WFIRST wird Folgendes finden - wenn wir es speichern können

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

An diesem Montag veröffentlichte das Weiße Haus seinen Haushaltsplan für das Haushaltsjahr 2020, in dem die Finanzierung einer Reihe von Bundesbehörden einschließlich der NASA beschrieben wird. Das Budget sieht Nettoeinsparungen in Höhe von 481 Millionen US-Dollar für die Weltraumbehörde vor, darunter die vollständige Kürzung der Finanzmittel für das Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST, WFIRST), das Mitte 2020 auf den Markt kommen 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 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, wurde der Stratege, der durch konkurrierende Kostenüberschreitungen durch das James Webb-Weltraumteleskop gerechtfertigt wurde, von Astronomen, die WFIRST als eine der wichtigsten Prioritäten der NASA für das nächste Jahrzehnt betrachten, auf erheblichen Widerstand gestoßen. Sie argumentieren, dass das Stoppen des sechsjährigen Projekts in zwei Hauptbereichen einen Schlag für die Astronomie bedeuten würde:

  • Exoplanet-Astronomie, die von WFIRSTs revolutionären Perspektiven für die Entdeckung neuer Welten durch Gravitations-Mikrolinsen und direkte Bildgebung profitieren wird.
  • Kosmologie, die durch Messung der WFIRST-Galaxie- und Supernova-Messungen Messungen der Dichte, der Entwicklung und der fundamentalen Natur der dunklen Energie erhalten wird.

Es überrascht nicht, dass die Wissenschaftler an quantitativen Vorstellungen über die Ergebnisse interessiert sind, die sie von WFIRST erhalten möchten. In den letzten Jahren wurden detaillierte Simulationen durchgeführt, um zu ermitteln, was sie finden werden. Um zu verstehen, warum das Überleben von WFIRST so eine große Sache ist, möchte ich Sie auf eine Reise durch einige dieser Simulationen mitnehmen, die die 2020er Jahre für uns bereithält.

Bevor wir dort ankommen, sollte ich Ihnen ein wenig über das Raumfahrzeug erzählen, über das wir sprechen. WFIRST verfügt über ein 2,4-Meter-Teleskop zur Erfassung von Infrarotlicht. es hat die gleiche Größe wie das Hubble-Weltraumteleskop und kann bei vielen der gleichen Wellenlängen beobachten. Es wird wahrscheinlich an einem Ort umkreisen, der als zweiter Sonnen-Erde-Lagrange-Punkt bezeichnet wird und sich jenseits der Nachtseite der Erde befindet.

Ein Diagramm von WFIRSTs Coronagraph, das den Kühlkörper, den Spektrographen und andere Schlüsselkomponenten zeigt. Bildnachweis: NASA / Goddard Spaceflight Center.

Am Teleskop befinden sich die beiden Instrumente, die WFIRST so wichtig machen: das Wide-Field-Instrument (WFI), das dem Observatorium ein weites Sichtfeld für bildgebende und spektroskopische Beobachtungen bietet, und das ebenfalls ähnliche Coronagraphic-Instrument Bildgebungs- und spektroskopische Fähigkeiten, aber mit einem kleinen Sichtfeld, und kann das Licht von Sternen blockieren, um alle dunklen Exoplaneten zu sehen, die sie umkreisen.

Zusammen werden diese Instrumente, die eifrig an einem Raumfahrzeug arbeiten, das 1,5 Millionen Meilen von der Erde entfernt ist, Fortschritte in zwei schnell wachsenden Feldern bringen: Exoplaneten und dunkle Energie. Sehen wir uns nun an, was die Astronomen zu finden glauben, und sehen Sie sich einige aktuelle Simulationen an.

Suche nach Exoplaneten durch ein neues Objektiv

Die letzten 25 Jahre haben sich für die exoplanetare Astronomie als reich erwiesen. Seit dem ersten bestätigten Nachweis eines Exoplaneten im Jahr 1992 haben Astronomen rund 3.000 Sterne mit 4.000 Exoplaneten gefunden, viele weitere warten auf Bestätigung. Diese Planeten wurden hauptsächlich durch zwei Haupttechniken entdeckt:

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

Beide haben zwar eine spektakuläre Anzahl neuer Welten hervorgebracht, sie sind jedoch beide darauf ausgerichtet, große, massive Planeten in der Nähe ihrer Hoststars zu finden. Es gibt andere Methoden, die diese Vorspannung reduzieren, wie beispielsweise die Mikrolinse der Schwerkraft. Die Mikrolinse basiert auf dem Prinzip, dass ein massives Objekt die Raumzeit und somit Lichtstrahlen durch das Universum verzieht. Dies bedeutet, dass ein Stern das Licht von Hintergrundsternen verzerren sollte - und alle Planeten, die ihn umkreisen, sollten zur Verzerrung beitragen. Es stellt sich heraus, dass diese Abweichungen messbar sind! Diese Technik eignet sich eigentlich sehr gut, um Exoplaneten mit geringer Masse bei Umlaufbahnradien wie die der Erde zu finden, aber im Idealfall sind hochauflösende Teleskope und klarer Himmel erforderlich. Bisher wurden nur sehr wenige Exoplaneten mittels Mikrolinsen entdeckt.

