Hier ist, was WFIRST finden wird - wenn wir es retten können.

Simulationen zeigen, dass das Weltraumteleskop der nächsten Generation wirklich außergewöhnlich sein wird.

An diesem Montag hat das Weiße Haus seinen Haushaltsvorschlag für das Haushaltsjahr 2020 veröffentlicht, in dem die Mittel für eine Reihe von Bundesbehörden, einschließlich der NASA, aufgeführt sind. Das Budget sieht Nettokürzungen in Höhe von 481 Mio. USD für die Weltraumbehörde vor, einschließlich der vollständigen Kürzung der umwerfenden 381 Mio. USD für das Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), das Mitte der 2020er Jahre starten soll. Dies ist das zweite Jahr in Folge, in dem die Regierung versucht hat, das Weltraumteleskop zu töten, das letztes Jahr nur vom Kongress gerettet wurde.

Eine ältere vorgeschlagene Version von WFIRST aus dem Jahr 2019. Seitdem hat das Teleskop einige Iterationen durchlaufen, da sich seine wissenschaftlichen Ziele geändert haben. Bildnachweis: NASA.

Wie erwartet stieß die Strategie - gerechtfertigt durch konkurrierende Kostenüberschreitungen durch das James Webb-Weltraumteleskop - auf erheblichen Widerstand von Astronomen, die WFIRST als eine der obersten Prioritäten der NASA für das nächste Jahrzehnt betrachten. Sie argumentieren, dass das Stoppen des sechs Jahre alten Projekts ein Schlag für die Astronomie in zwei Hauptbereichen sein würde:

  • Exoplanetenastronomie, die von den revolutionären Perspektiven von WFIRST für die Entdeckung neuer Welten durch Gravitationsmikrolinsen und direkte Bildgebung profitieren wird.
  • Kosmologie, die mithilfe von WFIRSTs Galaxien- und Supernova-Untersuchungen Messungen der Dichte, der Entwicklung und der fundamentalen Natur der Dunklen Energie durchführen wird.

Es überrascht nicht, dass Wissenschaftler daran interessiert sind, quantitative Ideen für die Ergebnisse von WFIRST zu erhalten. In den letzten Jahren wurden detaillierte Simulationen durchgeführt, um herauszufinden, was genau dabei herauskommt. Um zu verstehen, warum das Überleben von WFIRST so wichtig ist, möchte ich Sie auf eine Reise durch einige dieser Simulationen mitnehmen, die zeigen, was die 2020er-Jahre für uns bereiten könnten.

Bevor wir dort ankommen, sollte ich Ihnen noch ein wenig über das Raumschiff erzählen, über das wir sprechen. WFIRST ist mit einem 2,4-Meter-Teleskop ausgestattet, mit dem Infrarotlicht erfasst werden kann. Es hat die gleiche Größe wie das Hubble-Weltraumteleskop und kann bei vielen Wellenlängen beobachten. Es wird wahrscheinlich an einem Ort umkreisen, der als zweiter Sonnen-Erd-Lagrange-Punkt bezeichnet wird und sich jenseits der Nachtseite der Erde befindet.

Ein Diagramm des Hauptabschnitts von WFIRST, das den Kühler, den Spektrographen und andere Schlüsselkomponenten zeigt. Bildnachweis: NASA / Goddard Spaceflight Center.

Am Teleskop sind die beiden Instrumente angebracht, die WFIRST so wichtig machen: das treffend benannte Wide Field Instrument (WFI), das dem Observatorium ein großes Sichtfeld für bildgebende und spektroskopische Beobachtungen bietet, und das Coronagraphic Instrument, das ebenfalls ähnliche Merkmale aufweist Bildgebungs- und spektroskopische Fähigkeiten, jedoch mit einem kleinen Sichtfeld, und können das Licht von Sternen ausblenden, um schwache Exoplaneten zu sehen, die diese umkreisen.

Zusammen werden diese Instrumente, die fleißig an einem Raumschiff arbeiten, das 1,5 Millionen Meilen von der Erde entfernt ist, Fortschritte auf zwei schnell wachsenden Gebieten liefern: Exoplaneten und Dunkle Energie. Schauen wir uns nun an, was Astronomen zu finden glauben, und sehen uns einige aktuelle Simulationen an.

