NASA:s Wide Field Infrared Survey Telescope, illustreras här, kommer att flyga i mitten av 2020-talet och ge astronomer den mest kompletta bilden av kosmos hittills. Kredit:NASA:s Goddard Space Flight Center/CI Lab
NASA börjar designa sitt nästa stora astrofysikuppdrag, ett rymdteleskop som kommer att ge den största bilden av universum som någonsin setts med samma djup och klarhet som rymdteleskopet Hubble.
Planerad att lanseras i mitten av 2020-talet, Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) kommer att fungera som Hubbles storögda kusin. Även om de är lika känsliga som Hubbles kameror, WFIRST:s 300 megapixel Wide Field Instrument kommer att avbilda ett himmelsområde som är 100 gånger större. Detta innebär att en enda WFIRST-bild kommer att innehålla motsvarande detalj av 100 bilder från Hubble.
"En bild från Hubble är en fin affisch på väggen, medan en WFIRST-bild täcker hela väggen i ditt hus, sa David Spergel, medordförande för WFIRST vetenskapsarbetsgruppen och Charles A. Young professor i astronomi vid Princeton University i New Jersey.
Uppdragets breda synfält gör att det kan generera aldrig tidigare sett stora bilder av universum, som kommer att hjälpa astronomer att utforska några av de största mysterierna i kosmos, inklusive varför universums expansion verkar accelerera. En möjlig förklaring till denna snabbhet är mörk energi, ett oförklarat tryck som för närvarande utgör 68 procent av det totala innehållet i kosmos och kan ha förändrats under universums historia. En annan möjlighet är att denna skenbara kosmiska acceleration pekar på nedbrytningen av Einsteins allmänna relativitetsteori över stora delar av universum. WFIRST kommer att ha makten att testa båda dessa idéer.
För att lära dig mer om mörk energi, WFIRST kommer att använda sin kraftfulla 2,4-metersspegel och Wide Field Instrument för att göra två saker:kartlägga hur materia är uppbyggd och fördelad över hela kosmos och mäta hur universum har expanderat över tiden. I processen, uppdraget kommer att studera galaxer över kosmisk tid, från nuet tillbaka till när universum bara var en halv miljard år gammalt, eller cirka 4 procent av sin nuvarande ålder.
"För att förstå hur universum utvecklades från en het, enhetlig gas till stjärnor, planeter, och människor, vi måste studera början av den processen genom att titta på universums tidiga dagar, " sa WFIRST Project Scientist Jeffrey Kruk vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Vi har lärt oss mycket från andra breda undersökningar, men WFIRSTs kommer att vara de mest känsliga och ge oss vår längsta blick bakåt i tiden."
WFIRST kommer att göra detta genom flera observationsstrategier, inklusive undersökningar av exploderande stjärnor som kallas supernovor och galaxhopar, och kartlägga fördelningen av galaxer i tre dimensioner. Att mäta ljusstyrkan och avstånden för supernovor gav de första bevisen för närvaron av mörk energi. WFIRST kommer att utöka dessa studier till större avstånd för att mäta hur mörk energis inflytande ökade över tiden.
WFIRST kommer att mäta exakta avstånd till galaxhopar för att kartlägga hur de växte över tiden. Uppdraget kommer också att fastställa avstånden till miljontals galaxer genom att mäta hur deras ljus blir rödare på större avstånd, ett fenomen som kallas rödförskjutning. Ju längre bort en galax är, desto rödare blir dess ljus när vi ser det. Att kartlägga 3D-positionerna för galaxer kommer att göra det möjligt för astronomer att mäta hur fördelningen av galaxer har förändrats över tiden, ger ytterligare ett mått på hur mörk energi har påverkat kosmos.
Wide Field Instrument kommer också att tillåta WFIRST att mäta materia i hundratals miljoner avlägsna galaxer genom ett fenomen som dikteras av Einsteins relativitetsteori. Massiva objekt som galaxer kröker rumtiden på ett sätt som böjer ljus som passerar nära dem, skapar en förvrängd, förstorad bild av avlägsna galaxer bakom dem. Med hjälp av denna förstoringsglaseffekt, kallad svag gravitationslinsning, WFIRST kommer att måla upp en bred bild av hur materia är uppbyggd i hela universum, tillåta forskare att sätta den styrande fysiken för dess sammansättning på det ultimata testet.
