В рамках плана подготовки к увеличению количества и диапазона данных, которые будут поступать с космического телескопа Нэнси Грейс Роман, запуск которого в настоящее время запланирован на май 2027 года, НАСА выделило финансирование пяти командам по инфраструктуре проекта (PITs), которые напишут программное обеспечение, проведут моделирование и рассчитают оптимальное использование потока данных телескопа.
Три из этих центров, каждый из которых получил пятилетние многомиллионные гранты на свою работу, базируются в Пасадене и связаны с преподавателями и сотрудниками Калифорнийского технологического института. Манси Касливал (MS '07, Ph.D. '11), профессор астрономии Калифорнийского технологического института, возглавляет группу RAPID (Roman оперативно оповещает о различиях изображений); Юн Ван, старший научный сотрудник IPAC Калифорнийского технологического института, отвечает за инфраструктуру для исследования красного смещения галактики; и Оливье Доре, главный научный сотрудник JPL, которым Caltech управляет для NASA, возглавляет группу слабых линз с Дидой Маркович, заместителем главного исследователя, которая также работает в JPL.
Проект Римского космического телескопа начался в 2010 году под названием Wide-Field InfraRed Space Telescope (WFIRST), обещая обеспечить ту же точность изображения, что и космический телескоп Хаббл, но с полем зрения по крайней мере в 100 раз большим, что позволит обозревать небо намного продуктивнее. Наблюдения миссии за галактиками и сверхновыми звездами многое расскажут нам об истории и расширении космоса. С помощью другого демонстрационного технологического прибора на борту, коронографа, можно получить изображения экзопланет в других звездных системах. WFIRST был назван высшим приоритетом астрофизики в Десятилетнем обзоре астрономии и астрофизики 2010 года - списке исследовательских целей, проводимых Национальным исследовательским советом Национальной академии наук каждое десятилетие с 1960-х годов.
В 2020 году WFIRST был переименован в честь Нэнси Грейс Роман, которая занимала пост начальника отдела астрономии и физики солнца НАСА с 1961 по 1979 год и неустанно лоббировала строительство космического телескопа "Хаббл". "Римская миссия была задумана довольно давно, - объясняет Касливал, - но с тех пор многое изменилось. "Теперь мы действительно видели свет, или электромагнитное излучение, в результате мощных космических событий, связанных с гравитационными волнами".
Эти новые открытия открыли возможности для тех, кто, подобно Касливалу, Вангу и Доре, намерен наилучшим образом использовать инфракрасные наблюдения Roman. "Оборудование Roman уже построено и тестируется, - говорит Ван, - но план наблюдений и программное обеспечение все еще находятся в стадии разработки, поэтому мы можем помочь их оптимизировать".
Команда PIT Касливала отвечает за создание системы оповещения RAPID, которая сообщает астрономам, где они могут обнаружить новые интересные явления для наблюдения. RAPID достигает своей цели с помощью процесса, известного как дифференцирование изображений. "Мы снова и снова делаем снимки одного и того же участка неба. Затем сравниваем изображения, чтобы увидеть, что изменилось", - говорит Касливал. "Мы ищем фейерверки, космические фейерверки ... все, что взрывается, все, что меняется на наших глазах. Это называется астрономией временной области. Астрономия временной области переживает революцию, потому что сейчас у нас так много очень чувствительных телескопов, способных понять динамическую вселенную."
Работа с Цвикки Transient Facility и Паломаром Гаттини IR, оптическими и ближними инфракрасными телескопами Паломарской обсерватории Калифорнийского технологического института, которые обозревают все ночное небо, дала Касливал опыт, необходимый ей для разработки системы RAPID для Римского телескопа. "По мере поступления римских данных мы будем постоянно проводить дифференцирование изображений. Когда мы увидим какие-либо изменения, мы выдадим предупреждение", - объясняет Касливал. "У нас в Паломаре много практики в этом. Мы делаем снимок, сравниваем его с предыдущими снимками, а затем отправляем оповещение через семь минут, чтобы астрономы всего мира точно знали, в какой части неба происходит что-то интересное."
Чтобы быстро ввести RAPID в курс дела перед запуском Римского телескопа, Касливал говорит, что она расширяет команду ученых и специалистов по программному обеспечению, чтобы "создать надежный конвейер данных, который будет служить сообществу". На данный момент в RAPID работает основная команда из шести штатных ученых, размещенных в IPAC и в Центре астрономии и астрофизики Кэхилла в кампусе Калифорнийского технологического института. Каждый участник привносит свой опыт в машинном обучении, конвейерах оповещения, сверхновых, звездах, астероидах и так далее. "Прямо сейчас мы работаем с моделированием", - говорит Касливал. "Мы вводим сценарии в эти симуляции, такие как появление вспышки приливного разрушения — это когда звезда действительно приближается к массивной черной дыре и ее разрывает — чтобы узнать, как может выглядеть поток данных Roman".
Римский телескоп также сможет выполнять общие задачи с космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, другой инфракрасной обсерваторией, которая находится на орбите Солнца с декабря 2021 года. "Roman станет двигателем discovery, - говорит Касливал, - а затем космический телескоп Джеймса Уэбба сможет провести спектроскопические наблюдения и детальную характеристику. Это позволит нам узнать, из каких элементов состоит, например, конкретное слияние нейтронных звезд."
Один из основных вопросов, на который миссия Roman готова ответить, заключается в том, насколько быстро ускоряется расширение Вселенной.
