Nancy-Grace-Roman Space Telescope
Organizace | Goddard ( NASA ) |
---|---|
Stavitel | Ball Aerospace , Harris |
Program | ExEP |
Pole | Temná energie , exoplanety |
Postavení | Ve vývoji |
Ostatní jména | PRVNÍ |
Zahájení | Kolem roku 2025 |
Spouštěč | Falcon Heavy / New Glenn nebo ekvivalent |
Doba trvání | 5 let (primární mise) |
Stránky | [1] |
Mše při startu | Asi 5 tun |
---|---|
Kontrola postoje | 3 osy stabilizovány |
Zdroj energie | Solární panely |
Obíhat | Kvazi halo oběžná dráha |
---|---|
Periapsis | 188 400 km |
Apoapsis | 807 000 km |
Umístění | Lagrangeův bod L2 systému Země-Slunce |
Doba | 6 měsíců |
Typ | Třízrcadlový anastigmatický systém |
---|---|
Průměr | 2,36 m |
Focal | 8,90 m |
Vlnová délka | Viditelný a blízký infračervený (0,48-2 mikronů) |
WFI | Zobrazovací spektroskop |
---|---|
CGI | Koronograf |
Space Telescope Nancy Grace-Roman (v angličtině Nancy Milost Roman Space Telescope ) nebo kratší kosmický teleskop Roman ( Roman Space Telescope ), dříve nazýván Wide Field Infrared Survey Telescope ( WFIRST ) je kosmický teleskop infračervená vyvinutý " kosmické agentury v USA , NASA .
Vývoj WFIRST vesmírnou agenturou vycházel z 10leté zprávy Národní rady pro výzkum USA z roku 2020, která dává nejvyšší prioritu realizaci vesmírné observatoře ke studiu temné energie . Tato forma energie, jejíž existence byla objevena nepřímo v roce 1998, je hlavní složkou vesmíru, ale její povaha je předmětem spekulací. WFIRST si rovněž klade za cíl provést statistické sčítání (hmotnost a vzdálenost od jejich hvězdy) exoplanet umístěných v galaktické baňce pozorováním gravitačních mikročoček a identifikovat a charakterizovat ty, které se nacházejí v blízkosti sluneční soustavy pomocí koronografu . Třetím cílem je zmapovat celou oblohu v infračervené oblasti . Kosmický dalekohled WFIRST má 2,4metrové primární zrcadlo darované NRO a je vybaven dvěma nástroji: zobrazovačem / spektrografem a koronografem . Pozorování se provádějí ve viditelném světle a v blízké infračervené oblasti (0,48 až 2 mikrony ). Pro splnění svých cílů má vesmírný dalekohled krátkou ohniskovou vzdálenost se širokým zorným polem. Jeho přístroje mu umožňují vytvářet snímky v kvalitě Hubbleova teleskopu pokrývající přibližně stokrát plochu (0,281 čtverečních stupňů). Tyto experimentální koronograf kombinuje několik technik, které umožňují, aby maskovat hvězdu, která je 100 milionů krát jasnější než planet, které se točí kolem něj.
WFIRST, jehož náklady jsou omezeny na 3,2 miliardy USD, vstoupil do aktivní vývojové fáze v únoru 2016 a projekt pokračuje navzdory dvěma pokusům o zrušení prezidenta Donalda Trumpa v letech 2018 a 2019 pod záminkou překročení. pole astronomie. Kosmický dalekohled má být vypuštěn kolem roku 2025 a umístěn na oběžnou dráhu kolem bodu Lagrange L2 systému Země-Slunce. Jeho primární mise trvá 5 let a nese spotřební materiál ( pohonné hmoty ) zaručující jeho provoz po dobu 10 let.
WFIRST je výsledkem konvergence několika projektů kosmických observatoří, jejichž cílem bylo studium temné energie , detekce exoplanet pozorováním gravitačních mikročoček a mapování oblohy v infračervené oblasti . V roce 2000 byl NASA navržen projekt vesmírného dalekohledu GEST ( Galactic Exoplanet Survey Telescope ), jehož cílem je jak použití gravitačních mikročoček, tak studium temné energie, ale nebyl zachován. Tento projekt je během následujícího desetiletí upraven a stává se MPF ( Microlensing Planet Finder ), který je navržen v době přípravy desetileté zprávy 2010 stanovující priority v oblasti astronomie a astrofyziky pro následující desetiletí.
