Para astronom mengatakan teleskop baru harus memanfaatkan ‘model pesawat ruang angkasa’ – Ars Technica

Ada konsensus di antara para astronom terkemuka Amerika bahwa gelombang observatorium besar NASA berikutnya harus memanfaatkan kemampuan pengangkatan yang disediakan oleh roket raksasa baru seperti Starship SpaceX.

Peluncuran lanjutan Teleskop Luar Angkasa James Webb (JWST) pada pesawat ruang angkasa, misalnya, dapat membebaskan misi dari kendala rumit terkait massa dan ukuran, yang biasanya menyebabkan peningkatan kompleksitas dan biaya, kata panel yang terdiri dari tiga astronom. Dia baru-baru ini menyatakan hal ini kepada Komite Akademi Nasional untuk Astronomi dan Astrofisika.

“Memiliki kemampuan massa dan volume yang lebih besar, dengan biaya lebih rendah, memperluas ruang desain,” kata Charles Lawrence, kepala ilmuwan astronomi dan fisika di Jet Propulsion Laboratory NASA. “Kami ingin mengambil keuntungan dari hal itu.”

Presentasi Lawrence membahas dampak kendaraan peluncur baru yang besar terhadap misi astronomi masa depan. Presentasi tersebut dilakukan minggu lalu bersama Martin Elvis, astronom di Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian, dan Sarah Seager, ahli astrofisika dan ilmuwan planet di Institut Teknologi Massachusetts. Lawrence, Elvis dan Seeger menggubah A makalah awal tahun ini di jurnal Physics Today Diskusikan topik ini.

Diakui secara luas bahwa kemampuan pesawat luar angkasa untuk mengangkat lebih dari 100 metrik ton ke luar angkasa, dengan biaya yang lebih murah per kilogram roket yang ada, akan mengubah cara industri luar angkasa beroperasi. Pesawat luar angkasa ini berdiameter 9 meter (diameter 8 meter dapat digunakan untuk muatan) yang hampir dua kali lipat lebar volume muatan pada roket yang ada.

Namun para astronom semakin serius merencanakan roket seperti Starship, atau New Glenn dari Blue Origin dengan muatan 7 meter yang sedikit lebih kecil, agar tersedia untuk mengangkat teleskop luar angkasa besar generasi berikutnya.

Teleskop besar pada peluncur besar

Pada tahun 2021, Akademi Nasional Terbitkan tinjauan setiap sepuluh tahun sekali Astronomi dan astrofisika adalah prioritas utama komunitas sains Amerika. Dalam survei ini, yang dikenal sebagai Astro2020, panel ilmuwan terkemuka menyusun peta jalan bagi NASA untuk menghabiskan sebagian besar tahun 2020-an dalam mengembangkan teknologi dan desain untuk rangkaian “observatorium hebat” berikutnya yang akan mengikuti jejak Hubble dan Chandra. Teleskop Luar Angkasa James Webb dan Rumania dijadwalkan diluncurkan pada tahun 2027.

Kebijakan NASA adalah mengikuti rekomendasi komunitas ilmiah sedapat mungkin. Dipercaya bahwa pada akhir dekade ini, NASA akan siap untuk secara resmi memulai pengembangan teleskop baru ini. Yang pertama adalah teleskop besar yang disebut Habitable Worlds Observatory, yang ukurannya sebanding dengan teleskop Webb dengan cermin utama selebar sekitar 6 meter (20 kaki) dan coronagraph atau bayangan bintang untuk menghalangi cahaya bintang, memungkinkan pengamatan langsung terhadap planet-planet di sekitar planet lain. planet. Bintang, atau planet ekstrasurya. Ini adalah kemampuan yang tidak tersedia di Webb.

Observatorium Dunia yang Dapat Dihuni, yang memiliki kepekaan terhadap cahaya dalam panjang gelombang inframerah, cahaya tampak, dan ultraviolet, akan ditugaskan untuk memantau planet ekstrasurya mirip Bumi untuk mencari dunia dengan susunan yang mendukung kehidupan. Nantinya, NASA harus meluncurkan teleskop inframerah jauh dan sinar-X yang ambisius untuk mempelajari pembentukan bintang, lubang hitam, dan galaksi, yang telah direkomendasikan para ilmuwan pada tahun 2021.

Misi besar bernilai miliaran dolar ini baru akan diluncurkan pada tahun 2040an. Ini adalah “garis waktu pemblokiran,” tulis Elvis dan rekan-rekannya dalam makalah mereka yang diterbitkan awal tahun ini. “Ph.D. yang baru lahir saat ini tinggal satu dekade lagi untuk pensiun pada saat observatorium pertama diluncurkan.”

