¿Cómo se ve el futuro de la NASA? ¿Investigará el telescopio de próxima generación los primeros agujeros negros en el universo distante o buscará vida en un planeta parecido a la Tierra a años luz de distancia? Como en décadas pasadas, la agencia no tomará esa decisión en el vacío o sin comprender los obstáculos técnicos, que son formidables.

Ya, equipos de expertos de toda la agencia, academia, y la industria están estudiando cuatro posibles misiones emblemáticas que la comunidad científica ha examinado como actividades dignas en el marco de la Encuesta Decadal de Astrofísica 2020. En marzo, presentaron informes provisionales. El próximo año, se espera que terminen los informes finales que el Consejo Nacional de Investigación utilizará para informar sus recomendaciones a la NASA en un par de años.

"Este es el momento del juego para la astrofísica, "dijo Susan Neff, científico jefe del Programa Cosmic Origins de la NASA. "Queremos construir todos estos conceptos, pero no tenemos el presupuesto para hacer los cuatro al mismo tiempo. El objetivo de estos estudios decenales es brindar a los miembros de la comunidad astrofísica la mejor información posible mientras deciden qué ciencia hacer primero ".

Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, lleva dos:el gran topógrafo ultravioleta / óptico / infrarrojo (LUVOIR) y el telescopio espacial Origins (OST). Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (JPL) en Pasadena, California, y el Centro Marshall de Vuelos Espaciales en Huntsville, Alabama, mientras tanto, lideran respectivamente el generador de imágenes de exoplanetas habitables (HabEx) y el topógrafo de rayos X, conocido como Lynx (ver detalles de cada uno).

Independientemente de la misión que finalmente seleccione la NASA o las tecnologías con las que vuele, la agencia y los centros individuales han comenzado a invertir en herramientas avanzadas necesarias para perseguir estos audaces, conceptos innovadores en el futuro, dijo Thai Pham, el gerente de desarrollo de tecnología de la Oficina del Programa de Astrofísica de la NASA. "No estoy diciendo que será fácil. No lo será, ", continuó." Estas son misiones ambiciosas, con importantes desafíos técnicos, muchos de los cuales se superponen y se aplican a todos. La buena noticia es que ahora se están sentando las bases ".

Estabilidad sin precedentes a nivel de picómetro

LUVOIR proporciona un ejemplo de ello.

Un concepto del observatorio prevé un gran tamaño, espejo primario segmentado de unos 49 pies de diámetro. Con este gigante LUVOIR podría ayudar a responder cómo comenzó la vida, qué condiciones son vitales para la formación de estrellas y galaxias, y quizás lo más convincente, ¿Es la Tierra rara en el cosmos?

"LUVOIR buscará signos de vida, pero no se detiene ahí. Nos dirá cómo llegó la vida allí y cuán rara es la vida en el cosmos. "dijo Shawn Domagal-Goldman, científico adjunto del estudio. "Esta misión es ambiciosa, "acordó el científico del estudio Aki Roberge, "pero descubrir si hay vida fuera del sistema solar es el premio. Toda la tecnología de postes altos está impulsada por este objetivo".

Para obtener imágenes directas de planetas del tamaño de la Tierra y evaluar sus atmósferas, LUVOIR tendría que adquirir luz de un objeto relativamente pequeño al menos 10 mil millones de veces más débil que la estrella que rodea. Esto sería como discernir un objeto no más ancho que un cabello humano desde la distancia de dos campos de fútbol, Dijo Roberge.

Para hacer esto, La óptica de LUVOIR y el hardware asociado deben ser ultraestables; es decir, estos componentes no pueden moverse ni distorsionar más de 12 picómetros, una medida más pequeña que el tamaño de un átomo de hidrógeno. El observatorio no solo tendría que mantener estos estándares exigentes mientras realiza una medición, también lo harían sus segmentos de espejo.

Como el espejo primario de 21 pies del telescopio espacial James Webb, El espejo de LUVOIR estaría formado por segmentos ajustables que se desplegarían después del lanzamiento. Debido a que capturar la luz de una fuente débil y distante requeriría un frente de onda enfocado con precisión, los actuadores o motores conectados a la parte posterior de cada espejo ajustarían y alinearían activamente los segmentos para lograr un enfoque perfecto.

"Estabilidad física, más un control activo en el espejo primario y un coronógrafo interno (un dispositivo para bloquear la luz de las estrellas) dará como resultado la precisión del picómetro, "Dijo Roberge." Todo es cuestión de control ".

Un equipo de Goddard ya ha comenzado a desarrollar herramientas de laboratorio que pueden detectar dinámicamente distorsiones del tamaño de un picómetro que ocurren cuando los materiales utilizados para construir telescopios se encogen o expanden debido a temperaturas muy fluctuantes o cuando se exponen a feroces fuerzas de lanzamiento. ¿Debería la NASA seleccionar LUVOIR como su próxima misión insignia, La NASA podría usar esta herramienta para asegurarse de que la agencia construya un observatorio para estos puntos de referencia.

