p Como será o futuro da NASA? O telescópio de próxima geração investigará os primeiros buracos negros no universo distante ou procurará por vida em um planeta semelhante à Terra a anos-luz de distância? Como nas últimas décadas, a agência não tomará essa decisão no vácuo ou sem entender os obstáculos técnicos, que são formidáveis. p Já, equipes de especialistas de toda a agência, academia, e a indústria está estudando quatro missões principais em potencial que a comunidade científica vetou como atividades dignas de acordo com a Pesquisa Decadal de Astrofísica de 2020. Em março, eles enviaram relatórios provisórios. Próximo ano, espera-se que eles concluam os relatórios finais que o Conselho Nacional de Pesquisa usará para informar suas recomendações à NASA em alguns anos.

p "Esta é a hora do jogo para astrofísica, "disse Susan Neff, cientista-chefe do Programa de Origens Cósmicas da NASA. “Queremos construir todos esses conceitos, mas não temos orçamento para fazer os quatro ao mesmo tempo. O objetivo desses estudos decadais é dar aos membros da comunidade astrofísica as melhores informações possíveis enquanto eles decidem qual ciência fazer primeiro. "

p Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, leva dois:o Large Ultraviolet / Optical / Infrared Surveyor (LUVOIR) e o Origins Space Telescope (OST). Laboratório de propulsão a jato da NASA (JPL) em Pasadena, Califórnia, e o Marshall Space Flight Center em Huntsville, Alabama, Enquanto isso, estão liderando, respectivamente, o Habitable Exoplanet Imager (HabEx) e o X-ray Surveyor, conhecido como Lynx (veja os detalhes de cada um).

p Independentemente de qual missão a NASA seleciona ou das tecnologias que utiliza, a agência e os centros individuais começaram a investir em ferramentas avançadas necessárias para buscar esses ousados, conceitos inovadores no futuro, disse Thai Pham, o gerente de desenvolvimento de tecnologia do Astrophysics Program Office da NASA. "Não estou dizendo que será fácil. Não será, "ele continuou." Estas são missões ambiciosas, com desafios técnicos significativos, muitos dos quais se sobrepõem e se aplicam a todos. A boa notícia é que as bases estão sendo estabelecidas agora. "

p Estabilidade sem precedentes no nível do picômetro

p LUVOIR fornece um caso em questão.

p Um conceito do observatório prevê um superdimensionado, espelho primário segmentado com cerca de 49 pés de diâmetro. Com este gigante, LUVOIR poderia ajudar a responder como a vida começou, quais condições são vitais para a formação de estrelas e galáxias, e talvez o mais atraente, a Terra é rara no cosmos?

p "LUVOIR irá procurar por sinais de vida, mas não para por aí. Isso vai nos dizer como a vida chegou lá e como a vida é rara no cosmos, "disse Shawn Domagal-Goldman, vice-cientista de estudo. "Esta missão é ambiciosa, "concordou o cientista do estudo Aki Roberge, "mas descobrir se existe vida fora do sistema solar é o prêmio. Todos os postes altos de tecnologia são movidos por esse objetivo."

p Para obter imagens diretas de planetas do tamanho da Terra e avaliar suas atmosferas, O LUVOIR teria que adquirir luz de um objeto relativamente pequeno pelo menos 10 bilhões de vezes mais fraco do que a estrela que ele circunda. Isso seria como discernir um objeto não mais largo do que um fio de cabelo humano à distância de dois campos de futebol, Roberge disse.

p Para fazer isso, A ótica do LUVOIR e o hardware associado devem ser ultraestáveis; isso é, esses componentes não podem se mover ou distorcer mais de 12 picômetros - uma medida menor que o tamanho de um átomo de hidrogênio. Não só o observatório teria que manter esses padrões exigentes ao fazer uma medição, o mesmo aconteceria com seus segmentos de espelho.

p Como o espelho primário de 21 pés no Telescópio Espacial James Webb, O espelho do LUVOIR seria feito de segmentos ajustáveis ​​que se desdobrariam após o lançamento. Porque a captura de luz de uma fonte tênue e distante exigiria uma frente de onda precisamente focada, os atuadores ou motores fixados na parte de trás de cada espelho, então, ajustariam e alinhariam ativamente os segmentos para obter um foco perfeito.

p "Estabilidade física, mais o controle ativo no espelho primário e um coronógrafo interno (um dispositivo para bloquear a luz das estrelas) resultará na precisão do picômetro, "Roberge disse." É tudo uma questão de controle. "

p Uma equipe de Goddard já começou a desenvolver ferramentas de laboratório que podem detectar dinamicamente distorções do tamanho de um picômetro que ocorrem quando os materiais usados ​​para construir telescópios encolhem ou expandem devido a temperaturas flutuantes ou quando expostos a forças de lançamento ferozes. A NASA deve selecionar LUVOIR como sua próxima missão principal, A NASA pode usar essa ferramenta para garantir que a agência construa um observatório para esses padrões de referência.

