إليك ما ستجده WFIRST - إذا أمكننا حفظه.

تظهر المحاكاة أن التلسكوب الفضائي من الجيل التالي سيكون غير عادي حقًا.

هذا الاثنين ، أصدر البيت الأبيض ميزانيته المقترحة للسنة المالية 2020 ، والتي تفاصيل التمويل لعدد من الوكالات الفيدرالية ، بما في ذلك ناسا. تقترح الميزانية تخفيضات صافية قدرها 481 مليون دولار لوكالة الفضاء ، بما في ذلك خفض تمويل مذهل بقيمة 381 مليون دولار لتليسكوب المسح العريض للأشعة تحت الحمراء ، أو WFIRST ، المقرر إطلاقه في منتصف عام 2020. هذه هي السنة الثانية على التوالي التي حاولت فيها الإدارة قتل التلسكوب الفضائي ، الذي لم ينقذه الكونغرس العام الماضي.

نسخة أقدم مقترحة من WFIRST ، منذ العودة في عام 2019. ومنذ ذلك الحين ، مر التلسكوب خلال بضع تكرارات مع تغير أهدافه العلمية. الصورة الائتمان: ناسا.

كما كان متوقعًا ، قوبلت الفلكم - الذي يبرره التنافس على تجاوز التكاليف من قِبل جيمس ويب سبيس تلسكوب - بمعارضة كبيرة من قبل علماء الفلك ، الذين يعتبرون WFIRST واحدة من أهم أولويات ناسا للعقد القادم. يجادلون بأن إيقاف المشروع الذي دام ستة أعوام سيكون بمثابة ضربة لعلم الفلك في مجالين أساسيين:

  • علم فلك الكواكب الخارجية ، والذي سيستفيد من آفاق WFIRST الثورية لاكتشاف عوالم جديدة من خلال الإقحام الميكروي والتصوير المباشر.
  • علم الكونيات ، الذي سوف يكتسب قياسات لكثافة الطاقة المظلمة وتطورها وطبيعتها الأساسية من خلال استطلاعات مجرة ​​وفيرنوفا.

ليس من المستغرب أن يهتم العلماء بالحصول على أفكار كمية للنتائج التي يأملون في الحصول عليها من WFIRST ، وقد أجريت عمليات محاكاة مفصلة على مدى السنوات القليلة الماضية في محاولة لتحديد ما ستعثر عليه فقط. لفهم سبب كون بقاء WFIRST أمرًا كبيرًا ، اسمحوا لي أن آخذك في رحلة عبر بعض من تلك المحاكيات لما قد يخزنه عقد 2020.

قبل أن نصل إلى هناك ، عليّ أن أخبركم قليلاً عن المركبة الفضائية التي نتحدث عنها. يتميز WFIRST بتلسكوب 2.4 متر مصمم للكشف عن ضوء الأشعة تحت الحمراء ؛ إنه بنفس حجم تليسكوب هابل الفضائي ، ويمكن رصده في العديد من الأطوال الموجية نفسها. من المحتمل أن يدور في مكان يُطلق عليه نقطة لاغرانج الثانية للأرض ، وتقع خارج الجانب الليلي من الأرض.

رسم تخطيطي للفقرة التوضيحية لـ WFIRST ، يعرض المبرد والتبريد ، والمخطط الطيفي ، والمكونات الرئيسية الأخرى. الصورة الائتمان: ناسا / مركز غودارد لرحلات الفضاء.

تعلق على التلسكوب أداتان تجعلا WFIRST مهمين للغاية: الصك الواسع النطاق (WFI) المسمى على نحو مناسب ، والذي سيعطي المرصد مجالًا كبيرًا للرؤية للتصوير والملاحظات الطيفية ، والأداة Coronagraphic ، التي لها أيضًا أداة مشابهة قدرات التصوير والطيفية ، ولكن مع مجال رؤية صغير ، ويمكن حجب ضوء النجوم لرؤية أي الكواكب الخارجية قاتمة تدور حولها.

وستوفر هذه الأدوات ، التي تعمل بنشاط في مركبة فضائية على بعد 1.5 مليون ميل من الأرض ، تقدمًا في مجالين سريع النمو: الكواكب الخارجية والطاقة المظلمة. الآن ، دعونا نرى ما يعتقد علماء الفلك أنهم سيجدونه - وننظر في بعض عمليات المحاكاة الحديثة.

