За останні десятиліття ми дізналися величезну кількість про Всесвіт та його історію. Технологія телескопів, що швидко розвивається – як на Землі, так і в космосі – була ключовою частиною цього процесу, і ті, які мають почати працювати протягом наступних двох десятиліть, повинні розсунути межі нашого розуміння космології набагато далі.

Усі обсерваторії мають перелік наукових цілей перед увімкненням, але найбільший вплив можуть мати їхні несподівані відкриття. Багато несподіваних досягнень у космології були зумовлені новою технологією, і наступні телескопи мають потужні можливості.

Тим не менш, є прогалини, такі як відсутність майбутніх космічних телескопів для астрономії ультрафіолетового та видимого світла. Політика та національні інтереси сповільнили науковий прогрес. Фінансові пояси затягуються навіть у найвідоміших обсерваторій.

Найбільші нові телескопи будують у горах Чилі. Надзвичайно великий телескоп (ELT) розмістить дзеркало розміром із чотири тенісні корти під величезним куполом у пустелі Атакама.

Телескопи-рефлектори, такі як ELT, працюють за допомогою головного дзеркала для збору світла з нічного неба, а потім відбивають його від інших дзеркал до камери. Більші дзеркала збирають більше світла й бачать тьмяніші об’єкти.

Ще один наземний телескоп, який будується в Чилі, — це телескоп Vera C. Rubin . Камера Рубіна є найбільшою з коли-небудь створених: розміром з маленький автомобіль і вагою близько трьох тонн. Його 3200 мегапікселів кожні три дні фотографуватиме все небо, щоб помітити рухомі об’єкти. Протягом 10 років ці фотографії будуть об’єднані, щоб створити велике сповільнене відео Всесвіту.

Раніше астрономія була фізично важкою роботою, яка вимагала подорожей до віддалених телескопів у темних місцях, але багато астрономів почали працювати вдома задовго до COVID. Наприкінці 20-го століття великі наземні обсерваторії почали впроваджувати технологію, яка дозволяла астрономам контролювати телескопи для спостережень вночі, навіть якщо вони не були там особисто. Дистанційне спостереження тепер є звичним явищем, яке здійснюється через Інтернет.

Однак огляд будь-якого телескопа на землі обмежений, навіть якщо він знаходиться на вершині гори. Запуск телескопів у космос може обійти ці обмеження.

Історія роботи космічного телескопа Хаббл почалася, коли космічний човник підняв його над атмосферою 25 квітня 1990 року. Хаббл отримав повну науково-фантастичну обробку 1960-х: ракета для запуску, гіроскопи для наведення та електронні камери замість фотоплівки. Але один план провалився: Хаббл прийме астронавта-астронома, який їздить на роботу і працює далеко від дому.

Хаббл був розроблений для проведення перепису Чумацького Шляху та сусідніх галактик. Його наступник, космічний телескоп Джеймса Вебба, вивчатиме ще більш віддалені галактики.

Обидва телескопи революціонізували наше розуміння Всесвіту, але так, як ніхто не передбачив. У початкових планах Хаббла не згадується жодне з відкриттів, які зараз вважаються його найбільшими хітами: стовпи води, що вириваються із супутника Юпітера Європа, вихор навколо чорних дір, невидима темна матерія, яка утримує Всесвіт, і темна енергія, яка розриває його.

Вебб, запущений 25 грудня 2021 року, тепер проводить третину свого часу, розглядаючи планети навколо інших зірок, про які навіть не було відомо, коли він був розроблений.

Заявлена ​​мета дорогого телескопа – це, як правило, лише рекламна пропозиція для космічних агентств, урядів і платників податків. Телескоп Webb мав би досягти своїх початкових наукових цілей, але астрономи завжди знали, що бачення далі, кращої якості або більшої кількості кольорів може досягти набагато більшого. Несподівані відкриття за допомогою телескопів часто важливіші за наукові цілі, заявлені на початку.

Огляд далеко

Для вчених це полегшення, що телескопи виходять за рамки свого завдання, тому що Хабблу і Веббу знадобилося більше 25 років від створення серветки до запуску. У цей час виникають нові наукові питання.

Створення великого космічного телескопа зазвичай займає близько двох десятиліть. Космічні телескопи Chandra та XMM - Newton створювали 23 роки та 15 років відповідно. Вони були розроблені для спостереження рентгенівського випромінювання, що надходить від гарячого газу навколо чорних дір і скупчень галактик, і були запущені дуже близько один до одного в 1999 році.

За ними пішли японський рентгенівський супутник Хітомі , створення якого тривало 18 років , і німецький прилад eRosita на російській космічній обсерваторії Спектр-РГ, на створення якого пішло 20 років .

