Inilah yang akan ditemukan WFIRST - jika kami dapat menyimpannya.

Simulasi menunjukkan bahwa teleskop ruang angkasa generasi berikutnya akan benar-benar luar biasa.

Senin ini, Gedung Putih mengeluarkan anggaran yang diusulkan untuk tahun fiskal 2020, yang merinci pendanaan untuk sejumlah lembaga federal, termasuk NASA. Anggaran mengusulkan pemotongan bersih $ 481 juta kepada badan antariksa, termasuk benar-benar memotong $ 381 juta dana mengejutkan untuk Wide Field Infrared Survey Telescope, atau WFIRST, dijadwalkan untuk diluncurkan pada pertengahan tahun 2020-an. Ini adalah tahun kedua berturut-turut pemerintah berusaha membunuh teleskop luar angkasa, yang diselamatkan tahun lalu hanya oleh Kongres.

Versi WFIRST yang lebih lama, dari tahun 2019. Sejak itu, teleskop telah mengalami beberapa iterasi seiring dengan perubahan tujuan sainsnya. Kredit gambar: NASA.

Seperti yang diharapkan, siasat - yang dibenarkan oleh persaingan biaya berlebih oleh Teleskop Luar Angkasa James Webb - telah menghadapi tentangan besar oleh para astronom, yang menganggap WFIRST sebagai salah satu prioritas utama NASA untuk dekade berikutnya. Mereka berpendapat bahwa menghentikan proyek enam tahun akan menjadi pukulan bagi astronomi di dua bidang utama:

  • Astronomi exoplanet, yang akan mendapat manfaat dari prospek revolusioner WFIRST untuk menemukan dunia baru melalui microlensing gravitasi dan pencitraan langsung.
  • Kosmologi, yang akan mendapatkan pengukuran kerapatan, evolusi, dan sifat dasar energi gelap melalui survei WFIRST di galaksi dan supernova.

Tidak mengherankan, para ilmuwan tertarik untuk mendapatkan ide-ide kuantitatif dari hasil yang mereka harapkan dari WFIRST, dan simulasi terperinci telah dilakukan selama beberapa tahun terakhir dalam upaya untuk menentukan apa yang akan ditemukan. Untuk memahami mengapa kelangsungan hidup WFIRST adalah masalah besar, izinkan saya membawa Anda dalam perjalanan melalui beberapa simulasi dari apa yang mungkin terjadi pada tahun 2020 bagi kami.

Sebelum kita sampai di sana, saya harus memberi tahu Anda sedikit tentang pesawat ruang angkasa yang sedang kita bicarakan. WFIRST memiliki teleskop 2,4 meter yang dirancang untuk mendeteksi cahaya inframerah; ukurannya sama dengan Teleskop Luar Angkasa Hubble, dan dapat mengamati pada banyak panjang gelombang yang sama. Kemungkinan akan mengorbit di tempat yang disebut titik Lagrange Matahari-Bumi kedua, yang terletak di luar sisi malam hari Bumi.

Diagram coronagraph WFIRST, menunjukkan radiator pendingin, spektograf, dan komponen utama lainnya. Kredit gambar: NASA / Goddard Spaceflight Center.

Terlampir pada teleskop adalah dua instrumen yang membuat WFIRST begitu penting: Wide Field Instrument (WFI) yang dinamai tepat, yang akan memberikan observatorium bidang pandang yang luas untuk pencitraan dan pengamatan spektroskopi, dan Instrumen Coronagraphic, yang juga memiliki kesamaan kemampuan pencitraan dan spektroskopi, tetapi dengan bidang pandang kecil, dan dapat menghalangi cahaya bintang untuk melihat exoplanet redup yang mengorbitnya.

Bersama-sama, instrumen ini, bekerja dengan sibuk di pesawat ruang angkasa 1,5 juta mil dari Bumi, akan memberikan kemajuan dalam dua bidang yang tumbuh cepat: exoplanet dan energi gelap. Sekarang, mari kita lihat apa yang menurut para astronom akan mereka temukan - dan lihat beberapa simulasi terbaru.