WFIRST kan använda samma ljusböjningsfenomen för att studera planeter bortom vårt solsystem, kända som exoplaneter. I en process som kallas mikrolinsning, en förgrundsstjärna i vår galax fungerar som linsen. När dess rörelse slumpmässigt är i linje med en avlägsen bakgrundsstjärna, linsen förstoras, lyser upp och förvränger bakgrundsstjärnan. När linsstjärnan driver längs i sin bana runt galaxen och inriktningen skiftar, det gör även stjärnans skenbara ljusstyrka. Det exakta mönstret för dessa förändringar kan avslöja planeter som kretsar kring linsstjärnan eftersom planeterna själva fungerar som gravitationslinser i miniatyr. Sådana justeringar måste vara exakta och bara vara timmar.
WFIRST:s mikrolinsundersökning kommer att övervaka 100 miljoner stjärnor i hundratals dagar och förväntas hitta cirka 2, 500 planeter, med ett betydande antal steniga planeter i och utanför regionen där flytande vatten kan finnas. Denna planetdetekteringsmetod är tillräckligt känslig för att hitta planeter som är mindre än Mars, och kommer att avslöja planeter som kretsar kring sina värdstjärnor på avstånd som sträcker sig från närmare än Venus till bortom Pluto.
Dessa resultat kommer att göra WFIRST till en idealisk följeslagare för uppdrag som NASAs Kepler och den kommande Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), som är bäst lämpade för att hitta större planeter som kretsar närmare sina värdstjärnor. Tillsammans, upptäckter från dessa tre uppdrag kommer att hjälpa till att slutföra folkräkningen av planeter bortom vårt solsystem, hjälper oss att lära oss hur planeter bildas och migrerar in i system som vårt eget. De kombinerade data från dessa uppdrag ger insikt om planeter i det kritiska området som kallas den beboeliga zonen, kretsloppsavståndet från en värdstjärna som skulle tillåta en planets yta att hysa flytande vatten – och potentiellt liv.
WFIRST kommer också att ha ett demonstrationsinstrument för koronagrafteknik designat för att direkt avbilda exoplaneter genom att blockera en stjärnas ljus, så att de mycket svagare planeterna kan observeras. Som NASA:s första avancerade koronagraf i rymden, det blir 1, 000 gånger mer kapabel än någon tidigare flugit. Detta är ett viktigt steg mot framtida direktavbildningsuppdrag som kommer att studera verkligt jordliknande planeter som upptäckts i närheten. Instrumentet kommer att kunna avbilda gasjätteplaneter som kretsar kring mogna solliknande stjärnor, tillåta forskare att studera dem på sätt som inte har varit möjliga tidigare. Forskare hoppas kunna använda koronagrafen för att fastställa viktiga egenskaper hos dessa planeter, såsom deras atmosfäriska sammansättning.
WFIRST kommer att fungera som ett viktigt verktyg för vetenskapssamhället genom dess General Observer och arkivdataanalysprogram. All WFIRST-data kommer att vara allmänt tillgänglig omedelbart efter bearbetning och leverans till arkivet. Också, genom att lämna in förslag genom det konkurrensutsatta programmet, forskare runt om i världen kommer att kunna använda observatoriet för att studera kosmos på sitt eget sätt, från de närmaste exoplaneterna ut till kluster av avlägsna galaxer.
Uppdraget kommer att komplettera andra uppdrag som förväntas fungera under det kommande decenniet, särskilt rymdteleskopet James Webb, planerad att lanseras 2019. Webb ger en detaljerad titt på sällsynta och intressanta föremål, medan WFIRST kommer att ta en bred titt på universum. WFIRST kommer också att komplettera nya markbaserade observatorier såsom Large Synoptic Survey Telescope (LSST) under utveckling. Genom att kombinera data från WFIRST och LSST, forskare kommer att kunna se universum i nio olika våglängder, data som kommer att ge den mest detaljerade vidvinkelvyn av universum hittills.
Genom att vara banbrytande för en rad innovativa teknologier, WFIRST kommer att fungera som ett mångsidigt uppdrag, ger en stor bild av universum och hjälper oss att svara på några av de mest djupgående frågorna inom astrofysik, till exempel hur universum utvecklades till det vi ser idag, dess yttersta öde och om vi är ensamma.
"Genom att bygga det här teleskopet möjliggör vi en mängd vetenskap och förmågan att ta itu med den typen av frågor, " sa Spergel. "Det är djupt intressant inte bara för forskare, men den som ser upp mot himlen och undrar."