Krátce poté, co v roce 1998 objevil temnou energii , navrhl Saul Perlmutter ( Nobelova cena za tento úspěch za rok 2011) spolu s Michaelem Levim vývoj vesmírné observatoře SNAP ( Supernova Acceleration Probe ). Studie této mise se provádí v rámci ministerstva energetiky . Jeho sloučení s podobnou studií provedenou v NASA vede k projektu JDEM ( Joint Dark Energy Mission ), který vede Neil Gehrels z Goddard Space Flight Center . Objev temné energie vede k několika návrhům na vesmírné observatoře v amerických výzkumných centrech: ADEPT ( Advanced Dark Energy Physics Telescope ) je navržen týmem z Johns-Hopkins University . Vědci z National Optical Astronomy Observatory navrhují Destiny ( Dark Energy Space Telescope ). JEDI ( Joint Efficient Dark Energy Investigation ) navrhuje výzkumný pracovník z University of Oklahoma . NASA a Evropská kosmická agentura (ESA) krátce zvažují sloučení svých projektů JDEM a Euclid (pro ESA) do IDECS ( International Dark Energy Cosmology Surveyor ). Toto spojení neuspělo, ale obě agentury se rozhodly spolupracovat na svých projektech. Mapování infračervené oblohy , třetí cíl WFIRST, je předmětem projektu NIRSS ( Near Infrared Sky Surveyor ), který navrhl Daniel Stern z Jet Propulsion Laboratory .
Priority v oblasti astronomie a astrofyziky jsou stanoveny každých deset let ve zprávě vydané Národní radou pro výzkum USA a napsané vědeckou komunitou. Zpráva zveřejněná v roce 2010 s názvem Nové světy, New Horizons stanoví priority pro dekádu 2015-2025. Doporučuje sloučit cíle projektů NIRSS, MPF a JDEM v rámci WFIRST ( Wide Field Infrared Survey Telescope ), který má nejvyšší prioritu. WFIRST má studovat povahu temné energie pomocí tří technik paralelně: měření akustických kmitů baryonů , měření vzdáleností od supernov a studium slabých gravitačních čoček . Cílem je určit dopad temné energie na vývoj vesmíru. Dalším cílem WFIRST je studium exoplanet v centrální baňce naší galaxie pomocí pozorování gravitačních čoček. Pro splnění těchto cílů bude mít předpokládaný dalekohled primární zrcadlo o průměru 1,5 metru s rozšířeným zorným polem. Může pozorovat blízké infračervené záření a má spektroskopické schopnosti s nízkým rozlišením. Náklady na projekt se odhadují na 1,6 miliardy USD a předpokládané datum zahájení je 2020. V rámci NASA začíná fáze studie vedená šesti lidmi. Projekt je součástí programu Exoplanet Exploration (ExEP), který zahrnuje také vesmírný dalekohled Kepler a LBTI interferometr Velkého binokulárního dalekohledu .
Počáteční návrh WFIRST je založen na použití optiky s primárním zrcadlem o průměru 1,1 až 1,5 metru. V červnu 2012 však americký národní průzkumný úřad (NRO) prodal NASA, bez finanční náhrady, dva optické dalekohledy s jednotkovou hodnotou 250 milionů USD. Ty byly vyrobeny společností ITT / Exelis pro projekt FIA-Optical průzkumný satelit zastavený během vývoje. Optika ze satelitu FIA-Optical, která zahrnuje primární zrcadlo o průměru 2,4 metru, je navržena tak, aby poskytovala snímky pokrývající velké oblasti, aby doplnila mnohem podrobnější snímky vytvořené rodinou satelitů rozpoznávání NRO KH- 11 Kennen a Crystal, které jsou v provozu od roku 1976. NRO prodává pouze optickou část. Vědecké vybavení i sběrnici (servisní modul) zbývá navrhnout a vyrobit NASA.