Ein künstlerischer Eindruck von OGLE-2005-BLG-390Lb, einem Exoplaneten, der 2005 durch Gravitations-Mikrolinsen entdeckt wurde. Bildnachweis: ESO unter der Creative Commons Attribution 3.0 Unported-Lizenz.

WFIRST hat das Potenzial, all das zu ändern. Ein Vorteil von WFIRST gegenüber älteren Mikrolinsenumfragen ist, dass es sich im Weltraum befindet, wodurch atmosphärische Verzerrungen vermieden werden. Dies, zusammen mit der hochauflösenden Bildgebung und dem großen Sichtfeld, ermöglicht die Beobachtung vieler schwacher Sterne, die für die Vermessung von Mikrolinsen auf Bodenbasis nicht realisierbar sind.

Ein Papier, das diese Fähigkeit demonstriert, ist Penny et al. 2018, eine Analyse, die im letzten Jahr durchgeführt wurde. Die Gruppe zielte darauf ab, Detektionsraten von Mikrolinsen-Ereignissen mit gebundenen Planeten zu simulieren, d. H. Die Detektion von Mikrolinsen durch Exoplaneten, die Sterne umkreisen, im Gegensatz dazu, dass sie alleine im Weltraum schweben. Sie hatten einige Herausforderungen zu meistern:

  • Das Design von WFIRST hat sich im Laufe der Zeit geändert. Daher mussten mehrere Setups in der Vergangenheit berücksichtigt werden.
  • Die Empfindlichkeitsschwelle für eine Detektion ist selbst für andere Mikrolinsenuntersuchungen nicht vollständig vereinbart.
  • Doppelsterne können viele Fehlalarme erzeugen, wobei eine Komponente einen Exoplaneten nachahmt.

Zunächst haben Penny et al. benutzte ein Programm namens GULLS, um den Himmel unter Verwendung synthetisierter Sternkataloge und eines Modells der Galaxie zu simulieren, wobei die Simulationen sorgfältig auf die tatsächlichen Sichtfelder von WFIRST beschränkt wurden. Sie mussten ein breites Spektrum an Stern- und Planeteneigenschaften enthalten, was durch die Annahme bestimmter Massenfunktionen erreicht wurde - Gesetze, die vorhersagen, wie oft ein Körper einer bestimmten Masse und entsprechende Eigenschaften in einem Datensatz vorkommen. Von dort aus erzeugten sie Mikrolinsen-Ereignisse und überlegten, wie viele tatsächlich mit dem Erfassungsschwellenwert des Teleskops übereinstimmen würden, wobei ein Parameter namens ∆χ² verwendet wurde, der auf 160 eingestellt war Bei einem bestimmten Ereignis wurde es als Erkennung gewertet.

Die Simulationen zeigten, dass WFIRST etwa hundert Exoplaneten der Masse der Erde oder weniger sehen sollte - in der Tat insgesamt 200 weniger als oder gleich 3 Erdmassen, basierend auf dem aktuellen WFIRST-Design („Zyklus 7“). Insgesamt sollte die erste Mikrolinsenuntersuchung mit dieser Methode 1400 Exoplaneten finden, ein Vielfaches der aktuellen Anzahl, die durch Mikrolinsen ermittelt wurde.

Fig. 8, Penny et al. Hier finden Sie eine Reihe von Simulationsergebnissen, die auf verschiedenen WFIRST-Konstruktionen und Massenfunktionen von Exoplaneten basieren. Das Teleskop scheint für Massenplaneten zwischen Erde und Uranus optimiert zu sein, einschließlich Super-Earths, einer hybriden Klasse von terrestrischen Objekten mit dicker Gasatmosphäre.

Insgesamt zeigen die Simulationen eine viel größere Empfindlichkeit gegenüber Exoplaneten im Bereich von 1–10 AU mit Orbitalradien, die der Erde und dem Mars ähneln. Es ist auch zu erwarten, dass es eine Anzahl von Planeten auf der Erde gibt, die in diesem Orbitalbereich noch nie beobachtet wurden. Dies bedeutet, dass WFIRST möglicherweise Planetensysteme wie unseres, Kepler und andere Weltraumteleskope nicht zeigen kann. Das Wesentliche davon kann nicht unterschätzt werden.