Menemukan exoplanet melalui lensa jenis baru

25 tahun terakhir telah terbukti berlimpah untuk astronomi exoplanetary. Sejak deteksi dikonfirmasi pertama sebuah planet ekstrasurya pada tahun 1992, para astronom telah menemukan 4.000 planet ekstrasurya yang mengejutkan di sekitar 3.000 bintang, dengan lebih banyak lagi yang menunggu konfirmasi. Planet-planet ini sebagian besar telah terdeteksi melalui dua teknik utama:

  • Metode kecepatan radial, yang menggunakan spektroskopi untuk menemukan gangguan dalam gerakan bintang yang disebabkan oleh planet ekstrasurya yang mengorbit.
  • Metode transit, yang mencari kemiringan dalam kecerahan bintang ketika sebuah planet ekstrasurya melewati antara bintang dan Bumi.

Meskipun keduanya menghasilkan jumlah dunia baru yang spektakuler, mereka berdua bias menemukan planet yang besar, masif, dan dekat dengan bintang inangnya. Ada metode lain yang mengurangi bias itu, seperti gravitasi mikro. Microlensing didasarkan pada prinsip bahwa sebuah objek besar membelokkan ruang-waktu, dan oleh karena itu sinar cahaya bepergian melalui alam semesta. Ini berarti bahwa sebuah bintang harus mendistorsi cahaya bintang latar belakang - dan setiap planet yang mengorbitnya akan berkontribusi terhadap distorsi. Ternyata penyimpangan ini dapat diukur! Teknik ini sebenarnya cukup bagus dalam menemukan exoplanet bermassa rendah di jari-jari orbit seperti Bumi, tetapi idealnya membutuhkan teleskop resolusi tinggi dan langit yang cerah. Sejauh ini, sangat sedikit exoplanet yang ditemukan menggunakan microlensing.

Kesan seorang seniman terhadap OGLE-2005-BLG-390Lb, sebuah planet ekstrasurya yang ditemukan melalui microlensing gravitasi pada tahun 2005. Kredit gambar: ESO, di bawah lisensi Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

WFIRST memiliki potensi untuk mengubah semua itu. Salah satu keuntungan WFIRST dibandingkan survei microlensing yang lebih lama adalah bahwa ia akan berada di ruang angkasa, yang menghindari distorsi atmosfer. Ini, ditambah dengan pencitraan beresolusi tinggi dan bidang pandang yang luas, berarti ia dapat mengamati banyak bintang redup yang merupakan target yang tidak layak untuk survei-survei mikro berbasis-tanah.

Satu makalah yang menunjukkan kemampuan ini adalah Penny et al. 2018, sebuah analisis yang dilakukan tahun lalu. Kelompok ini bertujuan untuk mensimulasikan tingkat deteksi peristiwa microlensing planet-terikat - yaitu, pendeteksian microlensing oleh exoplanet yang mengorbit bintang-bintang, yang bertentangan dengan mengambang di ruang angkasa sendiri. Mereka memiliki beberapa tantangan untuk bersaing dengan:

  • Desain WFIRST telah berubah dari waktu ke waktu, sehingga mereka perlu mempertimbangkan beberapa pengaturan sebelumnya.
  • Ambang sensitivitas untuk deteksi tidak sepenuhnya disetujui, bahkan untuk survei mikrolensing lainnya.
  • Bintang biner dapat menghasilkan banyak positif palsu, dengan satu komponen meniru planet ekstrasurya.

Pertama, Penny et al. menggunakan program yang disebut GULLS untuk mensimulasikan langit menggunakan katalog bintang yang disintesis dan model galaksi, dengan hati-hati membatasi simulasi ke bidang pandang aktual WFIRST. Mereka harus memasukkan berbagai sifat bintang dan planet, yang mereka lakukan dengan mengasumsikan fungsi massa tertentu - hukum yang memprediksi seberapa sering suatu benda dengan massa tertentu dan sifat yang sesuai akan muncul dalam dataset. Dari sana, mereka menghasilkan peristiwa microlensing dan mempertimbangkan berapa banyak yang benar-benar akan cocok dengan ambang deteksi teleskop, menggunakan parameter yang disebut ∆χ², diatur ke 160. Jika jumlah statistik yang dikenal sebagai χ² ("chi-squared") lebih tinggi dari 160 untuk sebuah diberi peristiwa, itu dihitung sebagai deteksi.

