Telescopio espacial
Organización | Goddard ( NASA ) |
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Constructor | Ball Aerospace , Harris |
Programa | ExEP |
Campo | Energía oscura , exoplanetas |
Estado | En desarrollo |
Otros nombres | PRIMERO |
Lanzamiento | Hacia 2025 |
Lanzacohetes | Falcon Heavy / New Glenn o equivalente |
Duración | 5 años (misión principal) |
Sitio | [1] |
Misa en el lanzamiento | Aproximadamente 5 toneladas |
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Control de actitud | 3 ejes estabilizados |
Fuente de energía | Paneles solares |
Orbita | Órbita cuasi halo |
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Periapsis | 188.400 kilometros |
Apoapsis | 807.000 kilometros |
Localización | Punto de Lagrange L2 del sistema Tierra-Sol |
Período | 6 meses |
Tipo | Sistema anastigmático de tres espejos |
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Diámetro | 2,36 metros |
Focal | 8,90 metros |
Longitud de onda | Infrarrojo cercano y visible (0,48-2 micrones) |
WFI | Espectroscopio de imágenes |
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CGI | Coronógrafo |
El telescopio espacial Nancy Grace-Roman (en inglés Nancy Grace Roman Space Telescope ) o el telescopio espacial más corto Roman ( Roman Space Telescope ), anteriormente llamado Wide Field Infrared Survey Telescope ( WFIRST ) es un telescopio espacial infrarrojo desarrollado por la ' agencia espacial de EE . UU. , la NASA .
El desarrollo de WFIRST por parte de la agencia espacial se originó en el informe decenal de 2020 del Consejo Nacional de Investigaciones de los Estados Unidos que otorga la máxima prioridad a la realización de un observatorio espacial para estudiar la energía oscura . Esta forma de energía, cuya existencia se descubrió indirectamente en 1998, es un componente importante del Universo, pero su naturaleza es una cuestión de especulación. WFIRST también tiene como objetivo realizar un censo estadístico (masa y distancia de su estrella) de exoplanetas ubicados en el bulbo galáctico mediante la observación de microlentes gravitacionales e identificar y caracterizar aquellos ubicados cerca del sistema solar con la ayuda de un coronógrafo . El tercer objetivo es mapear todo el cielo en infrarrojos . El telescopio espacial WFIRST tiene un espejo primario de 2,4 metros donado por la NRO y está equipado con dos instrumentos: un generador de imágenes / espectrógrafo y un coronógrafo . Las observaciones se realizan en luz visible y en el infrarrojo cercano (0,48 a 2 micrones ). Para cumplir sus objetivos, el telescopio espacial tiene una distancia focal corta con un amplio campo de visión. Sus instrumentos le permiten producir imágenes con calidad de telescopio Hubble que cubren aproximadamente 100 veces el área (0,281 grados cuadrados). El coronógrafo experimental combina varias técnicas que le permiten enmascarar una estrella que es 100 millones de veces más brillante que los planetas que giran a su alrededor.
WFIRST, cuyo costo está limitado a US $ 3.2 mil millones, entró en una fase de desarrollo activo en febrero de 2016 y el proyecto continúa a pesar de dos intentos de cancelar al presidente Donald Trump en 2018 y 2019 con el pretexto de sobrecostos. campo de la astronomía. El telescopio espacial se lanzará alrededor de 2025 y se colocará en órbita alrededor del punto Lagrange L2 del sistema Tierra-Sol. Su misión principal tiene una duración de 5 años y lleva consumibles ( propulsores ) que garantizan su funcionamiento durante 10 años.
WFIRST es el resultado de la convergencia de varios proyectos de observatorios espaciales cuyos objetivos eran el estudio de la energía oscura , la detección de exoplanetas mediante la observación de microlentes gravitacionales y el mapeo del cielo en el infrarrojo . En 2000, el proyecto del telescopio espacial GEST ( Galactic Exoplanet Survey Telescope ), cuyo objetivo es tanto el uso de microlentes gravitacionales como el estudio de la energía oscura, fue propuesto a la NASA pero no fue retenido. Este proyecto se modifica durante la siguiente década y pasa a ser MPF ( Microlensing Planet Finder ) que se propone en el momento de la elaboración del informe decenal 2010 estableciendo las prioridades en el campo de la astronomía y la astrofísica para la próxima década.