Fig. 9, Penny et al. Dies ist die Handlung, die Sie dazu bringen sollte,

Als Ergänzung zu seinen Mikrolinsenmessungen kann WFIRST jetzt auch Exoplaneten durch direkte Bildgebung erkennen. Direkte Bildgebung ist eine Technik, die Bilder eines Sternsystems aufnimmt, das Licht des Sterns jedoch blockiert, so dass das Teleskop schwächere Objekte in der Nähe sehen kann. Dies ist zwar am empfindlichsten für Körper, die ein Vielfaches der Masse an Jupiter ausmachen, aber es funktioniert gut für Exoplaneten, die noch weiter von ihren Sternen umkreisen. Wie das Mikrolinsen hat die direkte Bildgebung bisher jedoch wenig Erfolg gehabt.

Bei der direkten Bildgebung sollte WFIRSTs Coronagraph etwa ein Dutzend Exoplaneten zwischen 3 und 10 AE ihrer Wirtssterne entdecken. Bis heute konnte die direkte Bildgebung durch Teleskope auf der Erde nicht viele Exoplaneten in diesem Bereich finden. Ein Grund mehr, warum WFIRST die Grenzen der Exoplaneten-Astronomie ausdehnen will.

Licht ins Dunkel bringen

Zur selben Zeit, als die Exoplanetologie anstieg, trat die dunkle Energie an die Spitze der modernen Kosmologie. In den späten 1990er Jahren maßen das High-Z Supernova Search Team und das Supernova Cosmology Project Selektionen von Typ Ia-Supernovae - explodierende weiße Zwerge in binären Systemen. Von den meisten dieser Supernovae wird erwartet, dass sie dieselbe Leuchtkraft haben, was sie zu nützlichen Standardkerzen macht. Mit der Supernova vom Typ Ia zur Messung der Rezessionsgeschwindigkeiten von Galaxien lieferten die Gruppen eindeutige Beweise dafür, dass sich die Expansion des Universums beschleunigt - ein Ergebnis, das den Nobelpreis gewinnt.

Abbildungen 4 und 5, Riess et al. 1998. Diese Diagramme zeigen die Entfernungsmodule von Supernovae vom Typ Ia gegen ihre Rotverschiebungen. Der Trend in den Datenpunkten deutete darauf hin, dass sich das Universum ausdehnt - und zwar mit einer zunehmenden Geschwindigkeit.

Astronomen glauben, dass dunkle Energie dafür verantwortlich ist. Wir wissen, dass es überall existiert und ungefähr zwei Drittel des Universums ausmacht, aber niemand weiß, was es eigentlich ist. Eine Haupteigenschaft der dunklen Energie wird in ihrer Zustandsgleichung kodiert, die beschreibt, wie sich Druck und Dichte auf einander beziehen. Die Gleichung beinhaltet eine Schlüsselgröße, die als Zustandsgleichungsparameter bezeichnet wird, w. Dies kann wiederum in einen Ausdruck zerlegt werden, der zwei andere Größen, w₀ und wₐ, umfasst, die den aktuellen Wert von w und seine zeitliche Entwicklung charakterisieren. Durch die Beobachtung von Supernovaen aus unterschiedlichen Entfernungen können wir beide Größen messen.

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

Fig. 4, Hounsell et al. 2018. Hier ist eine Auswahl simulierter Supernova-Lichtkurven, die durch verschiedene Filter angezeigt 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 (den Wide-Field-Camera-Imager oder den IFC-S-Spektrographen) und zu überwachende Bereiche des Himmels. Die elf verschiedenen Strategien, die das Team simulierte, verwendeten verschiedene Kombinationen der oben genannten. Beispielsweise verwendet die Imaging: Lowz-Strategie nur den 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 Typ Ia-Supernovae und deren Lichtkurven erzeugt wurden. Eine Reihe anderer Werkzeuge wurde verwendet, um andere Bestandteile hinzuzufügen, beispielsweise kosmologische Parameter. Anstatt den Erfolg jeder Umfrage anhand der Anzahl der entdeckten Supernovae zu charakterisieren, verwendete das Team eine Menge, die als Gütezahl (FoM) bezeichnet wurde. Je höher das FoM ist, 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 Änderungen der ursprünglich vorgeschlagenen Strategie durch das WFIRST Science Definition Team und verwenden sowohl den IFC-S als auch den WFC, während die letzten beiden Strategien nur für Imaging-Zwecke vorgesehen sind und nur die Wide Field Camera verwenden. Alle sollten FoM-Werte - optimistisch - zwischen 338 und 369 aufweisen, was Standardabweichungen bei den Messungen von w₀ und wₐ von etwa 0,035 und 0,17 impliziert. Verglichen mit 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 mit anderen Methoden (z. B. Untersuchung der akustischen Baryon-Oszillationen im kosmischen Mikrowellenhintergrund) erzeugt werden, oder sogar nach der vom WFIRST-Team vorgeschlagenen ursprünglichen Strategie.