Simulasi menunjukkan bahwa WFIRST akan melihat ratusan atau lebih exoplanet massa Bumi - pada kenyataannya, total 200 kurang dari atau sama dengan 3 massa Bumi, berdasarkan pada desain WFIRST saat ini ("Siklus 7"). Secara total, survei microlensing pertama harus menemukan 1.400 exoplanet menggunakan metode ini, berkali-kali jumlah saat ini ditemukan melalui microlensing.

Gambar 8, Penny et al. Berikut adalah sejumlah hasil simulasi berdasarkan berbagai desain WFIRST dan fungsi massa planet ekstrasurya. Teleskop itu tampaknya dioptimalkan untuk planet-planet massa antara Bumi dan Uranus, termasuk super-Bumi, kelas hibrida dari benda-benda darat dengan atmosfer gas yang kental.

Secara keseluruhan, simulasi menunjukkan sensitivitas yang jauh lebih besar terhadap exoplanet dalam kisaran 1–10 AU, dengan jari-jari orbital mirip dengan Bumi dan Mars. Kita juga harus berharap untuk melihat sejumlah planet bermassa Bumi, yang belum pernah diamati sebelumnya dalam rentang orbit ini. Ini berarti bahwa WFIRST mungkin dapat menunjukkan kepada kita sistem planet seperti kita sendiri, sesuatu yang tidak bisa dilakukan oleh Kepler dan teleskop ruang angkasa lainnya. Signifikansi ini tidak dapat dikecilkan.

Gambar 9, Penny et al. Ini adalah plot yang seharusnya membuat Anda menjadi

Sekarang, untuk melengkapi pengukuran mikrolensingnya, WFIRST juga akan dapat mendeteksi exoplanet melalui pencitraan langsung. Pencitraan langsung adalah teknik yang mengambil gambar dari sistem bintang tetapi menghalangi cahaya dari bintang, memungkinkan teleskop untuk melihat objek yang lebih redup di dekatnya. Meskipun ini paling sensitif terhadap benda beberapa kali massa Jupiter, ia bekerja dengan baik untuk planet-planet ekstrasurya yang mengorbit lebih jauh dari bintang-bintang mereka. Namun, seperti microlensing, pencitraan langsung sejauh ini hanya memiliki sedikit keberhasilan.

Dengan menggunakan pencitraan langsung, coronagraph WFIRST mungkin harus menemukan selusin atau lebih exoplanet antara 3 dan 10 AU bintang inangnya. Sampai saat ini, pencitraan langsung oleh teleskop di Bumi tidak dapat menemukan banyak exoplanet dalam kisaran itu - satu lagi alasan WFIRST diprioritaskan untuk mendorong batas astronomi planet ekstrasurya.

Menerangi kegelapan

Pada saat yang sama ketika planet ekstrasurya lepas landas, energi gelap muncul ke garis depan kosmologi modern. Pada akhir 1990-an, Tim Pencarian High-Z Supernova dan Proyek Kosmologi Supernova secara independen mengukur pilihan supernova Tipe Ia - meledak white dwarf dalam sistem biner. Sebagian besar supernova ini diharapkan memiliki luminositas yang sama, menjadikannya lilin standar yang berguna. Dengan menggunakan supernova Tipe Ia untuk mengukur kecepatan resesi galaksi, kelompok-kelompok tersebut memberikan bukti jelas bahwa perluasan alam semesta sedang dipercepat - hasil pemenang Hadiah Nobel.

