Hur ser NASA:s framtid ut? Kommer nästa generations teleskop att undersöka de första svarta hålen i det avlägsna universum eller kommer det att leta efter liv på en jordliknande planet ljusår bort? Som under de senaste decennierna, byrån kommer inte att fatta det beslutet i ett vakuum eller utan att förstå de tekniska hindren, som är enorma.

Redan, team av experter från hela byrån, akademin, och industrin studerar fyra potentiella flaggskeppsuppdrag som vetenskapsgemenskapen har bedömt som värdiga sysselsättningar under 2020 års Decadal Survey for Astrophysics. I mars, de lämnade delrapporter. Nästa år, de förväntas slutföra slutrapporter som National Research Council sedan kommer att använda för att informera sina rekommendationer till NASA om ett par år.

"Det här är speltid för astrofysik, sa Susan Neff, chefsforskare för NASA:s Cosmic Origins Program. "Vi vill bygga alla dessa koncept, men vi har inte budget för att göra alla fyra samtidigt. Poängen med dessa decadalstudier är att ge medlemmar av astrofysikgemenskapen bästa möjliga information när de bestämmer vilken vetenskap de ska göra först."

NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, leder två:Large Ultraviolet/Optical/Infrared Surveyor (LUVOIR) och Origins Space Telescope (OST). NASA:s Jet Propulsion Laboratory (JPL) i Pasadena, Kalifornien, och Marshall Space Flight Center i Huntsville, Alabama, under tiden, leder Habitable Exoplanet Imager (HabEx) respektive X-ray Surveyor, känd som Lynx (se detaljer om varje).

Oavsett vilket uppdrag NASA slutligen väljer eller vilken teknik den flyger, byrån och enskilda centra har börjat investera i avancerade verktyg som behövs för att driva dessa djärva, banbrytande koncept i framtiden, sa Thai Pham, teknikutvecklingschefen för NASA:s Astrophysics Program Office. "Jag säger inte att det kommer att bli lätt. Det kommer inte att bli, " fortsatte han. "Detta är ambitiösa uppdrag, med betydande tekniska utmaningar, många av dem överlappar och gäller alla. Den goda nyheten är att grunden läggs nu."

Oöverträffad stabilitet på Picometer-nivå

LUVOIR ger ett exempel.

Ett koncept av observatoriet föreställer sig en överdimensionerad, segmenterad primärspegel cirka 49 fot i diameter. Med denna behemoth, LUVOIR kunde hjälpa till att svara på hur livet började, vilka förhållanden är avgörande för bildandet av stjärnor och galaxer, och kanske mest övertygande, är jorden sällsynt i kosmos?

"LUVOIR kommer att söka efter tecken på liv, men det stannar inte där. Den kommer att berätta för oss hur livet kom dit och hur sällsynt liv är i kosmos, " sa Shawn Domagal-Goldman, biträdande studieforskare. "Detta uppdrag är ambitiöst, " samtyckte studieforskaren Aki Roberge, "men att ta reda på om det finns liv utanför solsystemet är priset. All teknologi, höga stolpar drivs av detta mål."

För att direkt avbilda planeter i jordstorlek och bedöma deras atmosfärer, LUVOIR skulle behöva ta emot ljus från ett relativt litet föremål som är minst 10 miljarder gånger svagare än stjärnan den omger. Det här skulle vara som att urskilja ett föremål som inte är bredare än ett människohår på ett avstånd från två fotbollsplaner, sa Roberge.

Att göra detta, LUVOIRs optik och tillhörande hårdvara måste vara ultrastabil; det är, dessa komponenter kan inte röra sig eller förvränga mer än 12 pikometer – ett mått som är mindre än storleken på en väteatom. Inte bara skulle observatoriet behöva upprätthålla dessa krävande standarder när de gör en mätning, så skulle dess spegelsegment.

Som den 21-fots primära spegeln på James Webb Space Telescope, LUVOIRs spegel skulle bestå av justerbara segment som skulle vecklas ut efter lanseringen. Eftersom att fånga ljus från en svag och avlägsen källa skulle kräva en exakt fokuserad vågfront, ställdon eller motorer fästa på baksidan av varje spegel skulle sedan aktivt justera och rikta in segmenten för att uppnå en perfekt fokus.

"Fysisk stabilitet, plus aktiv kontroll på primärspegeln och en intern koronagraf (en enhet för att blockera stjärnljus) kommer att resultera i piometernoggrannhet, ", sa Roberge. "Allt handlar om kontroll."