NASA se rozhodla upravit svůj projekt WFIRST, který je dočasně přejmenován na WFIRST-AFTA ( Astrophysics Focused Telescope Assets ), aby bylo možné použít jednu ze dvou optických sestav (druhý optický systém z důvodu nedostatku finančních prostředků nebude vesmírem používán agentura). Tato nová konfigurace by měla umožnit snížit náklady odhadované v té době na 1,7 miliardy USD a zároveň zlepšit výkon vesmírného dalekohledu. Podrobná architektonická studie zahrnující tento nový prvek byla zveřejněna v květnu 2013. Potvrzuje zájem o tyto úpravy a americká kosmická agentura se rozhodne přijmout optiku postoupenou NRO. Ale použití nového zrcadla ve skutečnosti značně zvyšuje náklady na projekt. Kromě toho vzdaná optika není optimalizována pro infračervené pozorování, i když toto záření je nezbytné pro studium vzdálených galaxií, a tedy i temné energie. Vesmírný dalekohled měl mít pouze jednu kameru vybavenou pro spektroskopii. Aby se kompenzovalo snížení výkonu v infračervené oblasti, NASA se rozhodla přidat koronograf, který by měl umožnit studium exoplanet. Zpočátku je vesmírný dalekohled navržen tak, aby byl umístěn na geosynchronní oběžné dráze s orbitálním sklonem 28,5 °. Ve srovnání s oběžnou dráhou kolem Lagrangeova bodu L2 má geosynchronní oběžná dráha několik výhod. Hlavní se týká objemu přenesených dat, což je pro WFIRST velmi důležitý faktor: na geosynchronní oběžné dráze vesmírný dalekohled letí vždy přes stejnou oblast Země, což umožňuje nepřetržitý přenos dat. Kolem Lagrangeova bodu L2 musí být přenos prováděn během směn omezujících hlasitost a vyžadujících přenášení hromadné paměti velmi velké kapacity. Hlavní výhodou oběžné dráhy kolem Lagrangeova bodu L2 je odstranění pozorovacích omezení souvisejících s blízkostí Země a Měsíce. Studie z roku 2015 nepředkládá žádná doporučení, ale následně je geosynchronní oběžná dráha opuštěna.
Vlastnosti | IDRM | AFTA |
---|---|---|
Optický | Zrcadlo ∅ 1,3 m mimo osu | Zrcadlo ∅ 2,4 m v ose |
Nástroje | WFI imager s hranolem 2 spektrografy |
WFI s grismem Full-field spectrograph Coronograph |
Pozorované spektrum | 0,6-2,0 mikronů | |
Zorné pole | 0,291 stupně² | 0,281 stupně² |
Prostorové rozlišení | 0,18 úhlové sekundy | 0,11 úhlové sekundy |
Obrazové pixely | 120 milionů | 300 milionů |
Obíhat | Lagrangeův bod L2 | Geostacionární oběžná dráha |
NASA pokračuje ve studijní fázi v roce 2014. V rozpočtu navrženém na rok 2015 má potřebné finanční prostředky na pokračování návrhu koronografu a detektorů přístrojů, což mu však neumožňuje zahájit stavbu vesmírného dalekohledu. Vzhledem k délce fáze návrhu a výroby se neočekává, že by byl dalekohled uveden na oběžnou dráhu před polovinou 20. let 20. století (posouzení z roku 2014). Projekt oficiálně vstupuje do vývojové fáze 18. února 2016.
