Τι τηλεσκόπιο θα χρειαστεί για να δούμε τα πρώτα αστέρια στο Σύμπαν; Το Τελικά Μεγάλο Τηλεσκόπιο
Τα παλαιότερα αστέρια στο Σύμπαν είναι ντυμένα στο σκοτάδι. Η μετατόπισή τους στο κόκκινο είναι τόσο υψηλή, που μπορούμε μόνο να αναρωτηθούμε για αυτούς. Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα είναι το πιο αποτελεσματικό τηλεσκόπιό μας για την παρατήρηση του πολύ πρώιμου Σύμπαντος και θα πρέπει να παρατηρεί έως το z = 15. Αλλά ακόμη και αυτό έχει περιορισμούς.
Για να παρατηρήσουμε τα πρώτα αστέρια του Σύμπαντος, χρειαζόμαστε ένα μεγαλύτερο τηλεσκόπιο. Το Τελικά Μεγάλο Τηλεσκόπιο.
Το Ultimately Large Telescope (ULT) είναι απλώς μια ιδέα σε αυτό το σημείο. Χωρίς αμφιβολία το Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα μας δείξει πολλά για το πρώιμο Σύμπαν, αλλά όλοι γνωρίζουμε ότι θα θέλουμε ένα ακόμα πιο ισχυρό τηλεσκόπιο στο μέλλον. Έτσι μεγαλώνουμε τις γνώσεις μας.
Η επιθυμία να φτιάξουμε το ULT καθοδηγείται από την ακόρεστη περιέργειά μας. Θέλουμε να μάθουμε περισσότερα για τις πρώτες μέρες του Σύμπαντος, και τα αστέρια που έζησαν εκεί. Σε ένα έγγραφο, μια ομάδα επιστημόνων περιγράφει τι θα είναι το ULT, γιατί είναι απαραίτητο και πώς θα λειτουργήσει.
Ο τίτλος της νέας εφημερίδας είναι « The Ultimately Large Telescope – τι είδους εγκατάσταση χρειαζόμαστε για να ανιχνεύσουμε αστέρια του πληθυσμού III; Επικεφαλής συγγραφέας είναι η Anna Schauer, Ερευνητική Συνεργάτης στο Τμήμα Αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο του Τέξας, στο Ώστιν. Το χαρτί είναι διαθέσιμο στον ιστότοπο προεκτύπωσης arxiv.org.
Τα αστέρια χωρίζονται σε τρεις πληθυσμούς: πληθυσμό 3, πληθυσμό 2 και πληθυσμό 1. Pop 3 Τα αστέρια είναι τα αρχαιότερα, τα πρώτα αστέρια που σχηματίστηκαν και αποτελούνταν μόνο από στοιχεία από τη Μεγάλη Έκρηξη: υδρογόνο, λίγο ήλιο και μικροσκοπικές ποσότητες λιθίου και βηρυλλίου. Επειδή είναι τα πρώτα αστέρια, έχουν πολύ χαμηλά μεταλλικότητα . (Στην αστροφυσική, οτιδήποτε βαρύτερο από το υδρογόνο και το ήλιο θεωρείται μέταλλο.)
Η εικονογράφηση ενός καλλιτέχνη των πρώτων αστεριών του Σύμπαντος, που ονομάζεται Πληθυσμός 3 αστέρων. Τα αστέρια της Pop 3 θα ήταν πολύ πιο μαζικά από τα περισσότερα αστέρια σήμερα και θα είχαν καεί ζεστά και μπλε. Η διάρκεια ζωής τους θα ήταν πολύ μικρότερη από αστέρια όπως ο Ήλιος μας. Πίστωση εικόνας: Δημόσιος Τομέας, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1582286
Pop 2 αστέρια ήρθε μετά. Καθώς τα αστέρια της Pop 1 ζούσαν και πέθαιναν, συνένωσαν βαρύτερα στοιχεία και τα άπλωσαν στο Σύμπαν. Τα αστέρια Pop 2 σχηματίζονται από μέρος αυτού του υλικού, επομένως έχουν υψηλότερη μεταλλικότητα από τα αστέρια Pop 1.