العثور على الكواكب الخارجية من خلال نوع جديد من العدسات

أثبتت السنوات الـ 25 الماضية وفرة في علم الفلك خارج المجموعة الشمسية. منذ أول اكتشاف مؤكد لكوكب خارج المجموعة الشمسية في عام 1992 ، وجد علماء الفلك 000 4 كوكب خارجي مذهل حول ما يقرب من 3000 نجم ، مع تأكيد العديد منهم. تم اكتشاف هذه الكواكب إلى حد كبير من خلال اثنين من التقنيات الرئيسية:

  • طريقة السرعة الشعاعية ، التي تستخدم التحليل الطيفي لاكتشاف الاضطرابات في حركة نجم ناجمة عن كوكبة خارجية تدور حول كوكب خارج المجموعة الشمسية.
  • طريقة النقل ، والتي تبحث عن الانخفاضات في سطوع النجم عندما تمر كوكب خارج المجموعة الشمسية بين النجم والأرض.

على الرغم من أن كلاهما قد أسفر عن أعداد مذهلة من عوالم جديدة ، إلا أنهما متحيزان لإيجاد كواكب كبيرة وكبيرة وقريبة من نجومها المضيفة. توجد طرق أخرى تقلل من هذا التحيز ، مثل الاستقطاب الدقيق للجاذبية. يعتمد الاستدلال المصغر على مبدأ أن جسمًا ضخمًا يشوه الزمكان ، وبالتالي أشعة الضوء تنتقل عبر الكون. هذا يعني أن النجم يجب أن يشوه ضوء نجوم الخلفية - وأي كواكب تدور حوله يجب أن تسهم في التشويه. اتضح أن هذه الانحرافات قابلة للقياس! هذه التقنية في الواقع جيدة جدًا في العثور على الكواكب الخارجية ذات الكتلة المنخفضة في أنصاف أقطار مدارية مثل الأرض ، لكنها تحتاج بشكل مثالي إلى التلسكوبات عالية الدقة والسماء الصافية. حتى الآن ، تم اكتشاف عدد قليل للغاية من الكواكب الخارجية باستخدام الإقحام.

انطباع فنان عن OGLE-2005-BLG-390Lb ، كوكب خارج المجموعة الشمسية تم اكتشافه من خلال الإقحام الصغير في عام 2005. ائتمان الصورة: ESO ، بموجب ترخيص Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

WFIRST لديه القدرة على تغيير كل ذلك. واحدة من مزايا WFIRST على استقصاءات الإقحام الأصغر الأقدم هي أنه سيكون في الفضاء ، وهو ما يتجنب التشويه في الغلاف الجوي. هذا ، بالإضافة إلى التصوير عالي الدقة والمجال الواسع للرؤية ، يعني أنه يمكنه مراقبة العديد من النجوم الوهمية التي تعد أهدافًا غير ممكنة لمسوحات الاستدلال الأصغر الأرضية.

ورقة واحدة توضح هذه القدرة هي Penny et al. 2018 ، وهو التحليل الذي أجري العام الماضي. تهدف المجموعة إلى محاكاة معدلات اكتشاف أحداث الإلحاق بالكوكب المحيط بالكوكب - أي اكتشاف الإقراض الصغير بواسطة الكواكب الخارجية التي تدور حول النجوم ، بدلاً من الطفو في الفضاء بمفردها. واجهوا بعض التحديات للتعامل مع:

  • لقد تغير تصميم WFIRST بمرور الوقت ، لذا فقد احتاجوا إلى التفكير في العديد من الإعدادات السابقة.
  • لم يتم الاتفاق تمامًا على عتبة الحساسية للكشف ، حتى في استطلاعات الاستدلال الأصغر الأخرى.
  • يمكن أن تنتج النجوم الثنائية الكثير من الإيجابيات الخاطئة ، حيث يحاكي مكون واحد كواكب خارجية.

أولاً ، بيني وآخرون. استخدم برنامجًا يسمى GULLS لمحاكاة السماء باستخدام كتالوجات النجوم المركبة ونموذجًا للمجرة ، مما يقصر عمليات المحاكاة بعناية على مجالات العرض الفعلية لـ WFIRST. كان عليهم تضمين مجموعة واسعة من خصائص النجوم والكوكب ، وهو ما فعلوه من خلال افتراض وظائف كتلة معينة - قوانين تتنبأ بمدى ظهور كتلة من كتلة معينة وخصائص مماثلة في مجموعة بيانات. من هناك ، قاموا بإنشاء أحداث microlensing ونظروا في العدد الذي سيتطابق فعليًا مع حد اكتشاف التلسكوب ، باستخدام معلمة تسمى ∆χ² ، تم ضبطها على 160. إذا كانت كمية إحصائية تُعرف χ² ("chi-squared") أعلى من 160 حدث معين ، فإنه يعتبر بمثابة كشف.