Vývoj velmi sofistikovaného koronografu, který vyžaduje složitou vývojovou fázi, nezbytné úpravy optiky a určité možnosti, které tým NASA během studie ponechal - dalekohled navržený pro trvalou životnost, možnost přidružení externího koronografu ( hvězdný stín ), hybridní výběr (interní / externí) dodavatelů, výběr dvou center pro zpracování dat atd. - riziko uklouznutí se značně zvýšilo. Podle zprávy o externím hodnocení provedené v říjnu 2017, která zdůrazňuje tyto posuny projektu, náklady na projekt nyní činí 3,9 miliardy USD, tj. Téměř dvojnásobek částky 1,6 miliardy USD definované v roce 2010. Navíc toto náklady nezahrnují rizikovou marži 300 milionů USD, kterou by měl projekt tohoto rozsahu zahrnovat. Tyto dodatečné náklady se však připisují ve výši 1,1 miliardy USD na běžné příčiny (včetně 0,7 miliardy USD na inflaci, 0,3 miliardy USD na přizpůsobení projektu zrcadlu 2,4 m). A 0,1 miliardy USD ). Úředníci NASA rozhodují o několika opatřeních ke snížení nákladů i rizik. Hlavní spočívá v tom, že se z koronografu stane jednoduchý technologický demonstrátor, CDTI ( Coronograph Technology Demonstration Instrument ). Strop ve výši 3,2 miliardy USD je stanoven na celkové náklady projektu. Na základě přijatých rozhodnutí úředníci NASA v dubnu 2018 rozhodli, že projekt může vstoupit do fáze B (předběžný návrh).
Opakované překročení rozpočtu vyvíjeného infračerveného observatoře JWST vážně snížilo finanční zdroje astrofyzikální divize NASA. V této souvislosti, na rozpočtovém skluzu WFIRST a argumentu, že vesmírná agentura má vyšší priority, se prezident Donald Trump pokusí projekt dvakrát zastavit. První pokus proběhne v rámci sestavení rozpočtu kosmické agentury na rok 2019 (hlasovalo se v březnu 2018) a druhý během stanovení rozpočtu na rok 2020 (hlasovalo se v březnu 2019). Návrh na zrušení vzbuzuje energickou reakci vědecké komunity, která nám připomíná, že projekt byl definován jako priorita pro nadcházející desetiletí. V obou případech americký kongres hlasuje o fondech umožňujících pokračování projektu.
Projekt je řízen Goddardovým vesmírným letovým střediskem , zařízením NASA odpovědným za vesmírné observatoře. Pomáhá mu Jet Propulsion Laboratory . V lednu 2018 podepsala NASA se společností Teledyne kontrakt na 23 milionů USD na dodávku 72 infračervených detektorů, které budou analyzovat světlo shromážděné přístrojem WFI. V květnu 2018 NASA svěřila společnosti Ball Aerospace vývoj, testování a provozní podporu optomechanické části nástroje WFI za částku 113,2 milionu USD. Na začátku roku 2019 má projekt 9měsíční rezervu na svůj cíl spuštění do roku 2025. Dne 28. srpna 2019 projekt úspěšně prošel fází předběžného posouzení návrhu, a to navzdory dvěma pokusům o zrušení projektu.
V roce 2020 se vesmírný dalekohled jmenuje americká astrofyzička Nancy Grace Romanová , která je odpovědná za vývoj prvních vesmírných dalekohledů NASA a která sehrála hlavní roli při zahájení projektu Hubble Space Telescope mobilizací astronomické komunity.
Cíle mise WFIRST jsou následující:
Velikost vesmíru se rozšiřuje, ale díky gravitačním silám by se rychlost jeho expanze měla snižovat, ale to není to, co je pozorováno. Tento jev objevený na počátku 90. let, který zjevně odporuje zpomalení, byl nazván temnou energií . Temná energie tvoří tři čtvrtiny hmoty / energie vesmíru. Když byl projekt spuštěn v roce 2014, stejně jako v roce 2019, jeho povaha zůstala jednou z hlavních hádanek v oblasti kosmologie. Hlavním cílem WFIRST je pokusit se odpovědět na hlavní otázky vyvolané temnou energií: mění se v průběhu času? vyžaduje to modifikaci Einsteinovy obecné teorie relativity nebo je to skutečně nový typ energie? Abychom na to odpověděli, použije vesmírný dalekohled tři techniky k určení rychlosti rozpínání vesmíru v průběhu věků a rychlosti nárůstu velkých struktur (galaxií, skupin galaxií). Jedná se o tyto metody:
K detekci a charakterizaci exoplanet v blízkosti sluneční soustavy se používají dvě různé metody:
Diagram 2 : Planety detekovatelné metodou gravitačních mikročoček podle jejich průměrné vzdálenosti od mateřské hvězdy (1 astronomická jednotka = vzdálenost Země-Slunce) a jejich hmotnosti (v násobcích Země). Doména pozorovatelná WFIRST (modře) doplňuje doménu pozorovatelnou Keplerem (červeně). Počet a distribuce pozorovatelných planet zobrazených v diagramu byly stanoveny pomocí Keplerových pozorování a výsledků modelování.
