Noot van de redactie - Wetenschapsjournalist en auteur Bruce Dorminey sprak met twee NASA-wetenschappers over de mogelijkheid om een telescoop op een ruimtevaartuig te monteren voor een buitenplanetenmissie.
Lichtvervuiling in ons innerlijke zonnestelsel, zowel door de nabije gloed van de zon als door de wazige zodiakale gloed van stof dat in de asteroïdengordel is gemalen, heeft lang belemmerde kosmologen die op zoek zijn naar een duidelijkere kijk op het vroege heelal.
Maar een team van NASA, JPL en Caltech heeft de mogelijkheid onderzocht om een optische telescoop te koppelen aan een verkennend ruimtevaartuig op een missie naar het buitenste zonnestelsel.
Ontsnappen aan de vervuilde paarse waas van ons innerlijke zonnestelsel
Het idee is om de optische telescoop in de cruisefase te gebruiken om een betere grip te krijgen op extragalactisch achtergrondlicht; dat wil zeggen het gecombineerde optische achtergrondlicht van alle bronnen in het heelal. Ze zien het nut van de telescoop om ongeveer 5 astronomische eenheden (AU) in te trappen, ongeveer de afstand van de baan van Jupiter. Het team wil vervolgens hun gegevens correleren met waarnemingen op de grond.
Een doel is om licht te werpen op het tijdperk van reionisatie in het vroege universum. Reionisatie verwijst naar het moment waarop ultraviolette (UV) straling van de eerste sterren van het universum het intergalactische medium (IGM) geïoniseerd door elektronen te strippen van de gasvormige atomen of moleculen van de IGM. Deze periode van reïonisatie zou zich uiterlijk 450 miljoen jaar na de oerknal hebben voltrokken.
ZEBRA, het Zodiacal dust, Extragalactic Background and Reionization Apparatus, is een NASA JPL-concept dat vraagt om een telescoop van $ 40 miljoen dollar die bestaat uit drie optische / bijna-infraroodinstrumenten; bestaande uit een 3 cm wide-field mapper en een 15 cm hoge resolutie imager. NASA heeft het ZEBRA-voorstel voor een van haar missies echter nog niet geselecteerd.
Maar voor meer informatie spraken we met de ZEBRA Concept-lead- en instrumentkosmoloog Jamie Bock en astronoom Charles Beichman, beiden van NASA JPL en Caltech.
Dorminey: Wat is zodiakaal licht?
Beichman: Het is een heldere bron van diffuus licht in ons eigen zonnestelsel van stofdeeltjes die uitstralen omdat ze zijn verwarmd door de zon en zelf uitstralen
of zonlicht weerkaatsen. Als je uitgaat op een heel helder donker maanloos licht, kun je de band van dit licht vanuit dit stof zien. Het volgt het vlak van de ecliptica. Dat stof is meestal afkomstig van materiaal in de asteroïdengordel dat na een grote botsing tot kleine deeltjes wordt vermalen.
Dorminey: Wat zou voorbij dit zodiakale stof komen voor waarnemingen?
Beichman: Stel je voor dat je in het bekken van Los Angeles zit en je hebt al die smog en nevel en je wilt meten hoe helder de lucht is in Palm Springs. Je moet alle waas tussen hier en daar kunnen aftrekken en er is gewoon geen manier om het met enige nauwkeurigheid te doen. Je moet het bassin uitrijden om uit de smog te komen.
Dorminey: Hoe zou dit helpen bij het bestuderen van deze extragalactische achtergrond?
Bock: Het Extragalactic Background Light (EBL) meet de totale energiedichtheid van licht dat van buiten ons sterrenstelsel komt. Dit licht geeft de som van de energie die door sterren en sterrenstelsels en andere bronnen wordt geproduceerd gedurende de geschiedenis van de kosmische tijd. De totale achtergrond kan worden gebruikt om te controleren of we de geschiedenis van de vorming van sterrenstelsels correct begrijpen. We verwachten dat een component van het achtergrondlicht van de eerste sterren een duidelijk spectrum heeft dat piekt in het nabij-infrarood; dit kan ons vertellen hoe helder en hoe lang het tijdperk was toen de eerste sterren zich vormden. Helaas is zodiakaal licht veel helderder dan deze achtergrond. Maar door naar de baan van Jupiter te gaan, is het dierenriemlicht 30 keer zwakker dan op aarde en in de baan van Saturnus is het 100 keer zwakker.
