De Toekomstige Ruimtetelescoop

Vrij naar Jonathan O'Callaghan

De eerste stappen om het duizenden jaren oude mysterie van onze ware plaats in het universum op te lossen, vonden plaats op een frisse en vroege dinsdagochtend in de onopvallende vergaderruimte van een hotel in Washington, D.C. Hier verzamelde een team van legendarische helden zich op Halloween – Gandalf en een Star Trek-kapitein onder hen. Toch waren dit niet alleen maar kostuums die werden aangetrokken door trick-or-treat-wetenschappers. Ze vormden een passende metafoor voor de zestig astronomen die waren uitgekozen om aan een van de grootst denkbare taken te beginnen, niet alleen op het gebied van de ruimtewetenschap maar in het hele spectrum van de menselijke geschiedenis: het ontwerpen van een telescoop die tekenen van leven kan vinden of weerleggen op planeten die om andere planeten draaien. sterren. Zo'n doel lijkt bijna fantasierijk. Kunnen we daadwerkelijk een observatorium van meerdere miljarden dollars bouwen met een goede kans om buitenaardse wezens te ontdekken op werelden buiten het zonnestelsel? Het antwoord lijkt te zijn dat we dat kunnen, en als een groeiende lijst van cruciale beslissingen kan worden overwonnen, zullen we dat ook doen. Het leven kan overvloedig aanwezig zijn in het universum, maar het kan ook ongelooflijk zeldzaam zijn; kennis die dichter bij de waarheid ligt, zou baanbrekend zijn. Aan het eind van dit door de NASA geleide project is het doel om ‘genoeg observaties te hebben om in beide richtingen te kunnen weten’, zegt Courtney Dressing van de Universiteit van Californië, Berkeley.

Deze telescoop, die de Habitable Worlds Observatory (HWO) wordt genoemd en rond 2040 moet worden gelanceerd, zou veruit de meest ambitieuze en geavanceerde telescoop zijn die tot nu toe is gebouwd. Maar het voornaamste doel is bijna kinderlijk eenvoudig: op jacht gaan naar leven op 25 aardse werelden. “Dit is de eerste telescoop die ooit is gebouwd en die op een wetenschappelijke manier echt kan onderzoeken hoe gewoon leven buiten het zonnestelsel is”, zegt Marc Postman van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. “Het zou nul kunnen zijn. procent of 100 procent of ergens daartussenin. We hebben eigenlijk helemaal geen meting.” De reis staat nog in de kinderschoenen; als we ons de lancering zouden voorstellen als een race van 100 meter, zouden we ‘onze schoenen aantrekken’, zegt Dressing. Maar de prijs die aan de finish wacht, is betoverend: een culturele verschuiving in ons begrip van onze plaats in de kosmos. “Het zou een ontdekking kunnen zijn die de maatschappij verandert”, zegt Postman.

HWO zal een tijdperk inluiden dat anders is dan alle andere, een waarin we echt weten waar de aarde tussen de sterren staat. Het pad dat voor ons ligt, is echter beladen met uitdagingen, niet in de laatste plaats de enorme technologische en politieke hindernissen bij het bouwen van een dergelijke machine. Kunnen we ze allemaal oplossen om onze eerste glimp van andere levende werelden op te vangen? De reis om buitenaardse aardes te vinden en te bestuderen zal generaties lang duren, maar met hun laatste ontmoeting hebben de architecten van HWO nu de belangrijkste eerste stap gezet.

Super-Hubble

Als er buitenaards leven bestaat, heeft het zich niet gemakkelijk kenbaar gemaakt. We hebben gezocht naar signalen van intelligente beschavingen, hebben de werelden van ons zonnestelsel afgespeurd en voorzichtig enkele planetaire atmosferen in interstellaire kloven onderzocht, maar een duidelijke indicatie van kosmische buren ontgaat ons voorlopig. Tot nu toe hebben astronomen meer dan 5.500 werelden ontdekt die in een baan om andere sterren draaien. Het merendeel hiervan was vaak een onherbergzaam zware en hete wereld. Het handjevol dat qua massa en omvang dicht bij de aarde staat, verlegt de grenzen van de plausibiliteit van het leven zoals wij dat kennen; ze bevinden zich in nauwe banen rond rode dwergsterren die veel kleiner zijn dan onze zon. Voor een echte test van de kosmische vooruitzichten van het leven moeten we planeten vinden en bestuderen die bij uitstek lijken op de aarde en die rond sterren als onze zon draaien. “Dit sijpelt al heel lang door in de gemeenschap”, zegt Dressing.

