilometri di distanza, i ricercatori stanno studiando diversi approcci per sopprimere la luce delle stelle, comprese le sfumature stellari esterne a forma di petalo che bloccano la luce prima che entri nel telescopio e i coronografi interni che impiegano maschere e altri componenti per impedire alla luce delle stelle di raggiungere i rivelatori. Il team HabEx sta studiando entrambe le tecniche.

Ma rimane un grosso ostacolo:anche con più maschere coronagrafiche, la luce delle stelle passerà ancora, disse Rémi Summer, uno scienziato dello Space Telescope Science Institute di Baltimora, Maryland. Starlight diffrangerà dai bordi dei componenti ottici di un coronografo, rendendo difficile bloccare completamente la luce per vedere un piccolo pianeta in orbita attorno alla stella. Una possibile soluzione è applicare nanotubi di carbonio sulle maschere coronagrafiche che modificano il pattern della luce diffratta.

estate, che ha creato un banco di prova all'avanguardia per valutare diversi approcci coronagrafici principalmente per LUVOIR, sta collaborando con l'ex ingegnere ottico Goddard John Hagopian per testare l'efficacia della tecnologia dei nanotubi di carbonio di Hagopian per questa applicazione. Questo rivestimento super nero è costituito da nanotubi a parete multipla 10, 000 volte più sottile di una ciocca di capelli umani. "Quando la luce penetra nella foresta di nanotubi con una riflessione minima, il campo elettrico della luce eccita gli elettroni, trasformando la luce in calore e assorbendola efficacemente, " ha spiegato Hagopian, ora un imprenditore Goddard.

I risultati dei test finora sono promettenti, disse l'estate. Ma il verdetto è ancora fuori. Mentre Hagopian lavora per migliorare la capacità della sua tecnologia di assorbire quasi tutta la luce, Soummer prevede di testare le maschere del coronografo utilizzando un'altra tecnologia di soppressione della luce chiamata erba di silicio. Sviluppato dai ricercatori del JPL, l'erba di silicio è costituita da una foresta di minuscoli aghi incisi sulla superficie di un sottile wafer di silicio. "Il mio lavoro è confrontare le prestazioni delle diverse tecniche, " disse Summer.

"Rivelatori, Rivelatori, Rivelatori"

Sebbene grandi array di rivelatori che misurano milioni di pixel siano un must per LUVOIR, HabEx, e Lince, sono particolarmente importanti per l'OST, un osservatorio nel lontano infrarosso progettato per osservare i confini più remoti dell'universo.

"Quando le persone chiedono informazioni sulle lacune tecnologiche nello sviluppo del telescopio spaziale Origins, Dico loro che le tre sfide principali sono i rilevatori, rilevatori, rilevatori, " ha detto Dave Leisawitz, uno scienziato Goddard e uno scienziato dello studio OST. "Si tratta di rilevatori."

I ricercatori della NASA stanno attualmente sviluppando diversi tipi di rivelatori superconduttori per i telescopi di prossima generazione, 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.

Però, 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.

Di conseguenza, 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).

The technology, 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, però, these technologies must become larger and more capable.

Attualmente, Goddard scientists Simon Bandler and Caroline Kilbourne are scaling up the size of the microcalorimeter array and, infatti, are developing a 4, 000-pixel microcalorimeter array for the European Space Agency's Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, or Athena, missione. Athena is expected to launch in the late 2020s. Their goal is to ultimately create an array containing 100, 000 pixel. Nel frattempo, 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."