Suche nach Exoplaneten durch einen neuen Objektivtyp

Die letzten 25 Jahre haben sich für die exoplanetare Astronomie als reichlich erwiesen. Seit der ersten bestätigten Entdeckung eines Exoplaneten im Jahr 1992 haben Astronomen unglaubliche 4.000 Exoplaneten um rund 3.000 Sterne gefunden, von denen viele auf eine Bestätigung warten. Diese Planeten wurden größtenteils durch zwei Haupttechniken entdeckt:

  • Die Radialgeschwindigkeitsmethode, bei der mithilfe von Spektroskopie Störungen in der Bewegung eines Sterns entdeckt werden, die durch einen Exoplaneten in der Umlaufbahn verursacht werden.
  • Die Transitmethode, die nach Einbrüchen in die Helligkeit eines Sterns sucht, wenn ein Exoplanet zwischen dem Stern und der Erde vorbeizieht.

Während beide eine spektakuläre Anzahl neuer Welten hervorgebracht haben, sind beide darauf ausgerichtet, große, massive Planeten zu finden, die ihren Wirtssternen nahe sind. Es gibt andere Methoden, die diese Verzerrung verringern, wie beispielsweise die Gravitationsmikrolinse. Die Mikrolinse basiert auf dem Prinzip, dass ein massives Objekt die Raumzeit und damit die durch das Universum laufenden Lichtstrahlen verzerrt. Dies bedeutet, dass ein Stern das Licht der Hintergrundsterne verzerren sollte - und alle Planeten, die ihn umkreisen, sollten zur Verzerrung beitragen. Es stellt sich heraus, dass diese Abweichungen messbar sind! Diese Technik ist eigentlich recht gut, um Exoplaneten mit geringer Masse auf Umlaufbahnen wie der Erde zu finden, aber idealerweise sind hochauflösende Teleskope und ein klarer Himmel erforderlich. Bisher wurden nur sehr wenige Exoplaneten mit Mikrolinsen entdeckt.

Eine künstlerische Darstellung von OGLE-2005-BLG-390Lb, einem Exoplaneten, der 2005 durch Gravitationsmikrolinsen entdeckt wurde. Bildnachweis: ESO, unter der Creative Commons Attribution 3.0 Unported-Lizenz.

WFIRST hat das Potenzial, all das zu ändern. Einer der Vorteile von WFIRST gegenüber älteren Mikrolinsenuntersuchungen besteht darin, dass es sich im Weltraum befindet, wodurch Verzerrungen der Atmosphäre vermieden werden. Zusammen mit der hochauflösenden Bildgebung und dem großen Sichtfeld können so viele schwache Sterne beobachtet werden, die nicht als Ziele für bodengestützte Mikrolinsenuntersuchungen in Frage kommen.

Ein Artikel, der diese Fähigkeit demonstriert, ist Penny et al. 2018, eine Analyse, die letztes Jahr durchgeführt wurde. Ziel der Gruppe war es, Detektionsraten von Mikrolinsenereignissen auf gebundenen Planeten zu simulieren, d. H. Detektionen von Mikrolinsen durch Exoplaneten, die Sterne umkreisen, anstatt allein im Weltraum zu schweben. Sie hatten einige Herausforderungen zu bewältigen:

  • Das Design von WFIRST hat sich im Laufe der Zeit geändert, sodass mehrere vergangene Setups berücksichtigt werden mussten.
  • Die Empfindlichkeitsschwelle für einen Nachweis ist auch bei anderen Mikrolinsenuntersuchungen nicht vollständig vereinbart.
  • Binäre Sterne können eine Vielzahl von Fehlalarmen erzeugen, wobei eine Komponente einen Exoplaneten imitiert.

