Co jest możliwe, gdy teleskopy ziemskie i kosmiczne współpracują ze sobą?

 

Co jest możliwe, gdy teleskopy ziemskie i kosmiczne współpracują ze sobą?

Każdy, kto kiedykolwiek pracował w zespole, wie, że jego siła tkwi w koordynacji i wspólnej wizji. Jednak nie zawsze jest łatwo zapewnić taką koordynację i wspólną wizję, a każdy zespół, któremu brakuje tej spójności, staje się bardziej przeszkodą niż pomocą. 

Nauka nie jest odporna na trudności związane z prowadzeniem efektywnych zespołów. Wiele można zyskać dzięki lepszej koordynacji między różnymi silosami i fizycznymi lokalizacjami. Niedawne spotkanie w Chile skłoniło grupę naukowców do zaproponowania planu zmiany tej sytuacji. Rezultatem jest biała księga, która wskazuje na potencjalne korzyści z koordynowania obserwacji obiektów naziemnych, orbitalnych i in situ. Co ważniejsze, sugeruje inną ścieżkę naprzód, w której cała społeczność nauk kosmicznych może skorzystać na rodzaju skoordynowanych wyników, które mogą pochodzić tylko od spójnego zespołu.

Sugerowana ścieżka wytyczona w białej księdze rozpoczęła się na konferencji Planets2020 w Chile, której gospodarzem było obserwatorium ALMA. Spotkanie odbyło się jeszcze w marcu, tuż przed wybuchem epidemii koronawirusa, który zaczął ograniczać podróżowanie. Podczas konferencji odbyło się wiele dyskusji dotyczących możliwości różnych platform obserwacyjnych działających na Ziemi i w kosmosie. Celem było poznanie misji, które koordynowały obserwacje naziemne i kosmiczne, oraz wypracowanie przyszłych pomysłów, jak powielić tę koordynację z nowymi i istniejącymi platformami, aby jak najlepiej wykorzystać ich różne możliwości. Główny autor białej księgi, Vincent Kofman, chemik badawczy w Goddard Space Flight Center, podjął się koordynowania tego zespołu i przygotował artykuł, który jasno przedstawia lepszy sposób prowadzenia obserwacji.

Ten obraz przedstawia różne długości fal zawarte w widmie elektromagnetycznym, dlatego ważne jest, aby uchwycić całą szerokość, aby naprawdę zrozumieć niektóre zjawiska przejściowe. Pełne widmo elektromagnetyczne z oznaczonymi różnymi podpasmami. Źródło: NASA

Główny powód, dla którego taka koordynacja jest ważna, sprowadza się do interakcji systemów obrazowania z różnymi długościami fal światła. Widma elektromagnetycznego jest bardzo duża. Obejmuje wszystkie rodzaje światła, takie jak radio, podczerwień, promienie rentgenowskie, ultrafioletowe i widzialne. Nie ma jednego czujnika, który mógłby zbierać dane na wszystkich tych różnych długościach fal w tym samym czasie. Dlatego naukowcy opracowali mnóstwo instrumentów, które są wyjątkowo dobre w zbieraniu danych w jednym określonym spektrum, takie jak radio (ALMA) lub podczerwień średniego zasięgu ( James Webb ). 

Zdjęcie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który będzie działał w zakresie podczerwieni, montowany w pomieszczeniu czystym. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba w pomieszczeniu czystym w Centrum Kosmicznym im. Johnsona NASA w Houston. Źródło: NASA / JSC

Wadą tej specjalizacji jest to, że instrumenty te są ślepe w innych zakresach widmowych. Jeśli zespół naukowy obserwuje tylko w jednym rodzaju światła, istnieje szansa, że ​​może przeoczyć ważne aspekty badanego przez siebie zjawiska, które są widoczne tylko w innym paśmie widmowym.

Znaczna część zebranych danych planetarnych jest wynikiem badań statków kosmicznych, które są wysyłane do systemu planetarnego w celu przeprowadzenia obserwacji in situ . Jednak ze względu na wysokie koszty opracowania systemów kosmicznych, a następnie wyniesienia ich na orbitę, osoby planujące misje na miejscu muszą bardzo selektywnie wybierać typy instrumentów, które pozwalają na pokład swoich statków kosmicznych. Zwykle oznacza to, że nie są w stanie dostarczyć obrazów, które są w stanie pokryć całe spektrum elektromagnetyczne.

W tym miejscu pojawia się koordynacja z teleskopami naziemnymi i teleskopami na orbicie okołoziemskiej. W tych lokalizacjach znajduje się wiele teleskopów, takich jak pustynia Atakama lub Mauna Kea na Hawajach , które są niezwykle duże i mogą dostarczać obrazy o bardzo wysokiej rozdzielczości w określonych widmach. pasma, takie jak radio, mikrofale lub podczerwień.  Podczerwieńjest szczególnie przydatne, ponieważ istnieje wiele fizycznych punktów danych, które można uzyskać w jednym pomiarze, takich jak ciśnienie, temperatura i obfitość molekularna. Jeśli planista misji statku kosmicznego eksplorującego planetę może koordynować obserwacje z tymi znacznie większymi, wyspecjalizowanymi obserwatoriami, nie będzie już musiał umieszczać ich na swoim własnym statku kosmicznym. Jeśli jednak nie są w stanie koordynować jednoczesnych obserwacji, straciliby na widmach, które mogą dostarczyć obserwatoria bliżej domu.

Zdjęcie przedstawiające serię teleskopów na szczycie wulkanu Mauna Kea na Hawajach.