Pop 1 αστέρια είναι η «τρίτη γενιά» των αστεριών. Ως αστέρια τρίτης γενιάς, έχουν ακόμη υψηλότερη μεταλλικότητα από τα αστέρια Pop 2. Κάθε γενιά αστεριών δημιουργεί περισσότερα μέταλλα που θα προσληφθούν από την επόμενη γενιά.
Ο δικός μας Sun είναι ένα αστέρι Pop 1. Έχει υψηλή περιεκτικότητα σε μέταλλο για ένα αστέρι, περίπου 1,4 τοις εκατό. Έτσι, παρόλο που οι αστρονόμοι μιλούν για υψηλή μεταλλικότητα στα αστέρια, η συντριπτική μάζα ενός άστρου εξακολουθεί να είναι υδρογόνο.
Τα αστέρια της Pop 3 κρατούν πολλά μυστικά για το πρώιμο Σύμπαν και οι αστρονόμοι θέλουν πρόσβαση σε αυτά τα μυστικά.
Τα υπέρυθρα τηλεσκόπια έχουν τη δύναμη να βλέπουν το μακρινό παρελθόν. Ο James Webb παρατηρεί στο εγγύς υπέρυθρο (NIR) για να δει το κόκκινο μετατοπισμένο φως από τους πρώτους γαλαξίες. Αλλά δεν μπορεί να σπάσει το φράγμα για να δει ακόμα πιο πίσω, όταν δεν υπήρχαν γαλαξίες, παρά μόνο αστέρια.
Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μέσα σε μια καθαρή αίθουσα στο Διαστημικό Κέντρο Johnson της NASA στο Χιούστον. Πίστωση: NASA/JSC
Για να το κάνουμε αυτό, χρειαζόμαστε το ULT.
Δεδομένου ότι τα πρώτα αστέρια δεν είχαν σχεδόν καθόλου μέταλλα, σχηματίστηκαν και εξελίχθηκαν διαφορετικά. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι ήταν πιο μαζικοί από μεταγενέστερους πληθυσμούς, εκατοντάδες φορές πιο μαζικοί από τον Ήλιο στην πραγματικότητα. Έκαψαν επίσης τα καύσιμα τους γρήγορα και έζησαν μικρότερη ζωή.
Οι επιστήμονες θεωρούν επίσης ότι τα περισσότερα από αυτά τα αστέρια της Pop 3 εξερράγησαν καθώς σουπερνόβα αστάθειας ζεύγους. Σε αυτήν την ορολογία, το 'ζεύγος' δεν σημαίνει δυαδικό ζεύγος. Περιγράφει την παραγωγή ζευγών ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων στο αστέρι, που οδηγεί στην κατάρρευση του άστρου, και στη συνέχεια στη δραματική θερμοπυρηνική έκρηξη του άστρου όταν γίνεται σουπερνόβα.
Αλλά πολλά από αυτά είναι θεωρία, βασισμένα στις παρατηρήσεις μας και στην κατανόησή μας για τους άλλους πληθυσμούς αστεριών. Κανείς δεν έχει δει ποτέ Pop 3 αστέρων. Ως εκ τούτου, το ULT.
Το ULT πρέπει να είναι αρκετά ισχυρό για να βρει τα «μινιάλω» στα οποία σχηματίστηκαν τα 3 αστέρια της Pop. Η τρέχουσα θεωρία λέει ότι μεγάλοι γαλαξίες σχηματίζονται και υπάρχουν μέσα φωτοστέφανα της σκοτεινής ύλης . Η θεωρία προβλέπει ότι τα αστέρια Pop 3 του Σύμπαντος σχηματίστηκαν επίσης σε φωτοστέφανα, αν και πολύ μικρότερα. Το να βρεις τα πρώτα αστέρια σημαίνει να βρεις τα φωτοστέφανα τους.
Όταν ασχολήθηκαν με τους περιορισμούς του JWST για την εύρεση αυτών των φωτοστέφανων, οι συγγραφείς έγραψαν «Ωστόσο, ακόμη και με αυτή τη νέα εγκατάσταση, τα πρώτα αστέρια θα παραμείνουν απρόσιτα, καθώς γεννιούνται σε μικρά minihalos με φωτεινότητα πολύ αμυδρή για να ανιχνευθούν ακόμη και από μεγαλύτερους χρόνους έκθεσης.'