Dorminey: Zou je moeten liften op een NASA-missie of zou het een samenwerking kunnen zijn met een ander ruimteagentschap, zoals ESA bijvoorbeeld?
Bock: We hebben de goedkoopste incrementele kostenbenadering onderzocht, in samenwerking met een planetaire missie van NASA. Maar we kunnen samenwerken met een ander ruimteagentschap. De Europese Jupiter Icy Moons Explorer (voorheen JGO) concurreert nu voor de volgende lancering van de L-klasse missie begin 2020 en is een aantrekkelijke mogelijkheid voor een bijgedragen cruisefase-wetenschappelijk instrument. Elke benadering heeft een andere omgeving voor kosten en partnerschap.
Dorminey: is de belangrijkste driver voor de EBL-telescoop om verder te gaan dan het zodiakale stof of biedt 5 AU ook een waarnemingsvoordeel in termen van het bereiken van zwakte van grootte?
Bock: Er is een waarnemend voordeel vanwege de achtergrond van het [donkere zonnestelsel]. Met zo'n kleine telescoop proberen we dit voordeel niet te benutten, maar toekomstige observatoria zouden dat wel kunnen. We zullen de zodiakale helderheid meten tot Jupiter en daarbuiten, en dit kan in de toekomst astronomische waarnemingen motiveren met telescopen in het buitenste zonnestelsel.
Dorminey: Wat voor soort uitdagingen voor de gegevensdownlink zou u tegenkomen?
Bock: De gegevensvereisten zijn misschien kleiner dan men eerst zou verwachten, omdat onze beelden zijn verkregen met lange [observationele] integraties bij gematigde ruimtelijke resolutie. Voor het planetaire voorstel dat we in detail hebben bestudeerd, was het totale gegevensvolume 230 gigabytes, waarbij ongeveer 65 procent van deze gegevens werd teruggestuurd van Jupiter naar Saturnus. De telescoopaanwijzingen werken autonoom.
Dorminey: Hoe zit het met straling van Jupiter die de optica en CCD-camera's op de telescoop verstoort?
Beichman: Wat je zou doen, is stoppen met het maken van de EBL-waarnemingen terwijl je dicht bij Jupiter bent. De stralingsproblemen zijn aanzienlijk, dus je zou alleen waarnemingen doen voor en na het passeren van Jupiter.
Dorminey: Wat zouden uw instrumenten doen die NASA's geplande James Webb Space Telescope (JWST) niet zou doen?
Bock: JWST zal waarschijnlijk de helderste eerste sterrenstelsels detecteren en, afhankelijk van hoe sterrenstelsels zich precies hebben gevormd, het grootste deel van de totale straling missen vanwege de bijdrage van vele zwakke sterrenstelsels. Het meten van de extragalactische achtergrond geeft de totale straling van alle sterrenstelsels en levert de totale energie op. Bovendien hebben we geen grote telescoop nodig; 15 cm is voldoende.
Dorminey: Hoe zit het met planetaire wetenschap met de telescoop?
Bock: Ons instrument is gespecialiseerd in het uitvoeren van metingen van lage oppervlaktehelderheid. We hebben specifieke ontwerpkeuzes gemaakt om de zodiakale stofwolk van binnen naar buiten in kaart te brengen. Een driedimensionaal beeld laat ons de oorsprong van interstellair stof traceren tot kometen en asteroïde botsingen. We weten dat er objecten buiten de baan van Neptunus liggen, en het is waarschijnlijk dat er ook stof aan vastzit.
Dorminey: Hoe lang werkt deze telescoop?
Bock: Nadat de eerste waarnemingen zijn voltooid, is het zeker mogelijk dat het oorspronkelijke team of een externe partij zou voorstellen om de telescoop te bedienen. Een opwindend wetenschappelijk geval zijn parallax micro-lensobservaties; waarnemingen die de parallax tussen de aarde en Saturnus gebruiken om de invloed van exoplaneten in een baan om de sterren te bestuderen, wat een microlensgebeurtenis produceert. Andere wetenschappelijke mogelijkheden zijn kaarten van de Kuipergordel in het nabij-infrarood; stellaire verduistering door Kuiper Belt Objects; en het in kaart brengen van meer EBL-velden voor vergelijking met andere onderzoeken.
Slaapzaal: Hoe zouden de eerste waarnemingen van de telescoop de theoretische kosmologie mogelijk door elkaar schudden?
Beichman: Telkens wanneer u een meting uitvoert die een factor honderd keer beter is dan voorheen, krijgt u altijd een verrassing.
