Ett nytt optiksystem som efterliknar strukturen hos en hummers ögon skulle göra det möjligt för ett konceptuellt uppdrag i Explorerklass att exakt lokalisera, karakterisera, och larma andra observatorier om källan till gravitationsvågor, som orsakas av några av de mest kraftfulla händelserna i universum.

Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, kommer att studera genomförbarheten av Transient Astrophysics Observatory på den internationella rymdstationen, eller ISS-TAO. Uppdraget valdes, tillsammans med två andra liknande begrepp, som ett potentiellt Möjlighetsuppdrag. Under 2019, NASA förväntas välja ett koncept för konstruktion och uppskjutning.

"Det här uppdraget är mer relevant idag än någonsin tidigare, " sade uppdragets huvudutredare Jordan Camp, som leder ett internationellt team för att mogna konceptet och finjustera dess två instrument:en Goddard-försedd mjuk röntgenwide-field Imager, eller WFI, och Gamma-Ray Transient Monitor som tillhandahålls av Israel Space Agency.

"Detekteringen av gravitationsvågor i slutet av 2015 var en vattendelare, ", sa Camp. "Gravitationsvågor är så olika, så nytt. Vi vill ha ett sätt att koppla samman konventionell elektromagnetisk astronomi med denna framväxande vetenskap."

All-Sky-övervakning

Från sin sittplats ombord på den internationella rymdstationen, eller ISS, uppdraget skulle övervaka himlen på jakt efter övergående röntgenstrålar och gammastrålar – de flyktiga, svår att fånga, högenergifotoner som släpps lös under sammanslagningar av svarta hål och neutronstjärnor och supernovor. Dessa kraftfulla omvälvningar genererar gravitationsvågor.

Första postulerade av Albert Einstein för ett sekel sedan, gravitationsvågor produceras när massiva föremål som rör sig nära ljusets hastighet spiral ihop och smälter samman i universum. Rörelsen och den resulterande kollisionen skapar vågor i rymdtidens struktur, strålar ut i alla riktningar, ungefär som hur vattnet skvalpar när en sten kastas i en damm.

Förra året i ett bombmeddelande, forskare avslöjade att det markbaserade Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, eller LIGO, hade upptäckt gravitationsvågor från inte en enda, men två separata händelser som involverar kollision av svarta hål i andra galaxer; andra har rapporterats sedan dess. För denna upptäckt, de tre fysikerna som banade väg för LIGO-anläggningen – Rainer Weiss, Kip Thorne, och Barry Barish – tilldelades nyligen 2017 års Nobelpris i fysik.

Och då, den 16 oktober, LIGO tillkännagav den första upptäckten någonsin av gravitationsvågor från sammanslagning av två neutronstjärnor. Mindre än två sekunder senare efter att vågorna sköljt över jordens rum-tid, NASA:s Fermi Gamma-ray rymdteleskop upptäckte en svag explosion av högenergiljus - det första någonsin som otvetydigt var kopplat till en gravitationsvågskälla. En halv dag senare, observatorier runt om i världen hade hittat platsen i synligt ljus, pekar ut en gravitationsvågkälla för första gången.

För närvarande, nästan allt som forskare vet om kosmos kommer från att detektera och analysera ljuset från kosmologiska källor i alla dess former över det elektromagnetiska spektrumet – radio, infraröd, synlig, ultraviolett, röntgenstrålar, och gammastrålar. Varje våglängd lägger till en annan detalj om kompositionen, temperatur, och hastigheten för dessa källor, bland andra fysiska egenskaper.

Bekräftelsen på att gravitationsvågor existerar har öppnat ett nytt fönster på universum, ge forskare en ny syn som kommer att komplettera det de redan har lärt sig genom mer traditionella observationsmetoder. Läger, som hjälpte till att utveckla LIGOs lasrar och optik och var en av författarna på tidningen som tillkännagav den första upptäckten, tror att uppdraget har en speciell nisch att fylla i denna framväxande gren av astrofysik.