أظهرت عمليات المحاكاة أن WFIRST يجب أن ترى مئة أو أكثر من الكواكب الخارجية خارج كتلة الأرض أو أقل - في الواقع ، ما مجموعه 200 أقل من أو تساوي 3 كتل أرضية ، بناءً على تصميم WFIRST الحالي ("الدورة 7"). إجمالاً ، يجب أن يجد المسح الأول للإقراض الأصغر 1400 كواكب خارجية تستخدم هذه الطريقة ، أي عدة مرات العدد الحالي المكتشف من خلال الإقراض الأصغر.

الشكل 8 ، بيني وآخرون. فيما يلي عدد من نتائج المحاكاة بناءً على تصميمات WFIRST المختلفة ووظائف الكتل الخارجية. يبدو التلسكوب مثالياً لكواكب الكتل بين الأرض وأورانوس ، بما في ذلك الأرض الفائقة ، وهي فئة مختلطة من الأجسام الأرضية ذات الأجواء الغازية السميكة.

بشكل عام ، تُظهر عمليات المحاكاة حساسية أكبر بكثير للكواكب الخارجية في نطاق الاتحاد الأفريقي من 1 إلى 10 ، مع نصف قطر مداري يشبه الأرض والمريخ. يجب أن نتوقع أيضًا رؤية عدد من كواكب كتلة الأرض ، والتي لم يتم ملاحظتها من قبل في هذا النطاق المداري. هذا يعني أن WFIRST قد تكون قادرة على إظهار أنظمة كوكبية لدينا مثل الأنظمة الخاصة بنا ، وهو أمر لا يمكن لـ Kepler والتلسكوبات الفضائية الأخرى القيام به. لا يمكن التقليل من أهمية هذا.

الشكل 9 ، بيني وآخرون. هذه هي المؤامرة التي يجب أن تجعلك تذهب

الآن ، لتكملة قياساتها الخاصة بالإقراض المصغر ، ستتمكن WFIRST أيضًا من اكتشاف الكواكب الخارجية عن طريق التصوير المباشر. التصوير المباشر هو تقنية تلتقط صوراً لنظام نجمي لكنها تمنع الضوء من النجم ، مما يسمح للتلسكوب برؤية أشياء باهتة في الجوار. في حين أن هذا هو الأكثر حساسية للهيئات عدة مرات من كتلة كوكب المشتري ، فإنه يعمل بشكل جيد للكواكب الخارجية التي تدور حول أبعد من نجومها. ومع ذلك ، مثل التصوير المصغر ، لم يحقق التصوير المباشر نجاحًا كبيرًا حتى الآن.

باستخدام التصوير المباشر ، ينبغي أن تكتشف WFIRST coronagraph ربما أكثر من عشرة أو أكثر من الكواكب الخارجية بين 3 و 10 AU من نجومها المضيفة. حتى الآن ، لم يتمكن التصوير المباشر عن طريق التلسكوبات على الأرض من العثور على العديد من الكواكب الخارجية في هذا النطاق - سبب آخر هو تحضير WFIRST لدفع حدود علم الفلك خارج المجموعة الشمسية.

تسليط الضوء على الظلام

في نفس الوقت الذي كانت تنطلق فيه الكواكب الخارجية ، ظهرت الطاقة المظلمة في طليعة علم الكونيات الحديث. في أواخر التسعينيات ، قام فريق بحث Super -ova Supernova ومشروع Supernova لعلم الكونيات بقياس مستقل لمختارات من المستعرات الأعظمية من النوع Ia - متفجرين الأقزام البيضاء في الأنظمة الثنائية. من المتوقع أن يكون لمعظم هذه المستعرات العظمى نفس اللمعان ، مما يجعلها شموع قياسية مفيدة. باستخدام المستعرات العظمى من النوع Ia لقياس السرعات المعهودة في المجرات ، قدمت المجموعات دليلًا واضحًا على أن توسع الكون يتسارع - نتيجة حائزة على جائزة نوبل.

الشكلان 4 و 5 ، ريس وآخرون. 1998. هذه المخططات يرسم وحدات المسافة من المستعرات العظمى من النوع Ia ضد الانزياحات الحمراء. أشار الاتجاه في نقاط البيانات إلى أن الكون يتوسع - وبمعدل متسارع.