Gambar 4 dan 5, Riess et al. 1998. Diagram ini memplot moduli jarak supernova Tipe Ia terhadap pergeseran merah mereka. Kecenderungan pada titik-titik data menunjukkan bahwa alam semesta mengembang - dan dengan kecepatan yang semakin cepat.

Para astronom percaya bahwa energi gelap bertanggung jawab. Kita tahu bahwa ia ada di mana-mana dan membentuk sekitar dua pertiga dari alam semesta, tetapi tidak ada yang tahu apa itu sebenarnya. Sifat utama energi gelap dikodekan dalam persamaan keadaannya, yang menggambarkan bagaimana tekanan dan kerapatan berhubungan satu sama lain. Persamaannya melibatkan jumlah kunci yang disebut persamaan parameter keadaan, w. Ini pada gilirannya dapat didekomposisi menjadi ekspresi yang melibatkan dua kuantitas lain, w₀ dan wₐ, yang mencirikan nilai w saat ini dan evolusinya dalam waktu. Dengan mengamati supernova pada jarak yang berbeda, kita dapat mengukur kedua kuantitas.

Tim di belakang WFIRST telah merencanakan misi lima tahun untuk teleskop, yang mencakup enam bulan pengamatan supernova menggunakan Instrumen Lapangan Luas. Ini adalah waktu yang relatif singkat, sehingga para ilmuwan harus seefisien mungkin. Sekelompok astronom (Hounsell et al. 2018) memutuskan untuk mensimulasikan 11 teknik pengamatan WFIRST yang berbeda untuk menemukan strategi yang optimal.

Gambar 4, Hounsell et al. 2018. Berikut adalah pilihan kurva cahaya supernova yang disimulasikan yang terlihat melalui sejumlah filter yang berbeda. Perhatikan bahwa ketidakpastian dalam pengukuran tumbuh secara substansial pada pergeseran merah yang tinggi.

Saya harus mengklarifikasi apa yang kami maksud dengan "strategi". Dalam penggunaannya di sini, istilah ini merujuk pada kumpulan filter, instrumen (Imager Kamera Wide Field atau spektograf IFC-S), dan area langit untuk disurvei. 11 strategi berbeda yang disimulasikan oleh tim menggunakan kombinasi berbeda di atas. Misalnya, strategi Pencitraan: Lowz hanya menggunakan WFC, serta filter Y + J dan J + H.

Simulasi melibatkan paket perangkat lunak yang disebut SNANA, yang menganalisis kinerja setiap strategi, serta model spektral SALT2, yang digunakan untuk menghasilkan populasi supernova Tipe Ia dan kurva cahaya mereka. Sejumlah alat lain digunakan untuk menambahkan bahan lain, seperti parameter kosmologis. Alih-alih menggambarkan keberhasilan setiap survei dengan jumlah supernova yang ditemukan, tim menggunakan kuantitas yang disebut figur of merit (FoM). Semakin tinggi FoM, semakin efisien dan akurat strategi.

Pada akhirnya, para astronom memilih empat strategi dengan FoM tertinggi: SDT *, SDT * Highz, Imaging: Allz dan Imaging: Highz *. Dua yang pertama adalah modifikasi dari strategi yang disarankan asli oleh WFIRST Science Definition Team dan menggunakan IFC-S dan WFC, sedangkan dua yang terakhir adalah strategi pencitraan saja, dan hanya menggunakan Wide Field Camera. Semua harus memiliki nilai FoM - secara optimis - antara 338 dan 369, menyiratkan standar deviasi pada pengukuran w₀ dan wₐ sekitar 0,035 dan 0,17. Dibandingkan dengan pengukuran saat ini dan ketidakpastian w₀ dan wₐ (−0.91 ± 0.10 dan −0.39 ± 0.34), ini adalah peningkatan yang substansial.

Gambar 13, Hounsell et al. 2018. Interval kepercayaan untuk empat strategi yang dipilih jauh lebih baik daripada interval kepercayaan yang dihasilkan oleh metode lain (seperti mempelajari osilasi akustik baryon dalam latar belakang gelombang mikro kosmik) atau bahkan oleh strategi asli yang diusulkan oleh tim WFIRST.