Чтобы лучше понять большой взрыв, породивший нашу вселенную, представьте себе фейерверк с огромным взрывом, заполняющим небо, который известен как скорлупа кокосового ореха. Все начинается с впечатляющего взрыва искр из точечного центра. Эти искры быстро и равномерно разлетаются во всех направлениях от центра, прежде чем постепенно замедлиться и погаснуть. Это не то, что происходит в нашей вселенной. Ее расширение скорее ускоряется, чем замедляется.
"Это противоречит нашим ожиданиям, - говорит Ван, - потому что, если во вселенной есть только материя, расширение вселенной сегодня должно замедляться. Его ускорение требует существования чего-то другого, кроме материи: возможно, формы энергии. Мы называем это темной энергией, потому что мы ее не видим. Мы не знаем, действительно ли это неизвестный компонент энергии, или нам нужно модифицировать нашу теорию тяготения (то есть общую теорию относительности Альберта Эйнштейна), чтобы учесть эти наблюдения. Это огромная загадка, одна из самых захватывающих и сложных проблем в космологии и физике на сегодняшний день."
Существует три способа измерения ускорения расширения Вселенной, и Римский телескоп будет использовать их все. Первый - наблюдение за сверхновыми типа Ia, как это делалось ранее. Поскольку все эти сверхновые имеют примерно одинаковый уровень яркости, они были описаны как "космологические стандартные свечи". Когда они приближаются к нам, они светят ярче. На расстоянии, которое также относится к прошлому, поскольку мы смотрим на свет, пришедший к нам миллиарды лет назад, они кажутся более тусклыми.
Второй способ - это явление, называемое слабым гравитационным линзированием, небольшое отклонение света от галактик из-за притяжения вещества, лежащего между нами и галактиками. Измерение возникающих в результате едва заметных изменений формы галактик позволяет исследовать распределение космической материи, а также активность темной энергии. Команда Доре сосредоточится на этой работе.
"Гравитационное линзирование позволяет нам провести полную перепись вещества. С помощью Римского телескопа мы проведем такую перепись на очень большом участке Вселенной, которая расскажет нам гораздо больше о вселенной ", - говорит Доре. "Создавая эти группы, НАСА осознает, что потребуется богатство и разнообразие очень широкого научного сообщества, чтобы максимально использовать эту беспрецедентную обсерваторию ".
Команда Вана создаст инфраструктуру для третьего способа измерения ускорения расширяющейся вселенной - исследования красного смещения галактик. Это исследование позволяет астрономам визуализировать трехмерное распределение галактик во Вселенной, исследуя историю космического расширения, а также историю роста крупномасштабных структур во Вселенной, которые чувствительны к темной энергии. (Термин "Красное смещение" относится к расстоянию между галактиками; чем дальше галактика, тем сильнее она будет смещать или растягивать свет в более красные длины волн из-за расширения Вселенной.) Римский исследовательский центр красного смещения галактики PIT состоит из 11 участвующих институтов, возглавляемых Калифорнийским технологическим институтом. В состав команды входят руководители всех текущих и планируемых исследований красного смещения галактик с наземных объектов, а также миссии Европейского космического агентства Euclid.
"Римский телескоп будет наблюдать за галактиками, которые находятся очень далеко", - объясняет Ван. "Это идеальные индикаторы крупномасштабной структуры Вселенной. Римский телескоп использует эти индикаторы галактик в очень широком диапазоне красного смещения, то есть ближе и дальше, что означает очень широкий диапазон в истории космоса. С помощью этой информации мы можем практически точно определить скорость расширения Вселенной на различных расстояниях от нас. Но имея дополнительные наборы данных с использованием сверхновых типа Ia и слабого гравитационного линзирования, мы можем перепроверить наши результаты. Вот почему я уверен, что в течение 10 лет мы сможем найти реальные ответы на наши вопросы о том, что вызывает ускоренное расширение Вселенной ".
Ван говорит, что ее привлекли волнующие и романтичные аспекты астрономии, и она продолжает получать от них удовольствие. "Я родилась романтиком", - говорит Ван. "Когда я был маленьким, мой папа читал древнекитайские стихи, чтобы меня успокоить. Потом, когда я вырос, я читал стихи про себя, глядя в ночное небо. Я вырос в сельской местности. Было очень темно, поэтому небо было захватывающим. Позже, когда я учился в Университете Цинхуа, я посетил коллоквиум по космологии. Я был поражен и подумал: "Вау, вы хотите сказать, что действительно можете изучать всю вселенную с помощью науки? " После этого я был одержим идеей стать космологом ".
Касливал узнала об инфракрасной астрономии, когда была студенткой Корнельского университета по специальности инженерная физика. "Я всегда интересовался астрономией, но понятия не имел, что значит быть астрономом", - говорит Касливал. "В тот момент это звучало как безумная мечта. Но потом я устроился на работу в лабораторию Джима Хоука, который сконструировал инфракрасный спектрометр на космическом телескопе Спитцер, инфракрасном космическом телескопе НАСА, который проработал более 15 лет. Я наблюдал, как команда Хоука собирает данные, и был так взволнован, узнавая каждый божий день что-то новое о Вселенной. Это то, что действительно пробудило мой интерес к астрономии. Вселенная держит вас в напряжении. Скучно никогда не бывает. "
Тем временем Ван говорит, что она "не боится мыслить масштабно". Она добавляет: "Я просто думаю о том, что важно, какие ключевые вопросы следует задать. Надеюсь, наградой станут открытия. Так или иначе, открытия будут!"
Источник: Калифорнийский технологический институт
Информация о космосе также есть в сообществе в ВК https://vk.com/fotoastronomiya
На изображении: схема обзора Римским космическим телескопом Нэнси Грейс далекой Вселенной (и глубокого прошлого).
Дополнительные материалы
