Föreställ dig en flotta av 100 Hubble rymdteleskop, utplacerad i en strategisk rymdinkräktare-formad array en miljon miles från jorden, genomsöker universum i varphastighet.

Med NASA:s Wide Field Infrared Survey Telescope, planerad att lanseras i mitten av 2020-talet, denna vision kommer (effektivt) att bli verklighet.

WFIRST kommer att fånga motsvarande 100 högupplösta Hubble-bilder i en enda bild, avbilda stora områden på himlen 1, 000 gånger snabbare än Hubble. På flera månader, WFIRST kunde övervaka lika mycket av himlen i nära-infrarött ljus – i lika detaljerade detaljer – som Hubble har gjort under hela tre decennier.

Elisa Quintana, WFIRST biträdande projektforskare för kommunikation vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, är övertygad om att WFIRST kommer att ha makten att omvandla astrofysik. "För att svara på grundläggande frågor som:Hur vanliga är planeter som de i vårt solsystem? Hur bildas galaxer, utveckla, och interagera? Exakt hur – och varför – har universums expansionshastighet förändrats över tiden? Vi behöver ett verktyg som kan ge oss både en bred och detaljerad bild av himlen. WFIRST kommer att vara det verktyget."

Även om WFIRST ännu inte har öppnat sitt brett, skarpa ögon på universum, astronomer kör redan simuleringar för att visa vad den kommer att kunna se och planera sina observationer.

Denna simulerade bild av en del av vår närliggande galax, Andromeda (M31), ger en förhandsvisning av den stora vidden och fina detaljer som kan täckas med bara en enda pekning av WFIRST. Med hjälp av information från hundratals Hubble-observationer, den simulerade bilden täcker en sträcka på ungefär 34, 000 ljusår över, visar upp det röda och infraröda ljuset från mer än 50 miljoner enskilda stjärnor som kan detekteras med WFIRST.

Även om det kan tyckas vara ett något slumpartat arrangemang av 18 separata bilder, simuleringen representerar faktiskt ett enda skott. Arton kvadratiska detektorer, 4096 gånger 4096 pixlar vardera, utgör WFIRST:s Wide Field Instrument (WFI) och ge teleskopet dess unika fönster ut i rymden.

Med varje pekande, WFIRST kommer att täcka ett område som är ungefär 1⅓ gånger så stort som fullmånen. Som jämförelse, varje enskild infraröd Hubble-bild täcker ett område som är mindre än 1 % av fullmånen.

Fördelarna med hastighet

WFIRST är designat för att samla in den stora data som behövs för att ta itu med viktiga frågor inom ett brett spektrum av ämnen, inklusive mörk energi, exoplaneter, och allmän astrofysik som spänner från vårt solsystem till de mest avlägsna galaxerna i det observerbara universum. Under sin planerade 5-åriga livslängd, WFIRST förväntas samla mer än 20 petabyte information på tusentals planeter, miljarder stjärnor, miljoner galaxer, och de grundläggande krafterna som styr kosmos.

För astronomer som Ben Williams vid University of Washington i Seattle, vem genererade den simulerade datamängden för denna bild, WFIRST kommer att ge en värdefull möjlighet att förstå stora närliggande objekt som Andromeda, som annars är extremt tidskrävande att avbilda eftersom de tar upp en så stor del av himlen.

"Vi har ägnat de senaste decennierna åt att få bilder med hög upplösning i små delar av närliggande galaxer. Med Hubble får du dessa riktigt lockande glimtar av mycket komplexa närliggande system. Med WFIRST, helt plötsligt kan du täcka det hela utan att spendera mycket tid, " sa Williams.

Möjligheten att avbilda ett så stort område kommer att ge astronomer viktiga sammanhang som behövs för att förstå hur stjärnor bildas och hur galaxer förändras över tiden. Williams förklarade att med ett brett fält, "du får de individuella stjärnorna, du får strukturerna de bor i, och de strukturer som omger dem i deras miljö."