Αυτό μας φέρνει στο ίδιο το ULT. Το ULT θα έπρεπε να έχει έναν καθρέφτη 100 μέτρων. Αυτό είναι απολύτως τεράστιο, λαμβάνοντας υπόψη ότι το μεγαλύτερο οπτικό τηλεσκόπιο υπό κατασκευή τώρα—το Ευρωπαϊκό εξαιρετικά μεγάλο τηλεσκόπιο (EELT)—θα έχει έναν καθρέφτη 39,3 μέτρων που θα αποτελείται από 798 ξεχωριστά τμήματα. Το EELT ήδη πιέζει τα όρια της μηχανικής μας, επομένως ένας καθρέφτης 100 μέτρων μπορεί να είναι μακριά από τις μηχανολογικές μας τεχνολογίες για λίγο ακόμα. Στην εργασία τους, οι συγγραφείς γράφουν ότι «Ενώ τα 100 μέτρα είναι προφανώς προκλητικά, είναι στη σφαίρα των δυνατοτήτων για την τεχνολογία του μέσου αιώνα».
Αλλά το μέγεθος μπορεί να μην είναι το πιο ενδιαφέρον πράγμα για αυτό το πιθανό τηλεσκόπιο. Σύμφωνα με τους συγγραφείς, αυτό το τέρας θα έπρεπε να χτιστεί στη Σελήνη.
Ένα νέο διαδραστικό μωσαϊκό από το Lunar Reconnaissance Orbiter της NASA καλύπτει τον βόρειο πόλο της σελήνης από 60 έως 90 μοίρες βόρειου γεωγραφικού πλάτους σε ανάλυση 6-1/2 πόδια (2 μέτρα) ανά pixel. Κάντε κλικ για επίσκεψη. Πίστωση εικόνας: NASA/GSFC/Κρατικό Πανεπιστήμιο της Αριζόνα
Η Σελήνη είναι η μόνη πραγματικά εφικτή τοποθεσία για το ULT. Δεν υπάρχει περίπτωση να εκτοξευθεί στο διάστημα και να σταθμεύσει σε τροχιά φωτοστέφανου LaGrangian όπως το JWST. Και δεν μπορεί να κατασκευαστεί στη Γη, όπου η ατμόσφαιρα θα διαταράσσει τις παρατηρήσεις του.
Αναφορά προηγούμενη σκέψη σε ένα Φεγγαρόπιο, οι συγγραφείς λένε ότι το ULT θα ήταν καλύτερα να κατασκευαστεί μέσα σε έναν σεληνιακό κρατήρα, όπου υπάρχει μόνιμη σκιά. Ακόμη και τότε, θα πρέπει να ψύχεται κρυογονικά. Το ULT θα βρισκόταν στον σεληνιακό πόλο, στραμμένο πάντα στο ζενίθ, και δεν θα είχε αρθρωτή βάση. Ενώ προηγουμένως σκεφτόταν ένα Φεγγαρόπιο μίλησε για α υγρό καθρέφτη , η νέα εφημερίδα δεν κάνει καμία αναφορά σε αυτό.
Η περιοχή στόχος του θα περιοριζόταν από τη μετάπτωση της Σελήνης και οι εκθέσεις θα μπορούσαν να διαρκέσουν αρκετές ημέρες. Η προσθήκη κάποιου τύπου εγκατάστασης παρακολούθησης, όπως μια κινούμενη κύρια πλατφόρμα εστίασης, θα μπορούσε να επιμηκύνει αυτόν τον χρόνο έκθεσης.
Η Σελήνη μπορεί να είναι η τέλεια τοποθεσία για ορισμένους τύπους τηλεσκοπίων. Πίστωση εικόνας: NASA Goddard Space Flight Center.
Δεν υπάρχει ακόμη σχέδιο για την κατασκευή αυτού του τηλεσκοπίου, επομένως το χαρτί δεν περιλαμβάνει μεγάλες τεχνικές λεπτομέρειες. Στην πραγματικότητα, η ίδια η εφημερίδα ασχολείται περισσότερο με το τι θα το χρησιμοποιήσουν οι αστρονόμοι και με μοντέλα για το πώς να το χρησιμοποιήσουν.