Poco después de descubrir la energía oscura en 1998 , Saul Perlmutter ( Premio Nobel 2011 por este logro), propuso con Michael Levi el desarrollo del observatorio espacial SNAP ( Supernova Acceleration Probe ). El estudio de esta misión se lleva a cabo dentro del Departamento de Energía . Su fusión con un estudio similar llevado a cabo dentro de la NASA conduce al proyecto JDEM ( Joint Dark Energy Mission ) que está dirigido por Neil Gehrels del Goddard Space Flight Center . El descubrimiento de la energía oscura da lugar a múltiples propuestas de observatorios espaciales dentro de los centros de investigación estadounidenses: ADEPT ( Telescopio avanzado de física de energía oscura ) es propuesto por un equipo de la Universidad Johns-Hopkins . Investigadores del Observatorio Nacional de Astronomía Óptica proponen Destiny ( Telescopio Espacial de Energía Oscura ). JEDI ( Investigación conjunta eficiente de energía oscura ) es propuesta por un investigador de la Universidad de Oklahoma . La NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) están considerando brevemente fusionar sus proyectos JDEM y Euclid (para la ESA) en IDECS ( International Dark Energy Cosmology Surveyor ). Esta fusión no tuvo éxito, pero las dos agencias decidieron cooperar en sus respectivos proyectos. El mapeo del cielo infrarrojo , el tercer objetivo de WFIRST, es el tema del proyecto NIRSS ( Near Infrared Sky Surveyor ), propuesto por Daniel Stern del Jet Propulsion Laboratory .
Las prioridades en el campo de la astronomía y la astrofísica se establecen cada diez años en un informe publicado por el Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos y escrito por la comunidad científica. El informe publicado en 2010 y llamado New Worlds, New Horizons establece las prioridades para la década 2015-2025. Recomienda fusionar los objetivos de los proyectos NIRSS, MPF y JDEM dentro del proyecto WFIRST ( Wide Field Infrared Survey Telescope ), que tiene la máxima prioridad. WFIRST estudiará la naturaleza de la energía oscura utilizando tres técnicas en paralelo: midiendo las oscilaciones acústicas de los bariones , midiendo las distancias de las supernovas y estudiando las lentes gravitacionales débiles . El objetivo es determinar el impacto de la energía oscura en la evolución del Universo. Otro objetivo de WFIRST es el estudio de exoplanetas en el bulbo central de nuestra galaxia mediante la observación de lentes gravitacionales. Para cumplir estos objetivos, el telescopio previsto contará con un espejo primario de 1,5 metros de diámetro con un campo de visión ampliado. Puede observar infrarrojo cercano y tiene capacidad de espectroscopia con baja resolución. El costo del proyecto se estima en 1.600 millones de dólares estadounidenses y la fecha de lanzamiento proyectada es 2020. Una fase de estudio dirigida por seis personas comienza dentro de la NASA. El proyecto es parte del programa Exoplanet Exploration (ExEP) que también incluye el telescopio espacial Kepler y el interferómetro LBTI del Large Binocular Telescope .
El diseño inicial de WFIRST se basa en el uso de ópticas con un espejo primario de 1,1 a 1,5 metros de diámetro. Pero en junio de 2012 la Oficina Nacional de Reconocimiento de Estados Unidos (NRO) vendió a la NASA, sin compensación económica, dos telescopios ópticos con un valor unitario de 250 millones de dólares. Estos fueron fabricados por ITT / Exelis para el proyecto de satélite de reconocimiento óptico FIA que se detuvo en desarrollo. La óptica, del satélite FIA-Optical, que incluye un espejo primario de 2,4 metros de diámetro, está diseñada para proporcionar imágenes que abarcan grandes áreas con el fin de complementar las imágenes mucho más detalladas producidas por la familia de satélites de reconocimiento del NRO KH- 11 Kennen y Crystal que han estado en funcionamiento desde 1976. La NRO solo vende la parte óptica. La instrumentación científica, así como el bus (módulo de servicio), deben ser diseñados y fabricados por la NASA.
