Wij mensen hebben een onverzadigbare honger om het universum te begrijpen. Zoals Carl Sagan zei: 'Begrip is extase.' Maar om het universum te begrijpen, hebben we steeds betere manieren nodig om het te observeren. En dat betekent één ding: grote, enorme, enorme telescopen.
In deze serie kijken we naar de aankomende Super Telescopes ter wereld:
- De Giant Magellan-telescoop
- De overweldigend grote telescoop
- De 30 meter telescoop
- De Europese extreem grote telescoop
- De grote synoptische surveytelescoop
- De James Webb Space Telescope
- De Wide Field Infrared Survey Telescope
Het is gemakkelijk om de impact te vergeten die de Hubble-ruimtetelescoop heeft gehad op onze kennis over het heelal. Dat is misschien wel de beste maatstaf voor het succes ervan: we nemen de Hubble, en alles wat we ervan hebben geleerd, nu als vanzelfsprekend aan. Maar er worden andere ruimtetelescopen ontwikkeld, waaronder de WFIRST, die veel krachtiger zal zijn dan de Hubble. Hoe ver zullen deze telescopen ons begrip van het heelal uitbreiden?
"WFIRST heeft het potentieel om onze ogen te openen voor de wonderen van het universum, net zoals Hubble dat heeft gedaan." - John Grunsfeld, NASA Directoraat Wetenschapsmissie
De WFIRST is misschien de echte opvolger van de Hubble, ook al wordt de James Webb Space Telescope (JWST) vaak als zodanig aangeprezen. Maar het kan onjuist zijn om WFIRST zelfs een telescoop te noemen; het is nauwkeuriger om het een astrofysisch observatorium te noemen. Dat komt omdat een van de belangrijkste wetenschappelijke doelstellingen is om donkere energie te bestuderen, die nogal mysterieuze kracht die de uitdijing van het heelal aandrijft, en donkere materie, de moeilijk te detecteren materie die die uitdijing vertraagt.
WFIRST heeft een spiegel van 2,4 meter, even groot als de Hubble. Maar het zal een camera hebben die de kracht van die spiegel zal vergroten. Het Wide Field Instrument is een 288 megapixel multi-band nabij-infrarood camera. Als het eenmaal in werking is, zal het beelden vastleggen die net zo scherp zijn als die van Hubble. Maar er is één enorm verschil: het Wide Field Instrument zal beelden vastleggen die meer dan 100 keer de hemel bedekken die Hubble doet.
Naast het Wide Field Instrument heeft WFIRST het Coronagraphic Instrument. Het coronagraaf-instrument bevordert de studie van exoplaneten. Het zal een systeem van filters en maskers gebruiken om het licht van andere sterren te blokkeren en op planeten in te werken die om die sterren draaien. Dit zal een zeer gedetailleerde studie mogelijk maken van de atmosfeer van exoplaneten, een van de belangrijkste manieren om de bewoonbaarheid te bepalen.
WFIRST staat gepland voor 2025, hoewel het te vroeg is om een exacte datum te hebben. Maar bij de lancering is het de bedoeling dat WFIRST naar het Sun-Earth LaGrange Point 2 (L2.) Reist. L2 is een door zwaartekracht uitgebalanceerd punt in de ruimte waar WFIRST zonder onderbreking zijn werk kan doen. De missie duurt ongeveer 6 jaar.
"WFIRST heeft het potentieel om onze ogen te openen voor de wonderen van het universum, net zoals Hubble dat doet", zegt John Grunsfeld, astronaut en associate administrator van NASA's Directoraat Wetenschapsmissie op het hoofdkantoor in Washington. "Deze missie combineert op unieke wijze het vermogen om planeten buiten ons eigen zonnestelsel te ontdekken en te karakteriseren met de gevoeligheid en optica om wijd en diep in het universum te kijken in een zoektocht om de mysteries van donkere energie en donkere materie te ontrafelen."
In een notendop zijn er twee voorstellen voor wat Dark Energy kan zijn. De eerste is de kosmologische constante, waarbij donkere energie overal in de kosmos uniform is. De tweede is wat bekend staat als scalaire velden, waar de dichtheid van donkere energie kan variëren in tijd en ruimte.
Sinds de jaren negentig hebben waarnemingen ons laten zien dat de uitdijing van het heelal versnelt. Die versnelling is ongeveer 5 miljard jaar geleden begonnen. We denken dat Dark Energy verantwoordelijk is voor die versnelde expansie. Door zulke grote, gedetailleerde beelden van de kosmos te leveren, laat WFIRST astronomen de expansie in de tijd en over grote gebieden in kaart brengen. WFIRST zal ook nauwkeurig de vormen, posities en afstanden van miljoenen sterrenstelsels meten om de verspreiding en groei van kosmische structuren te volgen, waaronder clusters van sterrenstelsels en de bijbehorende donkere materie. De hoop is dat dit ons een volgend niveau van begrip zal geven als het gaat om Dark Energy.
Als dat allemaal te ingewikkeld klinkt, kijk dan op deze manier: we weten dat het universum uitdijt en we weten dat de uitdijing versnelt. We willen weten waarom het uitbreidt en hoe. We hebben de naam ‘Dark Energy’ gegeven aan de kracht achter die uitbreiding, en nu willen we er meer over weten.
Donkere energie en de uitdijing van het heelal is een enorm mysterie en een vraag die kosmologen drijft. (Ze willen echt weten hoe het universum zal eindigen!) Maar voor velen van ons is een andere vraag nog dwingender: zijn we alleen in het universum?
