Vorgeschlagene NASA-Mission verwendet "Hummer-Auge" -Optik, um Quelle von kosmischen Wellen zu lokalisieren

X-15 The Ultimate Flying Machine (Juni 2019).

Anonim

Ein neuartiges optisches System, das die Struktur der Augen eines Hummers imitiert, würde es einer konzeptuellen Mission der Explorer-Klasse ermöglichen, andere Observatorien präzise auf die Quelle von Gravitationswellen zu lokalisieren, zu charakterisieren und zu warnen, die durch einige der mächtigsten Ereignisse im Universum verursacht werden.

Das Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, wird die Machbarkeit des Transient Astrophysics Observatory auf der Internationalen Raumstation ISS-TAO untersuchen. Die Mission wurde, zusammen mit zwei anderen ähnlich klassifizierten Konzepten, als potentielle Explorer Mission of Opportunity ausgewählt. Im Jahr 2019 wird die NASA voraussichtlich ein Konzept für den Bau und die Einführung auswählen.

"Diese Mission ist heute relevanter als je zuvor", sagte Missionsleiter Jordan Camp, der ein internationales Team leitet, um das Konzept zu verfeinern und seine beiden Instrumente zu verfeinern: ein von Goddard zur Verfügung gestelltes Röntgen-Wide-Field-Imager, oder WFI und die Israelische Weltraumagentur Gamma-Ray Transient Monitor.

"Die Entdeckung von Gravitationswellen Ende 2015 war ein Wendepunkt", sagte Camp. "Gravitationswellen sind so verschieden, so neu. Wir wollen einen Weg, konventionelle elektromagnetische Astronomie mit dieser aufkommenden Wissenschaft zu verbinden."

All-Sky-Überwachung

Von ihrem Platz an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) würde die Mission den Himmel auf der Suche nach transienten Röntgen- und Gammastrahlen überwachen - jenen flüchtigen, schwer zu erfassenden, hochenergetischen Photonen, die während der Zeit von Schwarzen Löchern und Neutronen freigesetzt wurden. Sternfusionen und Supernovae. Diese gewaltigen Umwälzungen erzeugen Gravitationswellen.

Vor einem Jahrhundert von Albert Einstein postuliert, werden Gravitationswellen erzeugt, wenn sich massive Objekte, die sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, zusammenrollen und sich im Universum vermischen. Die Bewegung und die sich daraus ergebende Kollision erzeugen Wellen im Gewebe der Raumzeit, die in alle Richtungen ausstrahlen, ähnlich wie Wasser kräuselt, wenn ein Stein in einen Teich geworfen wird.

Im letzten Jahr enthüllten Wissenschaftler in einer Bombenanschlag-Ankündigung, dass das bodengestützte Laserinterferometer Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) Gravitationswellen nicht aus einem, sondern aus zwei getrennten Ereignissen, die die Kollision von Schwarzen Löchern in anderen Galaxien beinhalten, entdeckt hat; andere wurden seit berichtet. Für diese Entdeckung erhielten die drei Physiker LIGO, Rainer Weiss, Kip Thorne und Barry Barish, kürzlich den Nobelpreis für Physik 2017.

Und dann, am 16. Oktober, kündigte LIGO den ersten Nachweis von Gravitationswellen durch die Fusion zweier Neutronensterne an. Weniger als zwei Sekunden später, nachdem sich die Wellen über die Raumzeit der Erde hinweggespült hatten, entdeckte das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA einen schwachen Ausbruch von energiereichem Licht - das erste, das eindeutig mit einer Gravitationswellenquelle verbunden war. Einen halben Tag später hatten Observatorien auf der ganzen Welt den Ort im sichtbaren Licht gefunden und zum ersten Mal eine Gravitationswellenquelle ausfindig gemacht.

Gegenwärtig stammt fast alles, was Wissenschaftler über den Kosmos wissen, aus dem Nachweis und der Analyse des Lichtes kosmologischer Quellen in allen seinen Formen über das elektromagnetische Spektrum - Radio-, Infrarot-, sichtbare, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen. Jede Wellenlänge fügt unter anderen physikalischen Eigenschaften ein anderes Detail über die Zusammensetzung, Temperatur und Geschwindigkeit dieser Quellen hinzu.

Die Bestätigung, dass Gravitationswellen existieren, hat ein neues Fenster auf das Universum geöffnet und den Wissenschaftlern eine neue Sichtweise gegeben, die das ergänzt, was sie bereits durch traditionellere Beobachtungsansätze gelernt haben. Camp, der an der Entwicklung von LIGO-Lasern und -Optiken mitgewirkt hat und einer der Autoren auf dem Papier war, der die erste Entdeckung ankündigte, glaubt, dass die Mission eine besondere Nische hat, um diesen aufstrebenden Zweig der Astrophysik zu füllen.