In 2021 gaven de National Academies of Sciences, Engineering and Medicine NASA de opdracht om aan een machine te gaan werken om dit doel te bereiken als onderdeel van haar tienjarige onderzoek, dat de ruimtevaartorganisatie elke tien jaar marsorders geeft. De tienjarige onderzoekscommissie concentreerde zich op twee voorgestelde telescopen die deze taak aankonden – de ene genaamd de Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR) en de andere, Habitable Exoplanet Observatory (HabEx) – die in het eindrapport tot één enkel idee werden gecombineerd. Het rapport gaf NASA de opdracht een telescoop te bouwen die kon waarnemen in infrarood, optisch en ultraviolet licht en “zou kunnen zoeken naar biosignaturen van een robuust aantal van ongeveer 25 planeten in de bewoonbare zone.” Door de optica van de telescoop zou elke wereld op zijn best een eenzaam, kwetsbaar lichtpuntje zijn – dit lijkt schijnbaar mager, maar het zou voldoende zijn om de chemie van de atmosferen van de planeten te bestuderen op tekenen van leven via gassen zoals zuurstof en methaan. een totale geschatte kostprijs van niet meer dan 11 miljard dollar in dollars van 2020. Mark Clampin, directeur van de Astrophysics Division op het NASA-hoofdkwartier in Washington D.C., gaf deze hybride telescoop later zijn huidige naam. “De enige naam waarvan ik dacht dat deze echt de geest weergaf van wat we doen, is het Habitable Worlds Observatory”, zegt Clampin. “Dit is het mandaat dat we hebben gekregen.”

De bouw van de telescoop duurt nog jaren. In september 2023 selecteerde NASA echter een groep van ongeveer zestig wetenschappers om te beginnen met het opstellen van een ‘onderdelenlijst’ op hoog niveau voor HWO en de belangrijkste componenten ervan. De teams, waarvan de ene het Science, Technology, Architecture Review Team (START) en de andere de Technical Assessment Group (TAG) heet, zullen naar verwachting het komende jaar om de paar maanden formele openbare bijeenkomsten houden, naast kleinschaligere, frequentere intragroepsbijeenkomsten. evenals bredere discussies met de bredere astronomiegemeenschap. “Het wordt een druk jaar”, zegt Megan Ansdell, programmawetenschapper van HWO op het NASA-hoofdkwartier.

Een driedaags evenement in Washington, D.C., dat op 31 oktober begon, was de eerste van deze planningsbijeenkomsten – het startschot voor de race in tientallen om HWO werkelijkheid te maken. “Ik wil jullie allemaal aanmoedigen om adem te halen... Haal even adem”, zei John O'Meara van het W.M. Keck Observatorium in Hawaï, medevoorzitter van START, die later treffend het Gandalf-kostuum aantrok op de eerste bijeenkomst. dag van de bijeenkomst. “Het heeft lang geduurd voordat we hier kwamen. Het zal lang duren voordat we de volgende stap kunnen zetten. We gaan nog lang samenwerken.” Hoewel het totale aantal virtuele en persoonlijke aanwezigen op de jubelende bijeenkomst rond de 200 lag, “zijn er honderden, zo niet duizenden mensen nodig om dit goed voor elkaar te krijgen”, zei O’Meara. “Ik weet niet wanneer dit observatorium gaat lanceren. Maar ik weet wel dat ik mijn vrouw heb beloofd dat ik met pensioen zou gaan als dat zover is.’

Een belangrijk thema van de planningsbijeenkomst was dat het observatorium, ondanks de naam van HWO, meer zou moeten bieden dan een glimp van licht van vermeende spiegelaardes. De enorme omvang van de optica die nodig is om exo-aardse analogen in beeld te brengen, zou HWO ook uiterst bruikbaar maken voor veel andere astronomische taken – vergelijkbaar met zijn werkpaardvoorgangers zoals NASA’s Hubble en de James Webb Space Telescope (JWST). ‘Het bestuderen van donkere materie is een mogelijkheid, het interstellaire medium, sterrenstelsels – vrijwel elk aspect van de astrofysica’, zegt Lee Feinberg van NASA’s Goddard Space Flight Center in Maryland. ‘Dit wordt een observatorium van algemene klasse.’ Het duidelijk maken van die boodschap zal van cruciaal belang zijn, zei Jane Rigby van NASA Goddard, senior projectwetenschapper van JWST, in een toespraak op dag twee van de bijeenkomst. “We hebben veel werk te doen”, zei ze. “We moeten stoppen met het ‘Bewoonbare Werelden’ te noemen, omdat die [naam] tegen de algemene astrofysica-gemeenschap zegt: ‘Dit is niets voor jou.’” Postman beschrijft het eenvoudig: “Dit lijkt echt op een ‘super-Hubble’”, zegt hij.