p Suprimindo a luz das estrelas:um desafio técnico compartilhado

p HabEx, embora fisicamente menor do que LUVOIR, também criaria imagens diretas de sistemas planetários e analisaria a composição das atmosferas dos planetas com seu grande espelho segmentado. Além disso, permitirá uma ampla gama de astrofísica geral, estudando as primeiras épocas da história do universo, para entender o ciclo de vida e as mortes das estrelas mais massivas, que, em última análise, fornecem os elementos necessários para sustentar a vida como a conhecemos.

p Como LUVOIR, isto, também, deve voar um grande, telescópio estável sensível ao ultravioleta, óptico, e fótons próximos ao infravermelho, bem como tecnologias para bloquear a luz brilhante da estrela-mãe e criar uma zona escura revelando a presença de um planeta do tamanho da Terra.

p "Para obter uma imagem direta de um planeta orbitando uma estrela próxima, devemos superar uma barreira enorme na faixa dinâmica:o brilho avassalador da estrela contra o reflexo fraco da luz das estrelas no planeta, com apenas um pequeno ângulo separando os dois, "disse Neil Zimmerman, um especialista da NASA no campo da coronografia. "Não existe uma solução pronta para o uso para esse problema porque ele é muito diferente de qualquer outro desafio na astronomia observacional."

p Para superar o desafio - comparado a tentar fotografar um vaga-lume circulando um poste a milhares de quilômetros de distância - os pesquisadores estão estudando diferentes abordagens para suprimir a luz das estrelas, incluindo sombras de estrelas externas em forma de pétalas que bloqueiam a luz antes que ela entre no telescópio e coronógrafos internos que empregam máscaras e outros componentes para evitar que a luz das estrelas alcance os detectores. A equipe HabEx está investigando ambas as técnicas.

p Mas um grande obstáculo permanece:mesmo com várias máscaras coronográficas, a luz das estrelas ainda vai passar, disse Rémi Soummer, um cientista do Space Telescope Science Institute em Baltimore, Maryland. A luz das estrelas difratará nas bordas dos componentes ópticos de um coronógrafo, tornando difícil bloquear completamente a luz para ver um pequeno planeta orbitando a estrela. Uma solução possível é aplicar nanotubos de carbono nas máscaras coronográficas que modificam o padrão de luz difratada.

p Soummer, que criou um ambiente de teste de última geração para avaliar diferentes abordagens coronográficas principalmente para LUVOIR, está colaborando com o ex-engenheiro óptico Goddard John Hagopian para testar a eficácia da tecnologia de nanotubos de carbono da Hagopian para esta aplicação. Este revestimento super preto consiste em nanotubos de paredes múltiplas 10, 000 vezes mais fino que um fio de cabelo humano. "Quando a luz penetra na floresta de nanotubos com reflexão mínima, o campo elétrico da luz excita os elétrons, transformando a luz em calor e absorvendo-a efetivamente, "explicou Hagopian, agora um empreiteiro Goddard.

p Os resultados dos testes até agora são promissores, Soummer disse. Mas o veredicto ainda não foi divulgado. Enquanto Hagopian trabalha para melhorar a capacidade de sua tecnologia de absorver quase toda a luz, Soummer planeja testar máscaras de coronógrafo usando outra tecnologia de supressão de luz chamada grama de silício. Desenvolvido por pesquisadores do JPL, a grama do silício consiste em uma floresta de minúsculas agulhas gravadas na superfície de uma fina placa de silício. "Meu trabalho é comparar o desempenho das diferentes técnicas, "Soummer disse.

p "Detectores, Detectores, Detectores "

p Embora grandes matrizes de detectores medindo na casa dos milhões de pixels sejam uma obrigação para o LUVOIR, HabEx, e Lynx, eles são particularmente importantes para OST, um observatório de infravermelho distante projetado para observar os confins do universo.

p "Quando as pessoas perguntam sobre as lacunas de tecnologia no desenvolvimento do Telescópio Espacial Origins, Eu digo a eles que os três principais desafios são os detectores, detectores, detectores, "disse Dave Leisawitz, um cientista Goddard e cientista do estudo OST. "É tudo sobre os detectores."