Spezielle Nische in der Gravitationswellenforschung

Die Mission wird eine Wache sein, sagte der Missionsabgeordnete Scott Barthelmy.

Zusätzlich zu Himmelsdurchmusterungen von transienten Röntgenquellen wird es die Röntgenstrahlengegenstücke zu Quellen von Gravitationswellenereignissen genauer lokalisieren, Daten sammeln und ihre Position anderen Observatorien mitteilen, so dass sie ihre eigenen beginnen können Beobachtungen.

"LIGO und Virgo (eine kürzlich modernisierte Interferometeranlage in Pisa, Italien) bilden das fortschrittliche Netzwerk von Gravitationswellen-Observatorien", sagte Camp. "Sie werden uns auf die aufregendsten Kandidaten aufmerksam machen, wie die letzten Momente eines kompakten binären Systems. Obwohl diese Einrichtungen die Wellen in der Raumzeit erkennen können, können sie Gravitationswellen nicht fokussieren und stattdessen ihre Quellenlokalisierung durch das Timing von Rauschen erreichen Signale ", erklärte Camp. "So können sie ihre Quellen nicht genau lokalisieren."

Im Gegensatz dazu würde die Nutzlast ihre Hummer-Optik auf den großen Teil des von LIGO und Jungfrau identifizierten Himmels richten und dann die begleitenden Röntgenstrahlen fokussieren, um diese Quellen zu lokalisieren und zu charakterisieren, sagte er.

Derzeit suchen das Hubble Space Telescope, das Fermi Gammastrahlen-Weltraumteleskop, die Swift Gamma-Ray Burst Mission, das Spitzer Space Telescope und das Chandra X-ray Observatory nach elektromagnetischen Gegenstücken. Zusammen mit Dutzenden von erdgebundenen Observatorien haben alle von ihnen Licht aus der Fusion des Neutronensterns entdeckt, so dass die Astronomen zum ersten Mal die Folgen eines Gravitationswellenereignisses untersuchen konnten.

Die Mission ist jedoch besonders gut für diese Aufgabe geeignet, sagte Co-Investigator Judy Racusin.

Eines seiner Instrumente, das WFI, ist mit der neuartigen Lobster-Eye-Optik ausgestattet, die die Struktur der Augen des Krebstieres nachahmt. Hummeraugen bestehen aus langen, schmalen Zellen, die jeweils eine winzige Menge Licht aus einer bestimmten Richtung reflektieren. Dadurch kann das Licht aus einem großen Betrachtungsbereich in ein einziges Bild fokussiert werden.

Die Optik von WFI funktioniert genauso. Seine Augen sind Mikrokanalplatten - dünne, gebogene Materialplatten, die mit winzigen Röhren übersät sind. Das Röntgenlicht kann aus mehreren Winkeln in diese Röhren eindringen und wird durch Reflektieren mit streifendem Einfall fokussiert, was der Technologie ein weites Sichtfeld gibt, das notwendig ist, um vorübergehende Ereignisse zu finden und abzubilden, die nicht vorhergesagt werden können. Anders als bei einer Schallraketendemonstration muss Hummer-Auge-Optik noch in einer Weltraumanwendung verwendet werden, sagte Camp.

Der Missionsanlegeplatz an Bord der Raumstation bietet einen weiteren Vorteil, sagte der Missionswissenschaftler Robert Petre und fügte hinzu, dass der umkreisende Außenposten Kommunikations-, Strom- und andere Dienste bietet, die die Kosten von Raumfahrzeugen erhöhen. "Wir möchten diese erstaunliche Einrichtung für genau das verwenden, was sie zu bieten hat - schnellen und kostengünstigen Zugang zum Weltraum."

Sollte ISS-TAO als Explorer Mission of Opportunity ausgewählt werden, glaubt Camp, dass er die Mission erfüllen und bis 2022 starten könnte, nur ein paar Jahre nach dem geplanten Start des James Webb Weltraumteleskops. Das Webb-Observatorium könnte auch herangezogen werden, um die explosiven Ereignisse zu beobachten, die Gravitationswellen erzeugen, sagte Camp.

"Wir haben mit der Arbeit an diesem Missionskonzept begonnen, bevor LIGO die Entdeckung machte", sagte Camp und bezog sich dabei auf F & E-finanzierte Bemühungen, die vor etwa fünf Jahren begannen. "Die Entdeckung von Gravitationswellen hat sicherlich eine Menge Aufregung ausgelöst und eine revolutionäre neue Grenze in der Astrophysik eröffnet. Wir glauben, dass unsere Mission die Wissenschaft der Gravitationswellen erheblich verbessern kann."

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