Erstens haben Penny et al. verwendeten ein Programm namens GULLS, um den Himmel mithilfe synthetisierter Sternenkataloge und eines Modells der Galaxie zu simulieren, wobei die Simulationen sorgfältig auf die tatsächlichen Sichtfelder von WFIRST beschränkt wurden. Sie mussten eine Vielzahl von Stern- und Planeteneigenschaften einbeziehen, indem sie bestimmte Massenfunktionen annahmen - Gesetze, die vorhersagen, wie oft ein Körper einer bestimmten Masse und die entsprechenden Eigenschaften in einem Datensatz auftauchen werden. Von dort aus erzeugten sie Mikrolinsenereignisse und überlegten, wie viele tatsächlich mit der Erkennungsschwelle des Teleskops übereinstimmen würden. Dabei wurde der Parameter ∆χ² auf 160 gesetzt. Wenn eine als 160² bekannte statistische Größe („Chi-Quadrat“) für a höher als 160 war Bei einem bestimmten Ereignis wurde dies als Erkennung gewertet.

Die Simulationen zeigten, dass WFIRST ungefähr hundert Exoplaneten mit der Masse der Erde oder weniger sehen sollte - in der Tat 200 weniger als oder gleich 3 Erdmassen, basierend auf dem aktuellen WFIRST-Design („Zyklus 7“). Insgesamt sollen bei der ersten Mikrolinsenuntersuchung 1400 Exoplaneten mit dieser Methode gefunden werden, ein Vielfaches der durch Mikrolinsen entdeckten aktuellen Zahl.

8, Penny et al. Hier finden Sie eine Reihe von Simulationsergebnissen, die auf verschiedenen WFIRST-Konstruktionen und Exoplanetenmassenfunktionen basieren. Das Teleskop scheint für Planeten mit Massen zwischen Erde und Uranus optimiert zu sein, einschließlich Supererden, einer hybriden Klasse von terrestrischen Objekten mit dicken Gasatmosphären.

Insgesamt zeigen die Simulationen eine viel größere Empfindlichkeit gegenüber Exoplaneten im Bereich von 1–10 AE mit erd- und marsähnlichen Umlaufradien. Wir sollten auch damit rechnen, eine Reihe von Erdmassenplaneten zu sehen, die in diesem Orbitalbereich noch nie beobachtet wurden. Dies bedeutet, dass WFIRST uns Planetensysteme wie unsere eigenen zeigen kann, was Kepler und andere Weltraumteleskope nicht können. Das Wesentliche davon ist nicht zu unterschätzen.

9, Penny et al. Dies ist die Handlung, die Sie dazu bringen sollte, „Wow“ zu machen. Es zeigt, wie WFIRST neue Populationen von Exoplaneten erforschen wird, die existierende Teleskope noch nie gesehen haben.

Ergänzend zu den Mikrolinsenmessungen kann WFIRST jetzt auch Exoplaneten über die direkte Bildgebung erfassen. Die direkte Bildgebung ist eine Technik, die Bilder eines Sternsystems aufnimmt, aber das Licht vom Stern abblendet, sodass das Teleskop schwächere Objekte in der Nähe sehen kann. Dies ist zwar am empfindlichsten für Körper, die ein Vielfaches der Jupitermasse haben, aber es eignet sich gut für Exoplaneten, die noch weiter von ihren Sternen umkreisen. Allerdings war die direkte Bildgebung wie die Mikrolinse bisher nur sehr wenig erfolgreich.

Mit der direkten Bildgebung sollte WFIRSTs Koronagraph etwa ein Dutzend Exoplaneten zwischen 3 und 10 AE ihrer Wirtssterne entdecken. Bei der direkten Bildgebung mit Teleskopen auf der Erde konnten bislang nicht viele Exoplaneten in diesem Bereich gefunden werden - ein weiterer Grund, warum WFIRST die Grenzen der Exoplanetenastronomie erweitern will.

Licht ins Dunkel bringen

Mit dem Aufschwung der Exoplanetologie rückte auch die Dunkle Energie in den Vordergrund der modernen Kosmologie. In den späten 1990er Jahren haben das High-Z Supernova Search Team und das Supernova Cosmology Project eine Auswahl von Supernovae vom Typ Ia - explodierende weiße Zwerge in binären Systemen - unabhängig voneinander gemessen. Von den meisten dieser Supernovae wird erwartet, dass sie dieselbe Leuchtkraft haben, was sie zu nützlichen Standardkerzen macht. Mithilfe der Supernovae vom Typ Ia zur Messung der Rezessionsgeschwindigkeiten von Galaxien lieferten die Gruppen eindeutige Beweise dafür, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt - ein mit dem Nobelpreis ausgezeichnetes Ergebnis.