La NASA decide adaptar su proyecto WFIRST, que pasa a denominarse temporalmente WFIRST-AFTA ( Astrophysics Focused Telescope Assets ), para utilizar uno de los dos conjuntos ópticos (el segundo sistema óptico por falta de medios económicos no será utilizado por el espacio agencia). Esta nueva configuración debería permitir reducir el costo estimado en ese momento a $ 1.7 mil millones al tiempo que mejora el rendimiento de un telescopio espacial. En mayo de 2013 se publicó un detallado estudio arquitectónico que incorpora este nuevo elemento. Se confirma el interés de estas modificaciones y la agencia espacial estadounidense decide adoptar la lente cedida por la NRO. Pero el uso del nuevo espejo aumenta considerablemente el costo del proyecto. Además, las ópticas abandonadas no están optimizadas para la observación infrarroja, mientras que esta radiación es esencial para el estudio de galaxias distantes y, por tanto, de energía oscura. El telescopio espacial debía tener solo una cámara equipada para espectroscopía. Para compensar la reducción del rendimiento en el infrarrojo, la NASA decide agregar una coronógrafo que debería permitir el estudio de exoplanetas. Inicialmente, el telescopio espacial está diseñado para colocarse en una órbita geosincrónica con una inclinación orbital de 28,5 °. En comparación con una órbita alrededor del punto L2 de Lagrange , la órbita geosincrónica tiene varias ventajas. El principal se refiere al volumen de datos transferidos, un factor muy importante para WFIRST: en una órbita geosincrónica, el telescopio espacial siempre vuela sobre la misma región de la Tierra, lo que permite que los datos se transfieran de forma continua. Alrededor del punto de Lagrange L2, la transferencia debe realizarse durante turnos limitando el volumen y requiriendo el transporte de una memoria masiva de muy gran capacidad. La principal ventaja de la órbita alrededor del punto L2 de Lagrange es la eliminación de las limitaciones de observación vinculadas a la proximidad de la Tierra y la Luna. El estudio de 2015 no presenta ninguna recomendación pero, posteriormente, se abandona la órbita geosincrónica.
Característica | IDRM | AFTA |
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Óptico | Espejo ∅ 1,3 m fuera del eje | Espejo ∅ 2,4 m en eje |
Instrumentos | Generador de imágenes WFI con espectrógrafos de prisma 2 |
WFI con grism Espectrógrafo de campo completo Coronógrafo |
Espectro observado | 0,6-2,0 micrones | |
Campo de visión | 0,291 grados² | 0,281 grados² |
Resolucion espacial | 0,18 segundos de arco | 0,11 segundo de arco |
Píxeles de imagen | 120 millones | 300 millones |
Orbita | Punto de Lagrange L2 | Órbita geoestacionaria |
La NASA continúa la fase de estudio en 2014. En el presupuesto propuesto para 2015, cuenta con los fondos necesarios para continuar con el diseño de la coronógrafo y los detectores de los instrumentos, pero que sin embargo no le permite lanzar la construcción del telescopio espacial. Dada la duración de la fase de diseño y fabricación, no se espera que el telescopio entre en órbita antes de mediados de la década de 2020 (evaluación de 2014). El proyecto entra oficialmente en una fase de desarrollo el 18 de febrero de 2016.