Redan ett Goddard-team har börjat utveckla laboratorieverktyg som dynamiskt kan upptäcka förvrängningar i piometerstorlek som uppstår när material som används för att bygga teleskop krymper eller expanderar på grund av kraftigt fluktuerande temperaturer eller när de utsätts för hårda uppskjutningskrafter. Skulle NASA välja LUVOIR som sitt nästa flaggskeppsuppdrag, NASA skulle kunna använda detta verktyg för att säkerställa att byrån bygger ett observatorium för dessa riktmärken.

Undertrycka Starlight:A Shared Technical Challenge

HabEx, även om det är fysiskt mindre än LUVOIR, skulle också direkt avbilda planetsystem och analysera sammansättningen av planeternas atmosfärer med sin stora segmenterade spegel. Dessutom, det kommer att möjliggöra ett brett utbud av allmän astrofysik, från att studera de tidigaste epokerna av universums historia, att förstå livscykeln och dödsfallen för de mest massiva stjärnorna, som i slutändan tillhandahåller de element som behövs för att stödja livet som vi känner det.

Som LUVOIR, den, för, måste flyga en stor, stabilt teleskop som är känsligt för ultraviolett ljus, optisk, och nära-infraröda fotoner samt teknik för att blockera moderstjärnans starka ljus och skapa en mörk zon som avslöjar närvaron av en planet i storleken av jorden.

"För att direkt avbilda en planet som kretsar runt en närliggande stjärna, vi måste övervinna en enorm barriär i dynamiskt omfång:stjärnans överväldigande ljusstyrka mot den svaga reflektionen av stjärnljus från planeten, med bara en liten vinkel som skiljer de två åt, sa Neil Zimmerman, en NASA-expert inom området koronografi. "Det finns ingen standardlösning på det här problemet eftersom det är så olik alla andra utmaningar inom observationsastronomi."

För att övervinna utmaningen – likt att försöka fotografera en eldfluga som kretsar runt en gatlykta på tusentals kilometers avstånd – studerar forskare olika metoder för att undertrycka stjärnljus, inklusive externa kronbladsformade stjärnskärmar som blockerar ljus innan det kommer in i teleskopet och interna koronagrafer som använder masker och andra komponenter för att förhindra stjärnljus från att nå detektorerna. HabEx-teamet undersöker båda teknikerna.

Men ett stort hinder kvarstår:även med flera koronagrafiska masker, stjärnljuset kommer fortfarande att komma igenom, sa Rémi Soummer, en forskare vid Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. Starlight kommer att diffraktera från kanterna på en koronagrafs optiska komponenter, vilket gör det svårt att helt blockera ljuset för att se en liten planet som kretsar runt stjärnan. En möjlig lösning är att applicera kolnanorör på de koronagrafiska maskerna som modifierar mönstret av diffrakterat ljus.

Sommar, som skapade en toppmodern testbädd för att utvärdera olika koronagrafiska tillvägagångssätt främst för LUVOIR, samarbetar med den tidigare Goddard optiska ingenjören John Hagopian för att testa effektiviteten av Hagopians kol-nanorörsteknik för denna applikation. Denna supersvarta beläggning består av flerväggiga nanorör 10, 000 gånger tunnare än ett hårstrå. "När ljus tränger in i nanorörskogen med minimal reflektion, ljusets elektriska fält exciterar elektronerna, förvandla ljus till värme och effektivt absorbera det, " förklarade Hagopian, nu en Goddard-entreprenör.

Testresultaten hittills är lovande, sa Soummer. Men domen är fortfarande ute. Medan Hagopian arbetar för att förbättra sin tekniks förmåga att absorbera nästan allt ljus, Soummer planerar att testa coronagrafmasker med en annan ljusdämpande teknik som kallas silikongräs. Utvecklad av JPL-forskare, kiselgräs består av en skog av små nålar etsade in i ytan på en tunn kiselwafer. "Mitt jobb är att jämföra prestanda för de olika teknikerna, sa Soummer.

"Detektorer, Detektorer, Detektorer"

Även om stora uppsättningar av detektorer som mäter i miljontals pixlar är ett måste för LUVOIR, HabEx, och Lynx, de är särskilt viktiga för OST, ett långt infrarött observatorium utformat för att observera universums yttersta delar.

"När människor frågar om tekniska luckor i utvecklingen av Origins Space Telescope, Jag säger till dem att de tre främsta utmaningarna är detektorer, detektorer, detektorer, " sa Dave Leisawitz, en Goddard-forskare och OST-forskare. "Allt handlar om detektorerna."