Lichtblauwe stip

De visie van HWO die in de hoofden van de planners samenkomt, lijkt qua ontwerp op iets tussen JWST en Hubble. De hoofdspiegel van de telescoop zal waarschijnlijk worden opgedeeld in honingraatsegmenten – zoals die van de JWST – waardoor hij kan worden opgevouwen tot een van de vele grote nieuwe raketten die in ontwikkeling zijn, zoals het Starship van SpaceX of de New Glenn van Blue Origin. “Wij zien gesegmenteerd als de beste keuze”, zegt Clampin. De grootte van de spiegel – die een grote invloed heeft op de uiteindelijke scherpte van HWO – is nog niet definitief, maar zal minimaal overeenkomen met de 6,5 meter (21 voet) van JWST en zou kunnen worden opgeschaald tot 9 meter (30 voet). Net als JWST zal de telescoop mogelijk een enorm zonnescherm hebben dat binnenkomend licht van onze thuisster tegenhoudt, en zal hij op een diepe ruimte op 1,5 miljoen kilometer van de aarde worden gestationeerd. In tegenstelling tot JWST, dat diep in het infrarood onderzoekt om de zwakke thermische gloed van oude sterrenstelsels waar te nemen, heeft HWO echter geen extreme cryogene koeling nodig om zijn waarnemingen uit te voeren. In plaats van een zich ontvouwende zonnekap kan de spiegel van HWO worden opgeborgen in een tonvormige buis, zoals die van Hubble. Deze sluier zou een van de meest zorgwekkende problemen kunnen oplossen waarmee JWST wordt geconfronteerd: inslagen van micrometeorieten hebben de grote blootgestelde spiegel beschadigd en gedeukt. “Veel mensen denken dat [lijkwade] er goed uitziet”, zegt Aki Roberge, associate director voor technologie en strategie in de astrofysica bij NASA Goddard.

Hoewel de lancering nog vele jaren op zich laat wachten, komen de belangrijkste ontwerpkenmerken van HWO al in beeld. De telescoop zal waarschijnlijk niet zo groot zijn als het hier geïllustreerde 15-meter LUVOIR-concept, maar zal waarschijnlijk een grote gesegmenteerde spiegel bevatten en misschien ook een uitgestrekt beschermend zonnescherm. De architectuur van HWO zou na de lancering zelfs kunnen blijven evolueren; de telescoop is ontworpen om onderhoudsmissies voor grote upgrades en reparaties mogelijk te maken. Krediet: NASAGSFC

De grootste technische uitdaging van HWO – het in beeld brengen van een aarde-achtige planeet – is eigenlijk tweeledig: de telescoop heeft niet alleen een methode nodig om de anders overweldigende schittering van de ster van een planeet te verwijderen, maar ook een manier om zichzelf ademloos stil te houden om een ​​beoogde wereld in zijn doel te houden. zicht. JWST is ontworpen om een ​​richtdrift te vertonen die zo klein is als een twintigste van een micrometer: een micrometer is een miljoenste van een meter en een fractie van de breedte van een mensenhaar. De telescoop heeft deze mogelijkheden overtroffen met een factor 10, zegt Feinberg, wat betekent dat het stabiel is binnen een streng menselijk DNA. Ongelooflijk genoeg zal HWO nog steeds “misschien een factor duizend beter” moeten zijn, zegt hij, met een stabiliteit tot tientallen picometers – een meeteenheid die een biljoenste van een meter bedraagt, minder dan de straal van een waterstofatoom. HWO hoeft niet constant zo stabiel te zijn, maar het zal deze ultrastabiliteitsmodus moeten gebruiken als het naar andere aardes kijkt. Een set vervormbare optica – sommige spiegels van de telescoop zullen een klein beetje kunnen buigen om eventuele fouten uit te roeien – zal een van de cruciale hulpmiddelen zijn om deze prestatie te bereiken, zeggen de planners van HWO.