El desarrollo del coronógrafo muy sofisticado, que requiere una fase de desarrollo compleja, las adaptaciones necesarias de la óptica y ciertas opciones retenidas por el equipo de la NASA durante el estudio - telescopio diseñado para una vida de mantenimiento continua, posibilidad de asociar un coronógrafo externo ( starshade ), elección híbrida (interna / externa) de proveedores, selección de dos centros para el procesamiento de datos, etc. - el riesgo de deslizamiento ha aumentado considerablemente. Según un informe de evaluación externa realizado en octubre de 2017, que destaca estas desviaciones del proyecto, el costo del proyecto ahora es de US $ 3.9 mil millones, es decir, casi el doble de la dotación de US $ 1.6 mil millones definida en 2010. Además, este El costo no incluye el margen de riesgo de US $ 300 millones que debe incorporar un proyecto de este tamaño. Sin embargo, este costo adicional se atribuye a la suma de US $ 1,1 mil millones a causas normales (incluidos US $ 0,7 mil millones por inflación, US $ 0,3 mil millones por la adaptación del proyecto al espejo de 2,4 m). Y US $ 100 millones ). Los funcionarios de la NASA están decidiendo varias medidas para reducir tanto los costos como los riesgos. El principal es hacer del coronógrafo un simple demostrador tecnológico, el CDTI ( Coronograph Technology Demonstration Instrument ). Se establece un límite máximo de US $ 3.200 millones al costo total del proyecto. Con base en las decisiones tomadas, los funcionarios de la NASA decidieron en abril de 2018 que el proyecto puede entrar en la fase B (Diseño preliminar).
Los sobrecostos recurrentes del presupuesto del observatorio espacial infrarrojo JWST , en desarrollo, han reducido drásticamente los recursos financieros de la división de astrofísica de la NASA. Basándose en este contexto, en el deslizamiento presupuestario de WFIRST y argumentando que hay prioridades más altas para la agencia espacial, el presidente Donald Trump intenta detener el proyecto dos veces. Un primer intento tiene lugar en el marco del establecimiento del presupuesto de 2019 de la agencia espacial (votado en marzo de 2018) y un segundo durante la definición del presupuesto de 2020 (votado en marzo de 2019). La propuesta de cancelación suscita una vigorosa reacción de la comunidad científica que nos recuerda que el proyecto se ha definido como una prioridad para la próxima década. En ambos casos, el Congreso Americano vota los fondos que permiten la continuación del proyecto.
El proyecto está gestionado por el Goddard Space Flight Center , un observatorio espacial de la NASA. Cuenta con la asistencia del Laboratorio de Propulsión a Chorro . En enero de 2018, la NASA firmó un contrato de US $ 23 millones con la empresa Teledyne para el suministro de 72 detectores infrarrojos que analizarán la luz captada por el instrumento WFI. En mayo de 2018, la NASA confió a Ball Aerospace el desarrollo, las pruebas y el soporte operativo de la parte opto-mecánica del instrumento WFI por un monto de 113,2 millones de dólares. Début 2019, le projet dispose d'une marge de 9 mois par rapport à son objectif de lancement de 2025. Le 28 aout 2019, le projet passe avec succès l'étape de la revue préliminaire de conception malgré les deux tentatives d'annulation de la presidencia.
En 2020, el telescopio espacial toma el nombre de la astrofísica estadounidense Nancy Grace Roman , responsable del desarrollo de los primeros telescopios espaciales de la NASA y quien jugó un papel impulsor en el lanzamiento del proyecto del Telescopio Espacial Hubble al movilizar a la comunidad astronómica.
Los objetivos de la misión WFIRST son los siguientes:
El tamaño del universo se está expandiendo pero debido a las fuerzas de la gravedad, la velocidad de su expansión debería disminuir, pero esto no es lo que se observa. Este fenómeno descubierto a principios de la década de 1990 y que aparentemente se opone a la desaceleración, ha sido denominado energía oscura . La energía oscura constituye las tres cuartas partes de la masa / energía del universo. Cuando se lanzó el proyecto en 2014, como en 2019, su naturaleza seguía siendo uno de los principales enigmas en el campo de la cosmología. El principal objetivo de WFIRST es intentar dar respuesta a las principales preguntas que plantea la energía oscura: ¿varía con el tiempo? ¿Requiere una modificación de la teoría de la relatividad general de Einstein o es de hecho un nuevo tipo de energía? Para responder a esto, el telescopio espacial utilizará tres técnicas para determinar la tasa de expansión del universo a través de las edades y la tasa de aumento de grandes estructuras (galaxias, grupos de galaxias). Estos métodos son:
Se utilizan dos métodos diferentes para detectar y caracterizar exoplanetas ubicados en las proximidades del sistema solar:
Diagrama 2 : Planetas detectables mediante el método de microlentes gravitacionales según su distancia media a la estrella madre (1 unidad astronómica = distancia Tierra-Sol) y su masa (en múltiplos de la Tierra) El dominio observable por WFIRST (en azul) completa el observable por Kepler (en rojo). El número y la distribución de los planetas observables que se muestran en el diagrama se determinaron mediante las observaciones de Kepler y los resultados del modelado.