Unabhängig von der verwendeten Beobachtungsstrategie erwarten wir einige gute Ergebnisse von WFIRST im Bereich der dunklen Energie - viel besser als bei anderen Methoden. Wenn sich das WFIRST-Team entscheidet, die Simulationen von Hounsell et al. In Anbetracht dessen werden wir jedoch noch bessere Einschränkungen haben - und das ist nur durch die Beobachtungen der Supernova! WFIRST hat auch das Potenzial, diesen Parametern zusätzliche Beschränkungen aufzuerlegen, indem beobachtet wird, wie sich Galaxien am Himmel ausrichten, was uns hilft, die Verteilung der Masse im Universum herauszufinden und wie dunkle Energie den Kosmos beeinflusst.

Warum ist das WFIRST das Teleskop dazu?

Lassen Sie uns dorthin zurückkehren, wo wir angefangen haben, und stellen Sie eine Schlüsselfrage: Wenn wir das James Webb-Weltraumteleskop (JWST) in wenigen Jahren auf den Markt bringen können, warum brauchen wir dann ein weiteres teures Projekt, das gleichzeitig gebaut wird? Warum kann JWST nicht auch Mikrolinsenmessungen durchführen oder Supernovae aus der Ferne beobachten, um die Natur der dunklen Energie herauszufinden? Es wird schließlich als Nachfolger des Hubble-Weltraumteleskops betrachtet, das seit fast drei Jahrzehnten eine Säule weltraumgestützter Beobachtungen ist.

Nun, WFIRST wurde speziell für die zwei Hauptaufgaben entwickelt, die ich oben beschrieben habe: Mikrolinsen und Supernova-Beobachtungen vom Typ Ia. Wie Penny selbst formuliert hat, besteht ein Vorteil gegenüber JWST - oder jedem anderen weltraumgestützten Teleskop - darin, dass es sowohl eine hohe Auflösung als auch ein großes Sichtfeld hat. Wir wissen nicht, wann ein Mikrolinsenereignis eintreten kann, daher müssen wir größere Teile des Himmels beobachten. WFIRST zeichnet sich durch ein großes Sichtfeld aus und ist in der Lage, hochwertige Daten zu sammeln. Die gleiche Logik gilt für die Forschung in der dunklen Energie. JWST wird in der Lage sein, schwächere und weiter entfernte Supernovae als WFIRST anzuzeigen, zum Teil weil es für längere Wellenlängen des Lichts empfindlich ist. Das große Sichtfeld von WFIRST macht es jedoch zu einem viel besseren Instrument für die Untersuchung der gesamten Supernova-Population.

Eindruck des Künstlers vom Weltraumteleskop James Webb. JWST ist vielleicht eines der aufregendsten Instrumente der nächsten Jahre, aber auch WFIRST - und die beiden sind sehr unterschiedliche Teleskope. Bildnachweis: NASA

Vergessen wir auch nicht das alte Sprichwort, dass zwei Teleskope besser sind als eines. Erinnern Sie sich, warum die Supernova-Strategiestudie an erster Stelle wichtig war: Die Zeit, die WFIRST dafür einsetzen kann, ist extrem begrenzt - vielleicht nur sechs Monate! Das James Webb-Weltraumteleskop mit seinen Fähigkeiten der nächsten Generation zur Untersuchung von Exoplanetenatmosphären und Protogalaxien wird sehr viel los sein, da es nicht die gewaltigen Probleme angeht, mit denen WFIRST mehr Licht aufwirft.

Die Vorhersagen, die ich hier erläutert habe - WFIRST kann 1400 Exoplaneten durch die Gravitations-Mikrolinse entdecken und enge Grenzen in den Eigenschaften der dunklen Energie setzen - sie sind nicht meine. Sie sind das Ergebnis sorgfältiger Simulationen von Astronomen, die das Teleskop sehr genau kennen. Wenn Sie also die leidenschaftliche Verteidigung eines Wissenschaftlers hören, warum wir dieses Teleskop am Leben erhalten müssen, wissen Sie, warum sie so in das Teleskop investiert sind.

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