Daar zal geen snel antwoord op zijn, maar elk antwoord dat we vinden begint met het bestuderen van exoplaneten, en dat is iets waar WFIRST ook in uitblinkt.
"WFIRST is ontworpen om wetenschappelijke gebieden aan te pakken die door de astronomische gemeenschap als topprioriteiten zijn aangemerkt", zegt Paul Hertz, directeur van NASA's Astrophysics Division in Washington. “Het Wide-Field Instrument geeft de telescoop de mogelijkheid om een enkel beeld vast te leggen met de diepte en kwaliteit van Hubble, maar met een oppervlakte van 100 keer het gebied. De coronagraaf zal revolutionaire wetenschap opleveren en de zwakke, maar directe beelden vastleggen van verre gasvormige werelden en superaarde. ”
"De coronagraaf zal revolutionaire wetenschap opleveren en de zwakke, maar directe beelden vastleggen van verre gasvormige werelden en superaarde." - Paul Hertz, NASA Astrophysics Division
De moeilijkheid bij het bestuderen van exoplaneten is dat ze allemaal in een baan om de sterren draaien. Sterren zijn zo helder dat ze het onmogelijk maken hun planeten in detail te zien. Het is alsof je mijlenver weg in een vuurtoren staart en probeert een insect in de buurt van de vuurtoren te bestuderen.
Het Coronagraphic Instrument aan boord van WFIRST zal uitblinken in het blokkeren van het licht van verre sterren. Dat doet hij met een systeem van spiegels en maskers. Dit maakt het bestuderen van exoplaneten mogelijk. Alleen wanneer het licht van de ster wordt behandeld, kunnen de eigenschappen van exoplaneten worden onderzocht.
Dit maakt gedetailleerde metingen mogelijk van de chemische samenstelling van de atmosfeer van een exoplaneet. Door dit op duizenden planeten te doen, kunnen we de vorming van planeten rond verschillende soorten sterren gaan begrijpen. Er zijn echter enkele beperkingen aan het Coronagraphic Instrument.
Het Coronagraphic Instrument was een beetje een late toevoeging aan WFIRST. Sommige andere instrumenten op WFIRST zijn niet geoptimaliseerd om ermee te werken, dus er zijn enkele beperkingen aan de werking ervan. Het zal alleen gasreuzen en zogenaamde Super-Earths kunnen bestuderen. Deze grotere planeten hebben niet zoveel finesse nodig om te studeren, simpelweg vanwege hun grootte. Aarde-achtige werelden zullen waarschijnlijk buiten de macht van het Coronagraphic Instrument vallen.
Deze beperkingen zijn op lange termijn niet erg. De Coronagraph is eigenlijk meer een technologiedemonstratie en is niet het eindspel voor exoplaneetstudie. Wat van dit instrument wordt geleerd, zal ons in de toekomst helpen. Er zal op een dag, misschien over tientallen jaren, een uiteindelijke opvolger van WFIRST komen, en tegen die tijd zal de Coronagraph-technologie veel vooruitgang hebben geboekt. In die toekomst zijn directe snapshots van aardachtige exoplaneten misschien wel mogelijk.
Maar misschien hoeven we niet zo lang te wachten.
Er is een plan om de effectiviteit van de Coronagraph op WFIRST te vergroten, waardoor deze aardachtige planeten zou kunnen verbeelden. Het heet de EXO-S Starshade.
De EXO-S Starshade is een uitrolbaar schaduwsysteem met een diameter van 34 m dat ervoor zorgt dat sterrenlicht de functie van WFIRST niet belemmert. Het zou eigenlijk een afzonderlijk vaartuig zijn, afzonderlijk gelanceerd en op weg naar WFIRST op L2. Het zou niet worden vastgebonden, maar zou zich met WFIRST oriënteren via een systeem van camera's en geleidingslichten. In feite is een deel van de kracht van de Starshade dat deze ongeveer 40.000 tot 50.000 km verwijderd zou zijn van WFIRST.
Dark Energy en Exoplanets zijn prioriteiten voor WFIRST, maar er zijn altijd andere ontdekkingen in afwachting van betere telescopen. Het is niet mogelijk alles te voorspellen wat we van WFIRST zullen leren. Met afbeeldingen die zo gedetailleerd zijn als die van Hubble, maar 100 keer groter, staan we voor een aantal verrassingen.
"Deze missie zal het universum onderzoeken om de meest interessante objecten te vinden die er zijn." - Neil Gehrels, WFIRST Project Scientist
"Naast de opwindende mogelijkheden voor donkere energie en exoplaneten, zal WFIRST een schatkamer aan prachtige gegevens bieden voor alle astronomen", zegt Neil Gehrels, WFIRST-projectwetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. "Deze missie zal het universum onderzoeken om de meest interessante objecten te vinden die er zijn."
Nu alle Super Telescopes de komende jaren online komen, kunnen we een aantal fantastische ontdekkingen verwachten. Over 10 tot 20 jaar zal onze kennis aanzienlijk zijn toegenomen. Wat gaan we leren over Dark Matter en Dark Energy? Wat weten we over exoplaneetpopulaties?
Op dit moment lijkt het erop dat we gewoon op zoek zijn naar een beter begrip van deze dingen, maar met WFIRST en de andere Super Telescopes zijn we klaar voor meer doelgerichte studie.