Αλλά αν ποτέ κατασκευαστεί -και στοιχηματίζουμε ότι θα γίνει, κάποια στιγμή- πιθανότατα δεν θα είναι μόνος του στη Σελήνη. Στην πραγματικότητα, η Σελήνη μοιάζει με ιδανική τοποθεσία για ορισμένους τύπους τηλεσκοπίων, ειδικά ραδιοτηλεσκοπίων.
Η NASA ανακοίνωσε πρόσφατα τη χρηματοδότηση μιας μελέτης σε ένα ραδιοτηλεσκόπιο στην μακρινή πλευρά της Σελήνης. Ονομάζεται δοκιμαστικά το Ραδιοτηλεσκόπιο σεληνιακού κρατήρα (LCRT.) Όπως λέει και το όνομά του, θα χτιζόταν μέσα στο φυσικά κοίλο σχήμα ενός κατάλληλου κρατήρα.
Μια απεικόνιση του εννοιολογικού ραδιοτηλεσκοπίου σεληνιακού κρατήρα. Πίστωση εικόνας: Saptarshi Bandyopadhyay
Η ιδέα των σεληνιακών τηλεσκοπίων πηγαίνει πίσω στην εποχή του Απόλλωνα. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου, ένας επιστήμονας του έργου Apollo ονόματι Richard Vondrak φαντάστηκε να κατασκευάζει ραδιοτηλεσκόπια μέσα σε σεληνιακούς κρατήρες.
Μια απεικόνιση τριών ραδιοτηλεσκοπίων μέσα σε σεληνιακούς κρατήρες. Πίστωση εικόνας: NASA
Μία από τις αποστολές Apollo όντως τοποθέτησε ένα τηλεσκόπιο στη Σελήνη. Όταν το Apollo 16 προσγειώθηκε στη Σελήνη στις 21 Απριλίου 1972, μετέφερε ένα υπεριώδες τηλεσκόπιο που τράβηξε 178 εικόνες του Σύμπαντος.
Ο αστροναύτης του Apollo 16 John Young πηδά στον «αέρα» και χαιρετίζει. Η Far UV Κάμερα/Φασματογράφος βρίσκεται πίσω του, στη σκιά του προσεδάφισης. Πίστωση εικόνας: Από τη NASA Charles M. Duke Jr. – Υπέροχες εικόνες στη NASA Περιγραφή, Δημόσιος Τομέας, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6449804
Η Κίνα έχει επίσης φέρει τηλεσκόπια στη Σελήνη πιο πρόσφατα. Το σκάφος προσεδάφισης Chang'e-3 μετέφερε ένα τηλεσκόπιο με τηλεχειρισμό στη Σελήνη το 2013 και το 2019, το προσεδάφισμά τους Chang'e-4 μετέφερε ένα μικρό ραδιοτηλεσκόπιο στη Σελήνη.
Όμως, ενώ αυτά τα μικρά τηλεσκόπια είναι ενδιαφέροντα, και το τηλεσκόπιο Apollo 16 είναι μέρος της διαστημικής ιστορίας, μετά βίας ανήκουν στην ίδια συζήτηση με το ULT.
Αν ποτέ κατασκευαστεί το ULT και αν έχει έναν πρωτεύοντα καθρέφτη 100 μέτρων, θα μπορούσε κάλλιστα να είναι ένα από τα υπέρτατα επιτεύγματα μηχανικής της ανθρωπότητας. Και καθιστώντας δυνατές τις παρατηρήσεις των πρώτων αστεριών του Σύμπαντος, θα μπορούσε τελικά να απαντήσει σε μερικές από τις ερωτήσεις που εμποδίζουν την κατανόησή μας για το Σύμπαν.
Περισσότερο:
- Ερευνητική εργασία: The Ultimately Large Telescope – τι είδους εγκατάσταση χρειαζόμαστε για να ανιχνεύσουμε αστέρια του πληθυσμού III;
- Ινστιτούτο ΚΑΥΛΗ Σωματιδιακής Φυσικής και Κοσμολογίας: Population III αστέρια: Οι απόλυτοι απομονωμένοι ποπ σταρ του Universe
- Σύμπαν σήμερα: Το Hubble φαινόταν όσο πιο πίσω στο χρόνο θα μπορούσε, και ακόμα δεν μπορούσε να δει την πρώτη γενιά αστεριών στο σύμπαν