Special nisch inom gravitationsvågsvetenskap

Uppdraget kommer att vara en vaktpost, sade uppdragets biträdande huvudutredare Scott Barthelmy.

Förutom att utföra all-sky-undersökningar av transienta röntgenkällor, det kommer mer exakt att lokalisera röntgenmotsvarigheterna till källor till gravitationsvåghändelser, samla data, och kommunicera sin position till andra observatorier så att de kan påbörja sina egna observationer.

"LIGO and Virgo (en nyligen uppgraderad interferometeranläggning i Pisa, Italien) bildar det avancerade nätverket av gravitationsvågsobservatorier, " sa Camp. "De kommer att uppmärksamma oss på de mest spännande kandidaterna, som de sista ögonblicken i ett kompakt binärt system. Även om dessa anläggningar kan upptäcka krusningarna i rumtiden, de kan inte fokusera gravitationsvågor och istället uppnå sin källlokalisering genom att tajma störande signaler, Lägret förklarade. de kan inte exakt lokalisera sina källor."

I kontrast, nyttolasten skulle peka sin hummeroptik mot den stora delen av himlen som identifierats av LIGO och Jungfrun och sedan fokusera de medföljande röntgenstrålarna för att lokalisera och karakterisera dessa källor, han sa.

För närvarande, rymdteleskopet Hubble, Fermi Gamma-ray rymdteleskop, Swift Gamma-Ray Burst Mission, rymdteleskopet Spitzer, och Chandra X-ray Observatory letar efter elektromagnetiska motsvarigheter. Tillsammans med dussintals markbaserade observatorier, alla detekterade ljus från neutronstjärnans sammanslagning, låter astronomer studera efterdyningarna av en gravitationsvåghändelse för första gången.

Dock, uppdraget är särskilt väl lämpat för uppgiften, sade uppdragets medutredare Judy Racusin.

Ett av dess instrument, WFI, är utrustad med den nya hummeröga-optiken, som efterliknar strukturen hos kräftdjurets ögon. Hummerögon består av långa, smala celler som var och en reflekterar en liten mängd ljus från en given riktning. Detta gör att ljuset från ett brett visningsområde kan fokuseras till en enda bild.

WFI:s optik fungerar på samma sätt. Dess ögon är mikrokanalplattor - tunna, böjda plattor av material prickade med små rör över ytan. Röntgenljus kan komma in i dessa rör från flera vinklar och fokuseras genom reflektion av beteinfall, ger tekniken ett brett synfält som är nödvändigt för att hitta och avbilda övergående händelser som inte kan förutsägas i förväg. Annat än i en klingande raketdemonstration, lobster-eye-optik har ännu inte använts i en rymdapplikation, sa Camp.

Uppdragets kaj ombord på rymdstationen erbjuder en annan fördel, sa missionsforskaren Robert Petre, tillägger att den kretsande utposten tillhandahåller kommunikation, kraft, och andra tjänster som driver upp kostnaderna för rymdfarkoster. "Vi vill använda den här fantastiska anläggningen för exakt vad den var designad för att göra - tillhandahålla snabba, tillgång till rymden till låg kostnad."

Skulle ISS-TAO väljas som ett tillfälle för upptäcktsresande, Camp tror att han skulle kunna slutföra uppdraget och lansera 2022, bara några år efter den planerade uppskjutningen av rymdteleskopet James Webb. Webb-observatoriet kan också anlitas för att observera de explosiva händelserna som genererar gravitationsvågor, sa Camp.

"Vi började arbeta med detta uppdragskoncept innan LIGO gjorde upptäckten, " Camp sa, hänvisar till FoU-finansierade insatser som påbörjades för cirka fem år sedan. "Upptäckten av gravitationsvågor har verkligen tillfört mycket spänning och öppnat en revolutionerande ny gräns inom astrofysik. Vi tror att vårt uppdrag kan avsevärt förbättra gravitationsvågsvetenskapen."