Julianne Dalcanton vid University of Washington, som ledde Panchromatic Hubble Andromeda Treasury (PHAT)-programmet som de simulerade data är baserade på, tror också att WFIRSTs kombination av ultratele och supervidvinkel kommer att bli banbrytande. "PHAT-undersökningen av Andromeda var en enorm investering av tid, kräver noggrann motivering och eftertanke. Denna nya simulering visar hur lätt en likvärdig observation kan vara för WFIRST." WFIRST kunde kartlägga Andromeda nästan 1, 500 gånger snabbare än Hubble, bygga ett panorama av galaxens huvudskiva på bara några timmar.

WFIRSTs extraordinära mäthastighet är ett resultat av dess breda synfält, dess smidighet, och dess omloppsbana. Williams förklarade att genom att täcka mer område i ett fält och kunna byta fält snabbare, "du undviker alla de omkostnader som är förknippade med att rikta om teleskopet så många gånger." Dessutom, WFIRST:s omloppsbana en miljon miles ut kommer att ge en vy som i allmänhet är obehindrad av jorden. Medan Hubble ofta kan samla in data under bara hälften av sin låga omloppsbana runt jorden 350 miles upp, WFIRST kommer att kunna observera mer eller mindre kontinuerligt.

Stora undersökningsprogram

Eftersom den kan samla in så mycket detaljerad data så snabbt, WFIRST lämpar sig utmärkt för stora undersökningar. En betydande del av uppdraget kommer att ägnas åt att övervaka hundratusentals avlägsna galaxer för supernovaexplosioner, som kan användas för att studera mörk energi och universums expansion. Ett annat stort program kommer att involvera kartläggning av galaxers former och distribution för att bättre förstå hur universum, inklusive galaxer, mörk materia, och mörk energi – har utvecklats under de senaste 13+ miljarder år.

WFIRST kommer också att spela en viktig roll i räkningen av exoplaneter. Genom att övervaka ljusstyrkan hos miljarder stjärnor i Vintergatan, astronomer förväntar sig att fånga tusentals mikrolinsningshändelser – en liten ökning av ljusstyrkan som uppstår när en planet passerar mellan teleskopet och en avlägsen stjärna. WFIRST:s förmåga att upptäcka planeter som är relativt små eller långt ifrån sina egna stjärnor – såväl som oseriösa planeter, som inte kretsar runt någon stjärna alls – kommer att hjälpa till att fylla stora luckor i vår kunskap om planeter bortom vårt solsystem. Även om mikrolinsning inte ger oss möjligheten att se exoplaneter direkt, WFIRST kommer också att bära en koronagraf, ett teknikdemonstrationsinstrument utformat för att blockera tillräckligt mycket av det bländande stjärnljuset för att göra direkt avbildning och karaktärisering av planeter som kretsar möjlig.

Dessa stora undersökningar förväntas också avslöja det oväntade:konstigt, övergående fenomen som aldrig tidigare har observerats. "Om du täcker mycket av himlen, du kommer att hitta de där sällsynta sakerna, " förklarade Williams.

Open Access-data

Att ytterligare bredda dess potentiella inverkan, all data som samlas in av WFIRST kommer att vara icke-proprietär och omedelbart tillgänglig för allmänheten. Dalcanton underströk vikten av denna aspekt av uppdraget:"Tusentals hjärnor från hela världen kommer att kunna tänka på den datan och komma på nya sätt att använda den. Det är svårt att förutse vad WFIRST-data kommer att låsa upp, men jag vet att ju fler vi har som tittar på det, desto högre takt i upptäckten."

Kompletterar andra observatorier

WFIRSTs kombination av talanger kommer att vara ett värdefullt komplement till andra observatorier, inklusive Hubble och rymdteleskopet James Webb. "Med hundra gånger Hubbles synfält, och förmågan att snabbt övervaka himlen, WFIRST kommer att vara ett extremt kraftfullt upptäcktsverktyg, " förklarade Karoline Gilbert, WFIRST Mission Scientist vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. "Webb, som är 100 gånger känsligare och kan se djupare in i det infraröda, kommer att kunna observera de sällsynta astronomiska objekt som upptäckts av WFIRST i utsökt detalj. Under tiden, Hubble kommer att fortsätta att ge en unik bild av det optiska och ultravioletta ljuset som sänds ut av objekten som WFIRST upptäcker, och Webb följer upp."

Den simulerade bilden presenteras vid det 235:e mötet i American Astronomical Society i Honolulu, Hawaii.