يعتقد علماء الفلك أن الطاقة المظلمة هي المسؤولة. نحن نعلم أنه موجود في كل مكان ويشكل حوالي ثلثي الكون ، لكن لا أحد يعرف ما هو عليه بالفعل. يتم تشفير خاصية رئيسية للطاقة المظلمة في معادلة الحالة الخاصة بها ، والتي تصف كيفية ارتباط الضغط والكثافة ببعضها البعض. تتضمن المعادلة كمية أساسية تسمى معادلة معلمة الحالة ، w. وهذا بدوره يمكن أن يتحلل إلى تعبير يتضمن كميتين أخريين ، w₀ و wₐ ، يميزان القيمة الحالية لـ w وتطورها في الوقت المناسب. من خلال مراقبة المستعرات الأعظمية على مسافات مختلفة ، يمكننا قياس كلتا الكميتين.

لقد خطط الفريق الذي يقف خلف WFIRST لمهمة مدتها خمس سنوات للتلسكوب ، والتي تشمل ستة أشهر من عمليات رصد المستعرات الأعظمية باستخدام أداة المجال الواسع. هذا هو وقت قصير نسبيا ، لذلك يحتاج العلماء إلى أن تكون فعالة قدر الإمكان. قررت مجموعة من علماء الفلك (Hounsell et al. 2018) محاكاة 11 تقنية مختلفة لرصد WFIRST للعثور على الاستراتيجية المثلى.

الشكل 4 ، هونسل وآخرون. 2018. إليكم مجموعة مختارة من منحنيات ضوء السوبرنوفا المحاكاة كما يظهر من خلال عدد من المرشحات المختلفة. لاحظ أن حالات عدم اليقين في القياسات تنمو بشكل كبير عند الانزياح الأحمر العالي.

يجب أن أوضح ما نعنيه بـ "الإستراتيجية". في الطريقة التي يتم استخدامها هنا ، يشير المصطلح إلى مجموعة من المرشحات ، أداة (تصوير الكاميرا ذات المجال الواسع أو مخطط IFC-S) ، ومناطق السماء المراد مسحها. الاستراتيجيات الـ 11 المختلفة التي استخدمها الفريق استخدمت مجموعات مختلفة مما سبق. على سبيل المثال ، تستخدم استراتيجية Imaging: Lowz WFC فقط ، وكذلك مرشحي Y + J و J + H.

تضمنت عمليات المحاكاة حزمة برامج تسمى SNANA ، والتي حللت أداء كل استراتيجية ، وكذلك النموذج الطيفي SALT2 ، الذي تم استخدامه لتوليد مجموعات من المستعرات الأعظمية من النوع Ia ومنحنياتها الخفيفة. تم استخدام عدد من الأدوات الأخرى لإضافة مكونات أخرى ، مثل المعلمات الكونية. وبدلاً من وصف نجاح كل مسح بعدد المستعرات العظمى المكتشفة ، استخدم الفريق كمية تسمى رقم الجدارة (FoM). وكلما ارتفعت FoM ، كانت الاستراتيجية أكثر كفاءة ودقة.

في النهاية ، اختار علماء الفلك أربع إستراتيجيات مع أعلى FoMs: SDT * ، SDT * Highz ، Imaging: Allz و Imaging: Highz *. الأولان هما تعديلات الإستراتيجية الأصلية المقترحة من قبل فريق تعريف العلوم WFIRST واستخدام كلاً من IFC-S و WFC ، في حين أن الأخيرين هما إستراتيجيتان للتصوير فقط ، واستخدما فقط كاميرا الحقل العريض. يجب أن تحتوي جميعها على قيم FoM - بتفاؤل - بين 338 و 369 ، مما يعني ضمناً الانحرافات المعيارية على قياسات w₀ و wₐ بحوالي 0.035 و 0.17. مقارنة بالقياسات الحالية وأوجه عدم اليقين الخاصة بـ w₀ و wₐ (−0.91 ± 0.10 و .30.39 ± 0.34) ، فهذه تحسينات كبيرة.

الشكل 13 ، هونسل وآخرون. 2018. فواصل الثقة للاستراتيجيات الأربع المختارة أفضل بكثير من فواصل الثقة التي تنتجها طرق أخرى (مثل دراسة التذبذبات الصوتية لباريون في خلفية الميكروويف الكونية) أو حتى من خلال الاستراتيجية الأصلية التي اقترحها فريق WFIRST.