Подібні часові рамки застосовуються до космічних телескопів Hipparcos і Gaia Європейського космічного агентства , які склали карту всіх зірок Чумацького Шляху. Місії Cobe і Planck для вивчення післясвічення мікрохвильового світла Великого вибуху також зайняли два десятиліття. Точні дати залежать від того, як ви рахуєте, і кілька винятків були «швидше, краще, дешевше» , але національні космічні агентства, як правило, не схильні до ризику та повільно розробляють ці проекти.

Отже, новітні космічні телескопи є тисячоліттями. Вони були розроблені в той час, коли астрономи виміряли новонароджене розширення Всесвіту після Великого вибуху, а також його старе, прискорене розширення . Їхня головна мета зараз — заповнити прогалину, тому що, на диво, інтерполяції від ранніх часів до пізніх часів не зустрічаються посередині.

Виміряні темпи розширення Всесвіту суперечливі, так само як і результати щодо згустків матерії в космосі. Обидва вимірювання створюють проблеми для наших теорій про те, як розвивався Всесвіт.

Для спостереження середнього віку Всесвіту потрібні телескопи, що працюють на довгих хвилях, оскільки світло від далеких галактик розтягується до того часу, коли воно досягає нас. Отже, Webb має камери з інфрачервоним масштабуванням, тоді як космічний телескоп Європейського космічного агентства «Евклід», запущений у 2023 році, і телескоп NASA «Nancy Grace Roman», який планується запустити в 2026 році, обидва мають інфрачервоні ширококутні огляди.

Під’їжджають відразу три автобуси

Більшість зірок світять ультрафіолетовими та інфрачервоними кольорами, які заблоковані земною атмосферою, а також кольорами, які наші очі еволюціонували, щоб бачити.

Додаткові кольори корисні. Наприклад, ми можемо зважити зірки на іншому боці нашої галактики, оскільки масивні зірки яскраві в інфрачервоному діапазоні , тоді як менші зірки тьмяні – і залишаються такими протягом усього свого життя. Однак ми знаємо, де народжуються зірки, тому що лише молоді зірки випромінюють ультрафіолетове світло.

Крім того, незалежні вимірювання одного і того ж життєво важливі для суворої науки. Інфрачервоні телескопи, наприклад, можуть працювати разом і вже зробили дивовижні відкриття. Але те, що всі космічні телескопи Webb, Euclid і Roman бачать інфрачервоні кольори, не є чудовим для різноманітності.

Камера видимого світла Hubble була щойно вимкнена через скорочення бюджету. NASA не повернеться до ультрафіолетових хвиль до 2030-х років, створивши Ultraviolet Explorer і Habitable Worlds Observatory.

Земна політика також стає на заваді. Дані китайського космічного телескопа Xuntian класу Hubble навряд чи будуть доступні на міжнародному рівні. А на знак протесту проти вторгнення Росії в Україну в лютому 2022 року Німеччина вимкнула свій рентгенівський прилад eRosita, який ідеально працював у співпраці з Росією за мільйон миль від Землі.

Дешевий комерційний запуск може врятувати ситуацію. Евклід мав злетіти на російській ракеті "Союз" із космодрому Європейського космічного агентства у Французькій Гвіані. Коли Росія завершила там операції взаємними репресіями, запуск Euclid був успішно переключений в останню хвилину на ракету SpaceX Falcon 9.

Якщо великі телескопи також можна скласти всередину супутників «cubesat» розміром із взуттєву коробку, нижча вартість зробить їх життєздатними на невдачу. Толерантність до ризику створює позитивне коло, яке робить місії ще дешевшими.

Телескопи також випробувані в інноваційних місцях, таких як гігантські гелієві кулі та літаки. Одного разу вони також можуть бути розміщені на Місяці, де середовище сприятливе для певних видів астрономії.

Але, мабуть, найбільш незвичайною технологією телескопів, яка може принести найнесподіваніші відкриття, є детектори гравітаційних хвиль. Гравітаційні хвилі не є частиною електромагнітного спектру, тому ми не можемо їх побачити. Це викривлення або «брижі» простору-часу, спричинені одними з найжорстокіших і найенергійніших процесів у Всесвіті. Це може бути зіткнення двох нейтронних зірок (щільні об’єкти, які утворюються, коли у масивних зірок закінчується паливо) або злиття нейтронної зірки з чорною дірою.

Якщо телескопи — це наші очі, то детектори гравітаційних хвиль — наші вуха. Але знову ж таки, нинішні детектори гравітаційних хвиль на Землі – це просто тести для тих, які астрономи зрештою розгорнуть у космосі.

На запитання, що відкриє наступне покоління обсерваторій, я не знаю. І це добре. Найкращі наукові експерименти повинні розповідати нам не лише про речі, які ми очікуємо знайти, але й про невідомі невідомі.