Abbildungen 4 und 5, Riess et al. 1998. In diesen Diagrammen sind die Abstandsmodule der Supernovae vom Typ Ia gegen ihre Rotverschiebungen aufgetragen. Der Trend bei den Datenpunkten zeigte an, dass sich das Universum ausdehnt - und zwar mit zunehmender Geschwindigkeit.

Astronomen glauben, dass dunkle Energie verantwortlich ist. Wir wissen, dass es überall existiert und ungefähr zwei Drittel des Universums ausmacht, aber niemand weiß, was es tatsächlich ist. Eine Haupteigenschaft der Dunklen Energie ist in ihrer Zustandsgleichung kodiert, die beschreibt, wie ihr Druck und ihre Dichte zueinander in Beziehung stehen. Die Gleichung beinhaltet eine Schlüsselgröße, die als Zustandsgleichungsparameter w bezeichnet wird. Dies kann wiederum in einen Ausdruck zerlegt werden, der zwei andere Größen umfasst, w₀ und wₐ, die den aktuellen Wert von w und seine zeitliche Entwicklung charakterisieren. Indem wir Supernovae in unterschiedlichen Entfernungen beobachten, können wir beide Größen messen.

Das Team hinter WFIRST hat eine fünfjährige Mission für das Teleskop geplant, die sechs Monate lang Supernova-Beobachtungen mit dem Wide Field Instrument umfasst. Dies ist eine vergleichsweise kurze Zeit, weshalb Wissenschaftler so effizient wie möglich sein müssen. Eine Gruppe von Astronomen (Hounsell et al. 2018) hat beschlossen, 11 verschiedene WFIRST-Beobachtungstechniken zu simulieren, um die optimale Strategie zu finden.

4, Hounsell et al. 2018. Hier ist eine Auswahl von simulierten Supernova-Lichtkurven, die durch eine Reihe verschiedener Filter betrachtet werden. Beachten Sie, dass die Messunsicherheiten bei hohen Rotverschiebungen erheblich zunehmen.

Ich sollte klarstellen, was wir unter Strategie verstehen. In der hier verwendeten Form bezieht sich der Begriff auf eine Sammlung von Filtern, ein Instrument (Weitwinkelkamera-Imager oder IFC-S-Spektrograph) und Bereiche des Himmels, die überwacht werden sollen. Die 11 verschiedenen Strategien, die das Team simuliert hat, verwendeten verschiedene Kombinationen der oben genannten. Zum Beispiel verwendet die Strategie Imaging: Lowz nur die WFC sowie die Filter Y + J und J + H.

Die Simulationen umfassten ein Softwarepaket namens SNANA, das die Leistung jeder Strategie analysierte, sowie das SALT2-Spektralmodell, mit dem Populationen von Supernovae vom Typ Ia und ihre Lichtkurven erzeugt wurden. Eine Reihe anderer Werkzeuge wurde verwendet, um andere Bestandteile hinzuzufügen, wie kosmologische Parameter. Anstatt den Erfolg jeder Umfrage durch die Anzahl der entdeckten Supernovae zu charakterisieren, verwendete das Team eine Größe, die als Figure of Merit (FoM) bezeichnet wird. Je höher der FoM, desto effizienter und genauer ist die Strategie.

Am Ende wählten die Astronomen vier Strategien mit den höchsten FoMs: SDT *, SDT * Highz, Imaging: Allz und Imaging: Highz *. Die ersten beiden sind Modifikationen der ursprünglich vom WFIRST Science Definition Team vorgeschlagenen Strategie und verwenden sowohl den IFC-S als auch den WFC, während die beiden letzteren reine Bildgebungsstrategien sind und nur die Weitfeldkamera verwenden. Alle sollten - optimistisch gesehen - FoM-Werte zwischen 338 und 369 haben, was Standardabweichungen bei den Messungen von w₀ und wₐ von etwa 0,035 und 0,17 impliziert. Gegenüber den aktuellen Messungen und Unsicherheiten von w₀ und wₐ (−0,91 ± 0,10 und −0,39 ± 0,34) sind dies wesentliche Verbesserungen.