NASA tidak memiliki anggaran untuk meluncurkannya dalam waktu dekat, dan teleskop baru memerlukan inovasi dalam bidang optik, detektor, dan material agar dapat dilaksanakan.

Para ilmuwan mengatakan kedatangan roket-roket besar baru dapat mengurangi beberapa hambatan teknologi ini. Pada akhirnya, hal ini dapat menghasilkan desain yang disederhanakan, biaya yang lebih rendah, dan mungkin mempersingkat waktu yang diperlukan untuk mengembangkan dan membangun observatorium besar berikutnya. Mungkin mereka tidak perlu menunggu hingga tahun 2040-an untuk meluncurkannya. Ini adalah faktor penting ketika perkiraan awal dari Akademi Nasional menunjukkan bahwa Observatorium Dunia yang Dapat Dihuni akan menelan biaya sekitar $11 miliar.

“Desain sangat dibatasi oleh peluncur, ukuran dan massa yang tersedia untuk orbit yang Anda inginkan, dan hal ini pasti meningkatkan kompleksitas dan biaya,” kata Ilves.

Dalam beberapa tahun ke depan, para insinyur yang mengerjakan desain awal teleskop baru ini harus mengevaluasi kembali asumsi mereka tentang jenis roket yang akan tersedia untuk meluncurkan misi ke luar angkasa, kata Elvis.

“Kami mengusulkan untuk melakukan studi pada ketiga kapal induk Astro2020, muatan dan pesawat ruang angkasanya, dalam model Starship baru, atau model peluncuran besar lainnya, untuk memanfaatkan ruang desain terbuka,” kata Elvis pekan lalu.

“Pertanyaan besarnya adalah: Apakah penghematan biaya signifikan yang kami identifikasi benar-benar masuk akal dan, sebagai hasilnya, dapatkah Astro2020 dipercepat?” dia menambahkan.

Tirani rudal

Untuk mengilustrasikan keterbatasan yang disebabkan oleh kemampuan roket, mari kita kembali ke Teleskop Luar Angkasa James Webb. Webb harus masuk ke dalam fairing muatan roket Ariane 5 yang berdiameter hampir 5 meter, yang memiliki selubung muatan terbesar dari semua kendaraan peluncuran yang tersedia ketika para insinyur pertama kali merancang Webb. Ini berarti bahwa 18 segmen cermin utama teleskop harus dilipat, dan para perancang menciptakan kerai lima lapis seukuran lapangan tenis yang terbuat dari insulasi tipis namun efektif untuk menghalangi panas dan cahaya matahari dari teleskop. Semuanya harus bersatu agar Webb dapat berada dalam jangkauan roketnya ketika diluncurkan pada tahun 2021.

Dengan roket yang lebih besar seperti Starship atau New Glenn, teleskop masa depan dapat menggunakan cermin homogen, sehingga menghilangkan kebutuhan akan cermin tersegmentasi. Ada argumen ilmiah yang menunjukkan bahwa cermin tersegmentasi mungkin lebih baik untuk beberapa aplikasi, namun juri masih belum yakin. Selain itu, alih-alih membutuhkan pelindung matahari yang rumit dan mudah rusak, para insinyur dapat memasang kanopi yang lebih besar dan kaku yang membungkus seluruh teleskop.

Para ilmuwan mengatakan jika diluncurkan dengan roket besar seperti Starship, cermin teleskop bisa menjadi lebih tebal dan berat, yang berarti cermin tersebut akan lebih mudah dibuat dan dipoles. Roket yang lebih berat memungkinkan perancang pesawat ruang angkasa menambahkan panel surya yang lebih besar untuk menambah daya. Tenaga ekstra tersebut memungkinkan pesawat luar angkasa menggunakan perangkat elektronik yang lebih murah dengan redundansi yang lebih banyak, kata Elvis.

“Salah satu pembelajaran terbesar dari Teleskop Luar Angkasa James Webb adalah pentingnya memahami roket secara awal dan mendetail,” kata Lee Feinberg, direktur optik di Webb dan salah satu pemimpin Kelompok Evaluasi Teknis yang mempelajari Observatorium Dunia yang Dapat Dihuni. Poin penting di sini adalah kami menginginkan fleksibilitas. “Misi kita tinggal 20 tahun lagi.”