Om één enkel foton van gereflecteerd licht van een buitenaardse tweelingbroer van de aarde vast te leggen, moet HWO eerst circa 10 miljard fotonen uit de zonachtige ster van de planeet filteren. Een coronagraaf – in wezen een kleine nauwkeurig gevormde schijf in de optiek van de telescoop die de ster bedekt en toch planetair licht doorlaat – zal waarschijnlijk HWO’s belangrijkste manier zijn om deze gigantische taak te volbrengen. De denkbeeldige coronagraaf van HWO zou beperkt zijn tot een relatief kleine strook golflengten – afgestemd op optimale gevoeligheid voor werelden ter grootte van de aarde die in een baan rond de bewoonbare zone of ‘Goudlokjezone’ van zonachtige sterren draaien, het circumstellaire gebied waar de temperaturen noch te warm noch te koud kunnen zijn dat er vloeibaar water bestaat. NASA’s Nancy Grace Roman Space Telescope, gepland voor lancering in 2027, zal een technologische voorloper bevatten voor de coronagraaf van HWO, zij het een die Roman beperkt tot het in beeld brengen van planeten groter dan Jupiter. De uitvoering van de coronagraaf van Roman zal cruciale informatie opleveren voor de grotere ambities van HWO. “De coronagraaf [op Roman] is een technologiedemonstratie”, zegt Dressing. “Voor HWO is het een cruciaal instrument.”

Een andere manier om sterlicht te onderdrukken zou zijn door een gigantische, zonnebloemvormige ‘sterrenschaduw’-formatie te gebruiken die ver voor de blik van HWO door de ruimte vliegt en een diepe, planeet onthullende schaduw over de optiek ervan werpt. Maar een afzonderlijk ruimtevaartuig is een veel complexere en loggere oplossing voor het onderdrukken van sterrenlicht dan een coronagraaf en het is daarom onwaarschijnlijk dat het vanaf het begin deel zal uitmaken van HWO. In plaats daarvan zien de meeste experts een sterrenschaduw als een mogelijke add-on na de lancering. “Je kunt je voorstellen dat je HWO lanceert met een coronagraaf, de eerste observaties doet en later een sterrenscherm lanceert”, zegt Dressing. Dat zou het mogelijk maken om planeten verder van hun sterren te zien en gedetailleerder dan met alleen een coronagraaf.

Met een van deze technologieën zou HWO in staat moeten zijn om afbeeldingen te leveren van potentieel bewoonbare buitenaardse werelden, vergelijkbaar met de beroemde Pale Blue Dot-afbeelding van de aarde, gemaakt door het vertrekkende Voyager 1-ruimtevaartuig in 1990 op verzoek van de beroemde astronoom Carl Sagan. Precies welke systemen HWO zich zou richten, blijft onbeslist. Er zijn ongeveer 500 zonachtige sterren binnen een straal van 100 lichtjaar van de aarde< – wat ongeveer zo ver is als het levensonderzoek van HWO waarschijnlijk lijkt te zien. In januari 2023 schreef Eric Mamajek, plaatsvervangend programmahoofdwetenschapper van het Exoplanet Exploration Program van NASA in Californië, mee aan een lijst met de meest veelbelovende sterren om in dit ruimtevolume te observeren. “Ik vermoed dat de meeste mensen uit de top 50 een zeer grote kans hebben om de definitieve enquêtelijst te halen”, zegt hij.

Het bepalen van een doelwitlijst wordt bemoeilijkt door het feit dat alleen HWO mogelijk in staat zou kunnen zijn aardes in bewoonbare zones rond deze sterren te detecteren, wat betekent dat het zowel als landmeter als als onderzoeker zou optreden; geen enkele andere momenteel geplande telescoop komt ook maar in de buurt van vergelijkbare mogelijkheden. Dit roept wel de vraag op of er de komende jaren voldoende doelen kunnen worden gevonden om als bestaansreden van het HWO te dienen, maar voorlopig lijken de meeste astronomen zich daar geen zorgen over te maken. Proxymetingen kunnen de doelstellingen van HWO nog steeds ondermijnen. ‘Als er een Jupiter precies in het midden van de Goudlokje-zone staat, wil je daar waarschijnlijk niet de moeite nemen om naar een aarde te zoeken’, zegt Bruce Macintosh, directeur van de University of California Observatories van de University of California, Santa Cruz. “Maar het is eigenlijk niet zo cruciaal voor het succes van een missie om te weten dat deze ster een aarde heeft en deze niet, omdat de beste aardedetector de missie zal zijn die we aan het bouwen zijn” – HWO.