بغض النظر عن استراتيجية المراقبة المحددة المستخدمة ، نتوقع أن نرى بعض النتائج الجيدة من WFIRST على جبهة الطاقة المظلمة - أفضل بكثير من العثور عليها من خلال طرق أخرى. إذا قرر فريق WFIRST أخذ المحاكاة من Hounsell et al. ومع ذلك ، في الاعتبار ، سيكون لدينا قيود أفضل - وهذا فقط من خلال ملاحظات المستعرات الفائقة! تمتلك WFIRST أيضًا القدرة على وضع قيود إضافية على هذه المعلمات من خلال ملاحظة كيف تصطف المجرات في السماء ، مما يساعدنا على معرفة توزيع الكتلة في الكون وبالتالي كيف تشكل الطاقة المظلمة الكون.

لماذا هو التلسكوب للقيام بذلك؟

دعنا نعود إلى حيث بدأنا ، ونطرح سؤالًا رئيسيًا: إذا كان لدينا James Webb Space Telescope (JWST) جاهزة للإطلاق في غضون بضع سنوات ، لماذا نحتاج إلى بناء مشروع آخر مكلف في نفس الوقت؟ لماذا لا تستطيع JWST أيضًا إجراء قياسات الاستدلال المصغر ، أو مراقبة المستعرات الأعظمية البعيدة لمساعدتنا في معرفة طبيعة الطاقة المظلمة؟ بعد كل شيء ، يتم اعتباره خليفة تلسكوب هابل الفضائي ، أحد أعمدة المراقبة الفضائية منذ ثلاثة عقود تقريبًا.

حسنًا ، لقد تم تصميم WFIRST خصيصًا للمهمتين الرئيسيتين اللتين أوضحتهما أعلاه: الإقحام الدقيق ورصد المستعرات الفائقة من النوع Ia. وكما قال بيني نفسه ، فإن إحدى المزايا التي يتمتع بها على JWST - أو أي تلسكوب فضائي آخر حتى الآن - هو أنه يتميز بدقة عالية ومجال رؤية كبير. لا نعرف متى قد يحدث حدث للاستدارات المصغرة ، لذلك نحتاج إلى مشاهدة أجزاء أكبر من السماء. إن وجود مجال رؤية كبير ، مع إمكانية جمع بيانات عالية الجودة ، يميز WFIRST عن بعضها البعض. وينطبق نفس المنطق عندما يتعلق الأمر بأبحاث الطاقة المظلمة. ستكون JWST قادرة على رؤية المستعرات الأعظمية الباهتة والأبعد عن مثيلاتها في WFIRST ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أنها حساسة لأطوال موجات طويلة من الضوء ، لكن مجال رؤية WFIRST الكبير يجعلها أداة أفضل بكثير لدراسة سكان المستعرات الأعظمية ككل.

انطباع الفنان عن تلسكوب جيمس ويب الفضائي. قد تكون JWST واحدة من أكثر الأدوات إثارة القادمة في السنوات القليلة المقبلة ، ولكن كذلك هي WFIRST - وهما التلسكوبات مختلفة جدا. الصورة الائتمان: ناسا

دعونا أيضًا لا ننسى القول المأثور القديم بأن التلسكوبين أفضل من واحد. تذكر أن دراسة استراتيجية السوبرنوفا كانت مهمة في المقام الأول: مقدار الوقت الذي يمكن أن تخصصه WFIRST لها محدود للغاية - ربما ستة أشهر فقط! سيكون James Webb Space Telescope ، بقدرات الجيل التالي لدراسة أجواء الكواكب الخارجية والكواكب الأولية ، مشغولًا للغاية لأنه بدون مواجهة المشكلات الهائلة التي تهدف WFIRST إلى إلقاء مزيد من الضوء عليها.

التوقعات التي أوضحتها هنا - أن WFIRST يمكنها اكتشاف 1400 كوكب خارج المجموعة الشمسية من خلال الإقحام الدقيق للجاذبية وتوفير حدود ضيقة لخصائص الطاقة المظلمة - ليست لي. إنها نتيجة لمحاكاة دقيقة من قبل علماء الفلك الذين يعرفون التلسكوب عن قرب. لذلك عندما تسمع دفاعًا متحمسًا لأحد العلماء عن سبب حاجتنا إلى إبقاء هذا التلسكوب على قيد الحياة - تمامًا ، فأنت تعرف سبب استثمارهم فيه.

ستصبح العشرينات عقدًا آخر مثيرًا لعلم الفلك. سوف أراك هناك.