Siapa yang tahu rudal apa yang akan terbang pada tahun 2040an? Untuk Teleskop Luar Angkasa Romawi, yang dijadwalkan diluncurkan beberapa tahun dari sekarang, para pejabat NASA mengira mereka akan memiliki pilihan di antara beberapa roket. Ternyata roket-roket baru, seperti Vulcan milik United Launch Alliance dan New Glenn milik Blue Origin, belum siap ketika NASA perlu memilih kontraktor peluncuran. Secara hipotetis, kontrak diberikan kepada SpaceX untuk diluncurkan dengan roket Falcon Heavy.

“Ini benar-benar menyoroti pentingnya fleksibilitas dalam roket,” kata Feinberg, seorang insinyur di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA. Dia baru-baru ini bertemu dengan SpaceX dan Blue Origin. “Pandangan kami saat ini adalah New Glenn dan Starship terlihat menjanjikan,” katanya.

Ada rudal baru lainnya. Sistem Peluncuran Luar Angkasa NASA terlalu mahal untuk dipertimbangkan. “Vulcan baru ULA tidak memiliki fairing yang lebih besar, jadi kami bahkan tidak memikirkan hal itu,” kata Elvis.

Apakah pesawat luar angkasa adalah solusinya?

Penelitian telah menunjukkan bahwa pesawat ruang angkasa, dengan diameternya yang lebih lebar, dapat mengakomodasi berbagai desain teleskop, seperti yang sedang dipertimbangkan untuk Habitable Worlds Observatory. Pesawat ruang angkasa dapat meluncurkan observatorium, dengan cermin utama berukuran sekitar 6 meter, dilipat atau dibuka, miring, atau mengarah ke atas.

“Apa yang kami temukan adalah bahwa dengan Starship, Anda benar-benar memiliki banyak fleksibilitas,” kata Feinberg pada pertemuan komite Akademi Nasional pekan lalu.

Tentu saja, pesawat luar angkasa Starship dan New Glenn belum mencapai orbit, dan mereka masih memiliki beberapa penerbangan lagi agar memenuhi syarat untuk meluncurkan misi utama NASA. Namun SpaceX dan Blue Origin memiliki waktu dua dekade untuk membuktikan keandalan roket baru mereka sebelum NASA menyiapkan salah satu observatorium baru yang mewah untuk diluncurkan.

“Pada saat observatorium besar pertama kami diluncurkan, pesawat ruang angkasa tersebut telah diluncurkan beberapa kali dan memiliki rekor yang dapat Anda nilai,” kata Seager.

Juga tidak jelas berapa biaya peluncuran Starship atau New Glenn pada tahun 2030-an atau 2040-an, tetapi kemungkinan besar itu hanya sebagian kecil dari total biaya pembangunan observatorium yang bernilai miliaran dolar.

Untuk mengirim salah satu teleskop ini ke luar angkasa menuju titik L2 Lagrange, di mana mereka dapat mengamati alam semesta jauh dari gangguan Bumi, pesawat ruang angkasa perlu mengisi bahan bakar di orbit. Pakar optik NASA memiliki pertanyaan apakah proses pengisian bahan bakar dapat mencemari cermin sensitif teleskop, kata Feinberg. Teleskop yang berada di orbit rendah Bumi menunggu pesawat ruang angkasanya mengisi bahan bakar juga dapat terkena fluktuasi suhu ekstrem, sehingga berisiko mengalami kerusakan.

“Ini semua adalah pertimbangan yang harus kita pahami dalam beberapa tahun ke depan,” kata Feinberg. “Ketika kami menanyakan detailnya kepada (SpaceX), kami merasa mereka akan memberi tahu kami ketika mereka mengetahui hal ini, tetapi mereka tidak dapat memberi tahu kami hal-hal ini sekarang. Di sisi New Glenn, itu berbeda, di mana mereka berada?” berencana untuk meluncurkannya (pada penerbangan pertama mereka) berpotensi membawa Anda ke L2, Jadi jaraknya sangat dekat.”

Pada akhirnya, jika NASA ingin menjadi lebih besar dengan teleskop luar angkasa generasi berikutnya, Starship dapat menampung cermin lipat dengan lebar hingga 10 hingga 12 meter, menurut Feinberg. Untuk New Glen, batas atasnya kemungkinan sekitar 8 meter. Cermin yang lebih besar meningkatkan area pengumpulan teleskop, sehingga meningkatkan resolusi untuk melihat objek yang lebih kecil dan redup.

“Saya pikir kita berada dalam situasi baru. Peluncur ini mengubah apa yang bisa kita lakukan di luar angkasa dan berapa biayanya. Cara Anda merancang misi telah berubah total.”