Terlepas dari strategi pengamatan tertentu yang digunakan, kami berharap dapat melihat beberapa hasil yang baik dari WFIRST di bidang energi gelap - jauh lebih baik daripada yang ditemukan melalui metode lain. Jika tim WFIRST memutuskan untuk mengambil simulasi dari Hounsell et al. namun, kami akan memiliki kendala yang lebih baik - dan itu hanya melalui pengamatan supernova! WFIRST juga memiliki potensi untuk menempatkan batasan tambahan pada parameter-parameter ini dengan mengamati bagaimana galaksi berbaris di langit, membantu kita mengetahui distribusi massa di alam semesta dan karenanya bagaimana energi gelap membentuk kosmos.

Mengapa WFIRST menjadi teleskop untuk melakukan ini?

Mari kita kembali ke tempat kita mulai, dan mengajukan pertanyaan kunci: Jika kita memiliki James Webb Space Telescope (JWST) siap diluncurkan dalam beberapa tahun, mengapa kita perlu proyek mahal lain yang sedang dibangun pada saat yang sama? Mengapa JWST juga tidak dapat melakukan pengukuran microlensing, atau mengamati supernova jauh untuk membantu kami mengetahui sifat energi gelap? Setelah semua, itu dianggap sebagai penerus Hubble Space Telescope, pilar pengamatan berbasis ruang selama hampir tiga dekade.

Yah, WFIRST telah dirancang khusus untuk dua tugas utama yang telah saya jelaskan di atas: microlensing dan pengamatan supernova Tipe Ia. Seperti yang dikatakan Penny sendiri, satu kelebihan yang dimiliki JWST - atau teleskop berbasis ruang lainnya hingga saat ini - adalah bahwa ia memiliki resolusi tinggi dan bidang pandang yang luas. Kami tidak tahu kapan peristiwa microlensing mungkin terjadi, jadi kami perlu menonton bagian langit yang lebih besar. Memiliki bidang pandang yang luas, sambil dapat mengumpulkan data berkualitas tinggi, membedakan WFIRST. Logika yang sama berlaku ketika datang ke penelitian energi gelap. JWST akan dapat melihat supernova yang lebih redup dan lebih jauh daripada WFIRST, sebagian karena itu peka terhadap panjang gelombang cahaya yang lebih panjang, tetapi bidang pandang WFIRST yang luas menjadikannya alat yang jauh lebih baik untuk mempelajari populasi supernova secara keseluruhan.

Kesan seniman tentang James Webb Space Telescope. JWST mungkin salah satu instrumen paling menarik yang akan datang dalam beberapa tahun mendatang, tetapi begitu juga WFIRST - dan keduanya adalah teleskop yang sangat berbeda. Kredit gambar: NASA

Jangan lupa pepatah lama bahwa dua teleskop lebih baik dari satu. Ingat mengapa studi strategi supernova penting di tempat pertama: jumlah waktu yang dapat digunakan WFIRST untuk itu sangat terbatas - mungkin hanya enam bulan! James Webb Space Telescope, dengan kemampuan generasi berikutnya untuk mempelajari atmosfer dan protopala planet ekstrasurya, akan menjadi sangat sibuk karena tanpa mengambil masalah monumental WFIRST bertujuan untuk menjelaskan lebih banyak.

Prediksi yang saya jelaskan di sini - bahwa WFIRST dapat menemukan 1400 exoplanet melalui microlensing gravitasi dan memberikan batasan ketat pada karakteristik energi gelap - bukan milikku. Mereka adalah hasil dari simulasi yang cermat oleh para astronom yang mengenal teleskop secara intim. Jadi ketika Anda mendengar pembelaan seorang ilmuwan tentang mengapa kita perlu menjaga teleskop ini tetap hidup - yah, Anda tahu mengapa mereka begitu berinvestasi di dalamnya.

Tahun 2020 akan menjadi dekade yang menarik bagi astronomi. Aku akan melihatmu di sana.