Obrázek 3 : Planety detekovatelné koronografem WFIRST v okruhu 30 parseků . Na ose x zdánlivá vzdálenost mezi planetou a její hvězdou v obloukové vteřině , na ose y poměr svítivosti mezi planetou a její hvězdou. Planety znázorněné v diagramu (velikost, svítivost // poměr hvězd, vzdálenost // hvězda) jsou výsledkem simulace provedené ve sféře 30 parseků kolem sluneční soustavy. Kontinuální čáry vpravo nahoře ohraničují pozorovatelné planety s přihlédnutím k výkonům, pro které byl koronograf validován, tečkované čáry ohraničují detekovatelné planety, pokud koronograf dosahuje očekávaných výkonů.
WFIRST by měl umožnit provádět systematické a podrobné studium (obrazů a elektromagnetického spektra) blízkých infračervených zdrojů umístěných v Mléčné dráze i nebeských objektů přítomných na samém počátku vesmíru. Tento cíl musí být splněn využitím pozorování ke splnění prvních dvou cílů doplněných studijními programy věnovanými tomuto předmětu.
Pozorování světelných zdrojů nízké intenzity (zejména hlubokého vesmíru ) vyžaduje fotografování s velmi dlouhými expozicemi, které vyžadují dlouhodobé monopolní používání dalekohledu. Výkon WFIRST je mnohem lepší než Hubble, který se nicméně vyznačoval nejlepšími výsledky v této oblasti. Doba pozorovacích kampaní prováděných Hubbleem, jako jsou COSMOS (2007), CANDELS-Wide (2011), 3-D HST (2016), FIGS (2017) a PHAT (2012), by byla rozdělena faktorem mezi 125 a 1475, pokud byly provedeny s WFIRST poskytující stejné cíle citlivosti. Pozorovací kampaně WFIRST by proto měly poskytovat stokrát až 1000krát více informací než ty z Hubbla.
Charakteristiky projektu se během studijní fáze značně vyvinuly. Zde uvedené vlastnosti odpovídají v některých případech verzi AFTA zahrnující zrcadlo o průměru 2,4 metru popsané ve zprávě zveřejněné v březnu 2015. WFIRST má odhadovanou hmotnost 5,1 tuny, z toho 1,8 tuny pro dalekohled a 800 kg přístrojové techniky. Pohonný zajišťuje 8 raketové motory se kapalná paliva o 22 Newtonů na tah dodávaných s hydrazinem prostou relaxaci. WFIRST nese něco málo přes 100 kg pohonných hmot . Je stabilizován ve 3 osách a k ovládání jeho orientace využívá reakční kola, která musí umožňovat přesnost míření 3 obloukových sekund . Jednou z hlavních charakteristik vesmírného dalekohledu je objem dat generovaných pozorováním: přístroje denně generují 11 terabitů dat. Přenášejí se na pozemské stanice v pásmu Ka pomocí parabolické antény rychlostí 290 megabitů za sekundu.
Optika WFIRST je anastigmatického typu se třemi zrcadly . Používá primární zrcadlo o průměru 2,36 m, jehož výroba byla dokončena v roce 2014. Podobnou velikostí jako Hubbleův vesmírný dalekohled váží pouze pětinu své hmotnosti, protože technologie v této oblasti výrazně pokročila. Jeho citlivost a prostorové rozlišení jsou podobné jako u Hubbla, ale jeho zorné pole je stokrát větší. Efektivní zorné pole je 0,281 stupně² (se střední mezerou 0,32 stupně²). Ohnisková vzdálenost celých optiky je 7,9. Pozorované záření zahrnuje viditelné světlo a blízké infračervené záření (0,45 až 2 mikrony). Mechanismus umožňuje upravit polohu sekundárního zrcadla se 6 stupni volnosti , upravit jeho vyrovnání na oběžné dráze a dosáhnout jemného zaostření.