Figura 3 : Planetas detectables por el coronógrafo WFIRST dentro de un radio de 30 parsecs . En el eje x, la distancia aparente entre el planeta y su estrella en segundos de arco , en el eje y, la relación de luminosidad entre el planeta y su estrella. Los planetas representados en el diagrama (tamaño, luminosidad // relación estelar, distancia // estrella) son el resultado de una simulación realizada en una esfera de 30 parsecs alrededor del sistema solar. Las líneas continuas en la parte superior derecha delimitan los planetas observables teniendo en cuenta los rendimientos para los que se ha validado el coronógrafo, las líneas punteadas delimitan los planetas detectables si el coronógrafo logra los rendimientos esperados.
WFIRST debería permitir llevar a cabo un estudio sistemático y detallado (imágenes y espectro electromagnético) de las fuentes del infrarrojo cercano ubicadas en la Vía Láctea, así como de los objetos celestes presentes en los inicios del universo. Este objetivo debe cumplirse aprovechando las observaciones realizadas para cumplir los dos primeros objetivos complementados con programas de estudio dedicados a esta materia.
La observación de fuentes de luz de baja intensidad (especialmente el espacio profundo ) requiere tomar fotografías con exposiciones muy largas que requieren monopolizar el uso de un telescopio durante largos períodos. El rendimiento de WFIRST es mucho mejor que el del Hubble, que sin embargo se ha distinguido con los mejores resultados producidos en este campo. La duración de las campañas de observación realizadas por Hubble, como COSMOS (2007), CANDELS-Wide (2011), 3-D HST (2016), FIGS (2017) y PHAT (2012), se habría dividido por un factor entre 125 y 1475 si se hubieran realizado con WFIRST dando los mismos objetivos de sensibilidad. Por lo tanto, las campañas de observación de WFIRST deberían proporcionar de 100 a 1000 veces más información que las del Hubble.
Las características del proyecto evolucionaron considerablemente durante la fase de estudio. Las características aquí proporcionadas corresponden en algunos casos a la versión AFTA que incorpora el espejo de 2,4 metros de diámetro descrito en el informe publicado en marzo de 2015. WFIRST tiene una masa estimada de 5,1 toneladas, incluidas 1,8 toneladas para el telescopio y 800 kg de instrumentación. La propulsión es proporcionada por 8 motores cohete con propulsores líquidos de 22 newtons de empuje alimentados con hidracina por simple relajación. WFIRST lleva un poco más de 100 kg de propulsores . Está estabilizado en 3 ejes y utiliza ruedas de reacción para controlar su orientación lo que debe permitir una precisión de apuntado de 3 segundos de arco . Una de las principales características del telescopio espacial es el volumen de datos que generan las observaciones: los instrumentos generan diariamente 11 terabits de datos. Se transmiten a las estaciones terrestres de banda Ka a través de una antena parabólica con una velocidad de 290 megabits / segundo.
Las ópticas de WFIRST son de tipo anastigmático con tres espejos . Utiliza un espejo primario de 2,36 m de diámetro cuya fabricación se completó en 2014. De tamaño similar al del telescopio espacial Hubble, pesa solo una quinta parte de su peso porque la tecnología ha avanzado mucho en este campo. Su sensibilidad y resolución espacial son similares a las del Hubble, pero su campo de visión es 100 veces mayor. El campo de visión efectivo es de 0,281 grados² (con un espacio central de 0,32 grados²). La distancia focal de toda la óptica es 7,9. La radiación observada incluye luz visible e infrarrojo cercano (0,45 a 2 micrones). Un mecanismo permite modificar la posición del espejo secundario con 6 grados de libertad para ajustar su alineación en órbita y lograr un enfoque fino.