Fig. 13, Hounsell et al. 2018. Die Konfidenzintervalle für die vier ausgewählten Strategien sind viel besser als die Konfidenzintervalle, die durch andere Methoden (wie das Studieren von baryonalen akustischen Oszillationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund) oder sogar durch die vom WFIRST-Team vorgeschlagene ursprüngliche Strategie erzeugt wurden.

Unabhängig von der verwendeten Beobachtungsstrategie erwarten wir einige gute Ergebnisse von WFIRST im Bereich der dunklen Energie - viel besser als mit anderen Methoden. Wenn das WFIRST-Team beschließt, die Simulationen von Hounsell et al. wir werden jedoch noch bessere Einschränkungen haben - und das nur durch die Supernova-Beobachtungen! WFIRST kann diese Parameter auch zusätzlich einschränken, indem es beobachtet, wie sich Galaxien am Himmel ausrichten, um die Verteilung der Masse im Universum zu bestimmen und damit, wie dunkle Energie den Kosmos formt.

Warum ist der WFIRST das Teleskop dafür?

Kommen wir zurück zu unserem Ausgangspunkt und stellen eine wichtige Frage: Wenn das James Webb Space Telescope (JWST) in ein paar Jahren startbereit ist, warum müssen wir dann gleichzeitig ein weiteres teures Projekt bauen? Warum kann JWST nicht auch Mikrolinsenmessungen durchführen oder Supernovae in der Ferne beobachten, um die Natur der Dunklen Energie herauszufinden? Immerhin gilt es als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops, einer Säule weltraumgestützter Beobachtungen seit fast drei Jahrzehnten.

Nun, WFIRST wurde speziell für die beiden Hauptaufgaben entwickelt, die ich oben beschrieben habe: Mikrolinsen- und Supernova-Beobachtungen vom Typ Ia. Wie Penny selbst sagte, hat es gegenüber JWST - oder jedem anderen weltraumgestützten Teleskop - den Vorteil, dass es sowohl eine hohe Auflösung als auch ein großes Sichtfeld hat. Wir wissen nicht, wann ein Mikrolinsenereignis auftreten könnte, daher müssen wir größere Teile des Himmels beobachten. WFIRST zeichnet sich durch ein großes Sichtfeld aus und ist in der Lage, qualitativ hochwertige Daten zu erfassen. Die gleiche Logik gilt für die Erforschung der dunklen Energie. JWST wird in der Lage sein, schwächere und weiter entfernte Supernovae als WFIRST zu betrachten, auch weil es für längere Lichtwellenlängen empfindlich ist, aber das große Sichtfeld von WFIRST macht es zu einem viel besseren Werkzeug für die Untersuchung der Supernova-Population als Ganzes.

Künstlerische Darstellung des James Webb Space Telescope. JWST mag eines der aufregendsten Instrumente der nächsten Jahre sein, aber WFIRST auch - und die beiden sind sehr unterschiedliche Teleskope. Bildnachweis: NASA

Vergessen wir auch nicht das alte Sprichwort, dass zwei Teleskope besser sind als eines. Denken Sie daran, warum die Supernova-Strategiestudie an erster Stelle wichtig war: Die Zeit, die WFIRST dafür verwenden kann, ist äußerst begrenzt - vielleicht nur sechs Monate! Das James Webb-Weltraumteleskop mit seinen Fähigkeiten der nächsten Generation zur Untersuchung von Exoplaneten-Atmosphären und -Protogalaxien wird extrem beschäftigt sein, da es die gewaltigen Probleme, die WFIRST zu lösen versucht, nicht aufgreift.

Die Vorhersagen, die ich hier erklärt habe - dass WFIRST durch Gravitationsmikrolinsen 1400 Exoplaneten entdecken und die Eigenschaften der dunklen Energie eng einschränken kann - gehören nicht mir. Sie sind das Ergebnis sorgfältiger Simulationen von Astronomen, die das Teleskop genau kennen. Wenn Sie also die leidenschaftliche Verteidigung eines Wissenschaftlers hören, warum wir dieses Teleskop am Leben erhalten müssen, wissen Sie, warum sie so viel in es investiert haben.

Die 2020er Jahre werden ein weiteres aufregendes Jahrzehnt für die Astronomie sein. Ich sehe dich dort.