Světelné záření shromážděné dalekohledem je analyzováno širokoúhlým zobrazovačem / spektroskopem WFI ( Wide Field Instrument ) a koronografem CGI ( Coronagraph Instrument ).
WFI ( Wide Field Instrument ) je zobrazovací spektrograf, který zahrnuje:
Koronograf CGI Koronograf Instrument ) je prvním nástrojem tohoto typu pomocí masky optimalizované pomocí digitální techniky. Přístroj, který je vyvíjen pod dohledem Jet Propulsion Laboratory , má tři režimy pozorování:
Detektory koronografů jsou navrženy tak, aby umožňovaly použití externího koronografu ( hvězdného odstínu ), jako je ten, který by byl použit v budoucím dalekohledu HabEx (hodnocený projekt).
WFIRST musí být umístěn na oběžnou dráhu odpalovacím zařízením třídy Falcon Heavy nebo New Glenn vzlétajícím ze startovací rampy Cape Canaveral . Předpokládá se, že hlavní mise bude trvat 5 let. Dalekohled nese spotřební materiál ( pohonné hmoty ) zaručující jeho provoz po dobu 10 let. WFIRST musí být umístěn na kvazi-halo oběžné dráze kolem Lagrangeova bodu L2 systému Země-Slunce. Různé vybavení vesmírného dalekohledu je navrženo tak, aby umožňovalo jeho údržbu robotickou vesmírnou misí během jeho životnosti.
Abychom chránili optiku před slunečním zářením, udržovali její teplotu pod hodnotou nezbytnou pro pozorování infračerveného záření a umožnili solárním panelům poskytovat dostatečnou energii, je dalekohled namířen ve směru, který svírá úhel mezi 54 ° a 126 ° s vzhledem ke směru Slunce (= 0 °) a rotační pohyb WFIRST je omezen na plus nebo minus 15 °. Orientace dalekohledu ve třetím směru je zcela volná.
Program pozorování během pětileté primární mise je shrnut v následující tabulce:
Gravitační mikročočky |
Zobrazování | Spektrografie | Pozorování supernov | |
---|---|---|---|---|
Spektrální pásmo | Z , W | Y , J , H , F184 | 1,35 - 1,95 µm (R = 461 λ) | Velký: Y , J střední: J , H hluboký: J , H |
Pozorovaná část oblohy ( čtvereční stupeň ) |
2,81 stupně 2 | 2000 stupňů 2 | 2000 stupňů 2 | Velký: 27,44 stupňů 2 střední: 8,96 stupňů 2 hluboký: 5,04 stupňů 2 |
Maximální pozorovatelná velikost | - |
Y = 25,6 J = 26,7 H = 26,5 F184 = 25,8 |
0,5 × 10 −16 erg s −1 cm 2 až 1,65 μm | Velký: Y = 27,1, J = 27,5 střední: J = 27,6, H = 28,1 hluboký: J = 29,4, H = 29,4 |
Doba pozorování | 6 × 72 dní | 1,3 roku | 0,6 roku | 0,5 roku (s intervalem 2 roky) |
Četnost opakování |
Ž : každých 15 minut Z : každých 12 hodin |
- | - | každých 5 dní |
|
Během primární mise bude přibližně 25% času pozorování vyhrazeno pro návrhy vědců mimo projekt. Ty vybere vědecká komise. Kromě primární mise bude k dispozici veškerý čas pozorování.
Pozemní zařízení používané během mise WFIRST zahrnuje dvě pozemské stanice - White Sands na severní polokouli a jednu stanici určenou na jižní polokouli - které jsou odpovědné za sběr dat zasílaných denně WFIRST. Tato data jsou poté zpracována a distribuována dvěma středisky připojenými k NASA: STScI , známý zejména proto, že zpracovává a distribuuje data z Hubblova dalekohledu , a IPAC, což je středisko specializující se na zpracování dat poskytovaných dalekohledy pracujícími v infračervené .