La radiación de luz recogida por el telescopio es analizada por un generador de imágenes / espectroscopio de campo amplio WFI ( Wide Field Instrument ) y un coronógrafo CGI ( Coronagraph Instrument ).
El WFI ( Wide Field Instrument ) es un espectrógrafo de imágenes que incluye:
El coronógrafo CGI Coronagraph Instrument ) es el primer instrumento de este tipo que utiliza máscaras optimizadas mediante técnicas digitales. El instrumento, que se desarrolla bajo la supervisión del Laboratorio de Propulsión a Chorro , tiene tres modos de observación:
Los detectores de coronógrafo están diseñados para permitir el uso de un coronógrafo externo ( starshade ) como el que utilizaría el futuro telescopio HabEx (proyecto en evaluación).
WFIRST debe ser puesto en órbita por un lanzador de clase Falcon Heavy o New Glenn que despegue de la plataforma de lanzamiento de Cabo Cañaveral . Se espera que la misión principal dure 5 años. El telescopio lleva consumibles ( propulsores ) que garantizan su funcionamiento durante 10 años. WFIRST debe colocarse en una órbita de cuasi-halo alrededor del punto L2 de Lagrange del sistema Tierra-Sol. Los diversos equipos del telescopio espacial están diseñados para permitir su mantenimiento mediante una misión espacial robótica durante su vida útil.
Para proteger la óptica de la radiación solar, mantener su temperatura por debajo del valor necesario para la observación de la radiación infrarroja y permitir que los paneles solares proporcionen suficiente energía, el telescopio se apunta en una dirección formando un ángulo comprendido entre 54 ° y 126 ° con con respecto a la dirección del Sol (= 0 °) y el movimiento de balanceo de WFIRST está limitado a más o menos 15 °. La orientación del telescopio en la tercera dirección es completamente libre.
El programa de observación durante la misión primaria de 5 años se resume en la siguiente tabla:
Microlentes gravitacionales |
Imagen | Espectrografía | Observación de supernovas | |
---|---|---|---|---|
Banda espectral | Z , W | Y , J , H , F184 | 1,35 - 1,95 µm (R = 461 λ) | Grande: Y , J medio: J , H profundo: J , H |
Porción del cielo observado ( grado cuadrado ) |
2,81 grados 2 | 2000 grados 2 | 2000 grados 2 | Grande: 27,44 grados 2 medio: 8,96 grados 2 profundidad: 5,04 grados 2 |
Magnitud máxima observable | - |
Y = 25,6 J = 26,7 H = 26,5 F184 = 25,8 |
0,5 × 10 −16 erg s −1 cm 2 a 1,65 μm | Grande: Y = 27,1, J = 27,5 medio: J = 27,6, H = 28,1 profundo: J = 29,4, H = 29,4 |
Duración de las observaciones | 6 × 72 días | 1,3 años | 0,6 años | 0,5 años (con un intervalo de 2 años) |
Revisar frecuencia |
W : cada 15 minutos Z : cada 12 horas |
- | - | cada 5 dias |
|
Durante la misión principal, aproximadamente el 25% del tiempo de observación se reservará para propuestas de científicos ajenos al proyecto. Estos serán seleccionados por un comité científico. Más allá de la misión principal, todo el tiempo de observación estará disponible.
El equipo terrestre utilizado durante la misión WFIRST incluye dos estaciones terrestres , White Sands en el hemisferio norte y una que será designada como estación en el hemisferio sur, que se encargan de recopilar los datos enviados diariamente por WFIRST. Estos datos son luego procesados y distribuidos por dos centros adscritos a la NASA: el STScI , conocido en particular porque procesa y distribuye datos del telescopio Hubble , y el IPAC, que es un centro especializado en el procesamiento de datos proporcionados por los telescopios que operan en el infrarrojo .