Renaissance

Zorgen over waar de telescoop precies op moet worden gericht, maken deel uit van wat misschien wel de grootste uitdaging van allemaal is: het garanderen van onverminderde steun voor de decennia die nodig zijn om het project te volbrengen, zowel van het publiek als van het Congres, dat uiteindelijk HWO van financiering zal voorzien. . “We hebben kampioenen nodig op het [NASA] hoofdkwartier, in het Congres, in het openbaar en in de industrie, zodat wanneer de zaken moeilijk gaan, zij namens ons spreken”, zei Matthew Bolcar van NASA Goddard in een toespraak op dag twee van de HWO vergadering plannen. Er werd veel gediscussieerd over de lessen die we konden leren van JWST, dat geplaagd werd door gênante en potentieel rampzalige begrotingsoverschrijdingen en planningsfouten. In een poging om dezelfde fouten te voorkomen, is HWO het kroonjuweel van een nieuw NASA-programma genaamd het Great Observatory Mission and Technology Maturation Program (GOMAP), dat ervoor zal zorgen dat beheer en budget op een efficiënte manier de voortgang van de toekomstige grote ruimtetelescoopprojecten van het agentschap zal verzekeren.

Het uiteindelijke succes van JWST, ondanks de tegenslagen, kan echter reden tot optimisme zijn. “In de tien jaar voordat we lanceerden... kan ik niet tellen hoeveel mensen zeiden: ‘Dit ding gaat nooit werken’”, zei Rigby in haar toespraak; maar, zei ze, de boven verwachting presterende prestaties van het observatorium laten zien dat “dit haalbaar is.” En veel planners van HWO merken gretig op dat het een groot voordeel zal hebben ten opzichte van JWST, omdat het vanaf het begin ontworpen zal zijn om bruikbaar te zijn, net als Hubble. Dit betekent dat robots of astronauten de telescoop kunnen bezoeken om hem periodiek nieuw leven in te blazen, reparaties uit te voeren en instrumenten uit te wisselen “een soort IKEA-stijl”, zegt Roberge.

Als de technologie en de wetenschap achter HWO kunnen worden afgerond, de financiering van de telescoop kan worden veiliggesteld en de steun voor het project kan worden gehandhaafd, is de beloning bijna ondoorgrondelijk. In zijn studie van zo'n twintig aardes in onze uithoek van de Melkweg zal HWO ons vertellen of een van deze werelden leven zou kunnen ondersteunen of misschien nog steeds doet. In de meest optimistische scenario's zou het zelfs tekenen van technologische beschavingen kunnen zien, zoals de nachtlichten van denkbeeldige buitenaardse metropolen of duidelijke indicatoren van industriële vervuiling in een buitenaardse atmosfeer. “Je zou deze telescoop kunnen gebruiken om te zoeken naar ‘technosignaturen’ – bewijs voor niet alleen eenvoudig leven zoals bacteriën, maar ook voor geavanceerd leven dat in staat is machines, industrie, elektrische energie en dat soort dingen te bouwen”, zegt Postman. Een dergelijke mogelijkheid lijkt misschien vergezocht, maar blijft op de rand van de technische haalbaarheid – en de kans op succes bij dergelijke zoekopdrachten zal voor altijd nul blijven als ze nooit worden ondernomen.

Aan de andere kant kan HWO zijn doelstellingen onder de loep nemen en ontdekken dat er niets in zit dat wij herkennen als een teken van leven, primitief of anderszins. Een dergelijke uitkomst zou teleurstellend zijn, maar daarom niet minder nuttig. Het zou het beste bewijs tot nu toe zijn dat de aarde werkelijk bijzonder is in kosmische zin: een kostbare oase in een ogenschijnlijk levenloos deel van de Melkweg. ‘Je zou een goede bovengrens hebben voor hoe zeldzaam het leven op dit moment is’, zegt Postman. Een robuuste detectie van een levende wereld, zo speculeert Dressing, zou onze cultuur drastisch kunnen veranderen en een ‘geheel nieuwe renaissance van kunst en literatuur’ kunnen veroorzaken – om nog maar te zwijgen van nog grotere investeringen in verreikende ruimtetelescopen. Omgekeerd kan het niet vinden van iets deprimerend lijken, maar het zou helemaal geen ‘mislukking’ zijn – wij mensen zouden opnieuw schijnbaar eenzaam zijn bovenop een kosmisch hoogtepunt op een plaats met grote privileges die we goed zouden doen om beter te koesteren en respecteren. “Beide uitkomsten zouden zowel vanuit wetenschappelijk als filosofisch oogpunt zeer interessant zijn”, zegt Postman. Bij de start van die race naar de ultieme prijs trekken we onze schoenen aan. Er wacht een podium van onverslaanbare kennis.