NASA-forskare utvecklar för närvarande olika typer av supraledande detektorer för nästa generations teleskop, men OST skulle kunna dra mer nytta av någon av två nya typer:Transition Edge Sensors (TES) eller Kinetic Inductance Detectors (KIDs). TES detectors have reached a high degree of technological maturity and are now used in HAWC+, an instrument on NASA's Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, commonly known as SOFIA. "While relatively early in its technology readiness, KIDs are quickly maturing, and may find uses in future astronomical instruments, " said Johannes Staguhn, a detector expert at Goddard and deputy study scientist and instrument scientist for OST.

Dock, neither detector technology can fulfill its promise unless the observatory is actively cooled to a frosty 4 kelvin, or -452.47 degrees Fahrenheit. That's because the light it's collecting—light that first began its journey across the universe literally billions of years ago—reaches space telescopes as heat. If the observatory and its instruments generate too much heat, it will overwhelm the signal the telescope wants to collect and measure.

Som ett resultat, OST's segmented primary mirror—now projected to span nearly 30 feet in diameter—would have to be cooled to about 4 K. If NASA chooses OST, the observatory would be NASA's first actively cooled telescope. According to Leisawitz, the OST team would like to achieve this by flying layers of sunshields that would envelope the mirror and radiate heat away from it. Four cryocoolers or heat sinks would then mechanically absorb the residual heat to maintain the mirror's 4 K target temperature.

OST's instrument detectors must be cooled as well—to 0.05 K, or one twentieth of a degree above absolute zero. This is 80 times colder than the observatory itself. The study team believes it can accomplish this technical feat with a multi-stage continuous adiabatic demagnetization refrigerator (CADR).

The technology, developed by Goddard cryogenic engineers, has flown on past X-ray missions. It cools to this very low temperature by varying the magnetic fields inside rods of specialized materials and ultimately conducting heat away to a 4 kelvin cryocooler. "The CADR has no moving parts, produces no vibrations, and works independent of gravity, making it very suitable for space missions, " said Goddard cryogenic engineer Jim Tuttle.

Mirrors and Cool Detectors to Reveal the Hidden Universe

Cooling technologies and higher-performing detectors also present challenges for Lynx. Named after the sharp-sighted feline, the proposed observatory is the only of the four to examine the universe in X-rays. One of its principal jobs would be to detect this more energetic form of light coming from supermassive black holes at the center of the very first galaxies.

"Supermassive black holes have been observed to exist much earlier in the universe than our current theories predict, " said Rob Petre, a Lynx study member at Goddard. "We don't understand how such massive objects formed so soon after the time when the first stars could have formed. We need an X-ray telescope to see the very first supermassive black holes, in order to provide the input for theories about how they might have formed."

För att reda ut mysteriet, the Lynx study team is considering flying an X-ray microcalorimeter imaging spectrometer, among other instruments. With microcalorimetry, X-ray photons strike the detector's absorbers and their energy is converted to heat, which a thermometer then measures. The heat is directly proportional to the X-ray's energy, which can reveal much about the target's physical properties. Because microcalorimeters essentially are thermometers, they must be cooled to cryogenic temperatures to detect these fleeting, hard-to-capture X-rays.

NASA has made strides in these areas, Petre said. A Goddard team provided the cooling technology, a two-stage ADR, and a 36-pixel microcalorimeter array for the Japanese Suzaku and Astro-H missions. For Lynx, dock, these technologies must become larger and more capable.

För närvarande, Goddard scientists Simon Bandler and Caroline Kilbourne are scaling up the size of the microcalorimeter array and, faktiskt, are developing a 4, 000-pixel microcalorimeter array for the European Space Agency's Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, or Athena, mission. Athena is expected to launch in the late 2020s. Their goal is to ultimately create an array containing 100, 000 pixels. Under tiden, Goddard cryogenic experts, led by Tuttle, are adding stages to the refrigerator. The same multi-stage cooling system baselined for Lynx also could be used on OST, Tuttle said.

Lynx also would require a lightweight optic offering a significantly larger collection area and dramatically improved resolution. Unlike other mirrors that collect less energetic light, X-ray optics must be curved and nested inside a canister so that incoming photons graze the mirrors' surface and deflect into the observatory's instruments. The greater the number of mirrors, the higher the resolution.

One possible approach is using a relatively inexpensive, easily reproducible optic made of single-crystal silicon, a hard, brittle, non-metallic element used to make computer chips. Now being developed by NASA optics expert Will Zhang, the material has proven effective at gathering X-rays, Petre said. Because these mirrors are thin and lightweight, Lynx could carry thousands of individual mirror segments to improve its light-gathering power.

Although two other competing technologies exist, Zhang is confident Lynx would profit from his work. "The quality of the mirrors we are making today is several times better than a year ago. We are meeting or close to meeting Lynx requirements, but a year or so from now, we definitely will be meeting them."