Suprimir la luz de las estrellas:un desafío técnico compartido

HabEx, aunque físicamente más pequeño que LUVOIR, también obtendría imágenes directamente de los sistemas planetarios y analizaría la composición de las atmósferas de los planetas con su gran espejo segmentado. Además, permitirá una amplia gama de astrofísica general, de estudiar las épocas más tempranas de la historia del universo, para comprender el ciclo de vida y la muerte de las estrellas más masivas, que en última instancia suministran los elementos necesarios para sustentar la vida tal como la conocemos.

Como LUVOIR, eso, también, debe volar un gran, telescopio estable sensible a los rayos ultravioleta, óptico, y fotones del infrarrojo cercano, así como tecnologías para bloquear la luz brillante de la estrella madre y crear una zona oscura que revele la presencia de un planeta del tamaño de la Tierra.

"Para obtener una imagen directa de un planeta en órbita alrededor de una estrella cercana, debemos superar una barrera tremenda en el rango dinámico:el brillo abrumador de la estrella contra el tenue reflejo de la luz de las estrellas en el planeta, con solo un pequeño ángulo que los separa, "dijo Neil Zimmerman, un experto de la NASA en el campo de la coronagrafía. "No existe una solución estándar para este problema porque es muy diferente a cualquier otro desafío en la astronomía observacional".

Para superar el desafío, comparado con tratar de fotografiar una luciérnaga dando vueltas alrededor de una farola a miles de kilómetros de distancia, los investigadores están estudiando diferentes enfoques para suprimir la luz de las estrellas, incluyendo cortinas de estrellas externas en forma de pétalo que bloquean la luz antes de que ingrese al telescopio y coronógrafos internos que emplean máscaras y otros componentes para evitar que la luz de las estrellas llegue a los detectores. El equipo de HabEx está investigando ambas técnicas.

Pero sigue existiendo un gran obstáculo:incluso con múltiples máscaras coronagráficas, la luz de las estrellas todavía pasará, dijo Rémi Soummer, un científico del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial en Baltimore, Maryland. La luz de las estrellas se difractará en los bordes de los componentes ópticos de un coronógrafo, lo que dificulta bloquear completamente la luz para ver un pequeño planeta orbitando la estrella. Una posible solución es aplicar nanotubos de carbono sobre las máscaras coronagráficas que modifican el patrón de luz difractada.

Soummer, quien creó un banco de pruebas de última generación para evaluar diferentes enfoques coronagráficos principalmente para LUVOIR, está colaborando con el ex ingeniero óptico de Goddard, John Hagopian, para probar la eficacia de la tecnología de nanotubos de carbono de Hagopian para esta aplicación. Este recubrimiento súper negro consta de nanotubos de paredes múltiples 10, 000 veces más delgado que un mechón de cabello humano. "Cuando la luz penetra en el bosque de nanotubos con un mínimo de reflexión, el campo eléctrico de la luz excita los electrones, convertir la luz en calor y absorberla eficazmente, "explicó Hagopian, ahora un contratista de Goddard.

Los resultados de las pruebas hasta ahora son prometedores, Dijo Soummer. Pero el veredicto aún está pendiente. Mientras Hagopian trabaja para mejorar la capacidad de su tecnología para absorber casi toda la luz, Soummer planea probar las máscaras del coronógrafo utilizando otra tecnología de supresión de luz llamada pasto de silicio. Desarrollado por investigadores del JPL, La hierba de silicio consiste en un bosque de diminutas agujas grabadas en la superficie de una fina oblea de silicio. "Mi trabajo es comparar el rendimiento de las diferentes técnicas, "Dijo Soummer.

"Detectores, Detectores Detectores "

Aunque las grandes matrices de detectores que miden millones de píxeles son imprescindibles para LUVOIR, HabEx, y Lynx, son particularmente importantes para OST, un observatorio de infrarrojo lejano diseñado para observar los confines más lejanos del universo.

"Cuando la gente pregunta sobre las lagunas tecnológicas en el desarrollo del Telescopio Espacial Origins, Les digo que los tres principales desafíos son los detectores, detectores, detectores, "dijo Dave Leisawitz, un científico de Goddard y científico del estudio de OST. "Se trata de los detectores".

Los investigadores de la NASA están avanzando actualmente en diferentes tipos de detectores superconductores para telescopios de próxima generación, pero OST podría beneficiarse más de cualquiera de los dos tipos emergentes:sensores de borde de transición (TES) o detectores de inductancia cinética (KID). 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.

Sin embargo, 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.

Como resultado, 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."

To unravel the mystery, 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, sin embargo, these technologies must become larger and more capable.

En la actualidad, Goddard scientists Simon Bandler and Caroline Kilbourne are scaling up the size of the microcalorimeter array and, De hecho, are developing a 4, 000-pixel microcalorimeter array for the European Space Agency's Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, or Athena, misión. Athena is expected to launch in the late 2020s. Their goal is to ultimately create an array containing 100, 000 píxeles. Mientras tanto, 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."