p Os pesquisadores da NASA estão atualmente desenvolvendo diferentes tipos de detectores supercondutores para telescópios de próxima geração, but OST could benefit more from either of two emerging types:Transition Edge Sensors (TESs) or Kinetic Inductance Detectors (KIDs). TES detectors have reached a high degree of technological maturity and are now used in HAWC+, an instrument on NASA's Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy, commonly known as SOFIA. "While relatively early in its technology readiness, KIDs are quickly maturing, and may find uses in future astronomical instruments, " said Johannes Staguhn, a detector expert at Goddard and deputy study scientist and instrument scientist for OST.

p Contudo, neither detector technology can fulfill its promise unless the observatory is actively cooled to a frosty 4 kelvin, or -452.47 degrees Fahrenheit. That's because the light it's collecting—light that first began its journey across the universe literally billions of years ago—reaches space telescopes as heat. If the observatory and its instruments generate too much heat, it will overwhelm the signal the telescope wants to collect and measure.

p Como resultado, OST's segmented primary mirror—now projected to span nearly 30 feet in diameter—would have to be cooled to about 4 K. If NASA chooses OST, the observatory would be NASA's first actively cooled telescope. According to Leisawitz, the OST team would like to achieve this by flying layers of sunshields that would envelope the mirror and radiate heat away from it. Four cryocoolers or heat sinks would then mechanically absorb the residual heat to maintain the mirror's 4 K target temperature.

p OST's instrument detectors must be cooled as well—to 0.05 K, or one twentieth of a degree above absolute zero. This is 80 times colder than the observatory itself. The study team believes it can accomplish this technical feat with a multi-stage continuous adiabatic demagnetization refrigerator (CADR).

p The technology, developed by Goddard cryogenic engineers, has flown on past X-ray missions. It cools to this very low temperature by varying the magnetic fields inside rods of specialized materials and ultimately conducting heat away to a 4 kelvin cryocooler. "The CADR has no moving parts, produces no vibrations, and works independent of gravity, making it very suitable for space missions, " said Goddard cryogenic engineer Jim Tuttle.

p Mirrors and Cool Detectors to Reveal the Hidden Universe

p Cooling technologies and higher-performing detectors also present challenges for Lynx. Named after the sharp-sighted feline, the proposed observatory is the only of the four to examine the universe in X-rays. One of its principal jobs would be to detect this more energetic form of light coming from supermassive black holes at the center of the very first galaxies.

p "Supermassive black holes have been observed to exist much earlier in the universe than our current theories predict, " said Rob Petre, a Lynx study member at Goddard. "We don't understand how such massive objects formed so soon after the time when the first stars could have formed. We need an X-ray telescope to see the very first supermassive black holes, in order to provide the input for theories about how they might have formed."

p To unravel the mystery, the Lynx study team is considering flying an X-ray microcalorimeter imaging spectrometer, among other instruments. With microcalorimetry, X-ray photons strike the detector's absorbers and their energy is converted to heat, which a thermometer then measures. The heat is directly proportional to the X-ray's energy, which can reveal much about the target's physical properties. Because microcalorimeters essentially are thermometers, they must be cooled to cryogenic temperatures to detect these fleeting, hard-to-capture X-rays.

p NASA has made strides in these areas, Petre said. A Goddard team provided the cooling technology, a two-stage ADR, and a 36-pixel microcalorimeter array for the Japanese Suzaku and Astro-H missions. For Lynx, Contudo, these technologies must become larger and more capable.

p Atualmente, Goddard scientists Simon Bandler and Caroline Kilbourne are scaling up the size of the microcalorimeter array and, na verdade, are developing a 4, 000-pixel microcalorimeter array for the European Space Agency's Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics, or Athena, missão. Athena is expected to launch in the late 2020s. Their goal is to ultimately create an array containing 100, 000 pixels. Enquanto isso, Goddard cryogenic experts, led by Tuttle, are adding stages to the refrigerator. The same multi-stage cooling system baselined for Lynx also could be used on OST, Tuttle said.

p Lynx also would require a lightweight optic offering a significantly larger collection area and dramatically improved resolution. Unlike other mirrors that collect less energetic light, X-ray optics must be curved and nested inside a canister so that incoming photons graze the mirrors' surface and deflect into the observatory's instruments. The greater the number of mirrors, the higher the resolution.

p One possible approach is using a relatively inexpensive, easily reproducible optic made of single-crystal silicon, a hard, brittle, non-metallic element used to make computer chips. Now being developed by NASA optics expert Will Zhang, the material has proven effective at gathering X-rays, Petre said. Because these mirrors are thin and lightweight, Lynx could carry thousands of individual mirror segments to improve its light-gathering power.

p Although two other competing technologies exist, Zhang is confident Lynx would profit from his work. "The quality of the mirrors we are making today is several times better than a year ago. We are meeting or close to meeting Lynx requirements, but a year or so from now, we definitely will be meeting them."