Szczyt Mauna Kea jest głównym miejscem dla teleskopów, jak pokazano na tym zdjęciu. Zdjęcie dzięki uprzejmości Mauna Kea Observatories

Kolejną zaletą obserwatoriów naziemnych w porównaniu z ich odpowiednikami in situ jest możliwość zobrazowania całej planety na raz. Wiele misji orbitujących lub przelatujących jest w stanie zmierzyć tylko część obiektu w jednym momencie. Powoduje to utratę zrozumienia kontekstu, ponieważ dynamiczne zjawiska, które mogłyby być obserwowane w jednym miejscu przez sondę kosmiczną in situ, mogą nie występować na całej powierzchni planety lub księżyca. Wsparcie ze strony teleskopów naziemnych, czy to naziemnych, czy kosmicznych, może zapewnić ten szerszy kontekst, którego brakuje samemu statkowi kosmicznemu.

Tego rodzaju koordynacja obejmująca wszystkie bazy widmowe została już osiągnięta podczas jednej misji planetarnej in situ : sondy Juno obecnie na orbicie wokół Jowisza. Wynikająca z tego koordynacja między sondą kosmiczną Juno a serią obserwatoriów na Ziemi zaowocowała powstaniem ponad 40 artykułów, w których wykorzystano dane z więcej niż jednego źródła obserwacyjnego układu Jowisza w tym czasie.

Obraz przedstawiający jednoczesne części Jowisza na trzech różnych długościach fal, co dowodzi, że niektóre cechy, które szczególnie przenikają się, są widoczne tylko na jednej długości fali. Trzy oddzielne obrazy wykonane w ramach wielospektralnego przeglądu Juno. Pokazuje ten sam segment Jowisza jednocześnie na trzech różnych długościach fal. Zdjęcie po lewej stronie zostało zrobione w świetle widzialnym, środek w średniej podczerwieni, a po prawej przy innej długości fali podczerwieni. Ten obraz przedstawia ważne cechy, które można zobaczyć tylko w jednym paśmie widmowym, pozostając niewidoczne w dwóch pozostałych. Źródło: Chris Moeckel / The Astrophysical Journal

Istnieje wiele innych nisko wiszących owoców obserwacyjnych dostępnych dla skoordynowanych działań, takich jak Juno. Mars jest szczególnie interesujący, ponieważ jest to najlepiej zbadana planeta poza Ziemią i jedyna, na której powierzchni fizycznie znajdują się aktywne łaziki. Naukowcy zainteresowani zrozumieniem, skąd pochodzi metan z atmosfery Marsa, z pewnością skorzystaliby na skoordynowanej kampanii obserwacyjnej między kilkoma orbitami wokół Marsa ( TGO i MAVEN ) a teleskopami naziemnymi, takimi jak NASA Infrared Telescope Facility na Hawajach. 

Orbitery wokół Marsa dostarczają doskonałych dwuwymiarowych wycinków danych spektralnych, gdy przechodzą nad określonym pasem planety. Jednak obserwatoria bliżej Ziemi mogą dostarczyć danych o całej półkuli planety, która jest zwrócona w ich stronę, i dodać warstwę głębi, która pozwoli naukowcom na złożenie trójwymiarowego obrazu, co byłoby niemożliwe przy użyciu tylko danych z orbit.

Zdjęcie obiektu teleskopu podczerwieni NASA, które można wykorzystać w skoordynowanych kampaniach obserwacyjnych.Teleskop Podczerwieni NASA może być szczególnie przydatny w koordynowaniu obserwacji z misjami eksploracji planet. Źródło: NASA / JPL

Wciąż istnieją pewne ograniczenia dotyczące obserwacji na Ziemi, na przykład fakt, że metan jest obecny również w ziemskiej atmosferze, co może wypaczyć dane podczas patrzenia na Marsa. Aby obejść ten problem, naukowcy wymyślili genialną metodę obserwacji Marsa tylko wtedy, gdy oddala się on od Ziemi (lub w kierunku) z prędkością większą niż 13 km na sekundę. Ta różnica prędkości zmienia na czerwono (lub niebiesko) sygnaturę widmową marsjańskiego metanu na tyle, że można ją odróżnić od tego, który jest po prostu obecny w ziemskiej atmosferze.

Innym szczególnie interesującym celem wspólnych obserwacji jest Tytan , który był przedmiotem intensywnych badań w ostatnich latach ze względu na jego jeziora węglowodorowe i cykl hydrologiczny oparty na metanie / etanie .

Księżyc jest tak interesujący, że wkrótce przyjmie swojego gościa in situ w postaci misji Dragonfly . Kiedy Dragonfly wyląduje w 2034 r., Zespół białej księgi ma nadzieję, że wiele teleskopów na Ziemi zwróci oczy w kierunku Tytana, ponieważ dane zebrane z powierzchni można następnie skoordynować z bardziej odległymi obserwacjami. Dragonfly będzie wyposażony w spektrometr masowy, który pozwoli na wykrycie cząsteczek, których nie da się zobaczyć na odległość, oraz ujawni pełny skład atmosfery. Obserwacje z Ziemi mogą z kolei zapewnić kontekst dla tych pomiarów.

Lądownik Dragonfly będzie pierwszym, który dotrze na powierzchnię Tytana i może dostarczyć lokalne dane do dowolnego skoordynowanego programu obserwacyjnego.Ilustracja artysty przedstawiająca lądownik Dragonfly na powierzchni Tytana. Misja będzie doskonałą okazją do skoordynowanych obserwacji. Może dostarczać danych naziemnych, które można kontekstualizować z innymi, większymi obserwatoriami. Źródło: NASA / JHU-APL

Te połączone obserwacje skupią się na chemii organicznej zachodzącej na Księżycu. Szczególnie użytecznym narzędziem na Ziemi jest ALMA, obserwatorium, które zorganizowało konferencję rozpoczynającą białą księgę. ALMA to seria radioteleskopów, które są szczególnie dobre w obserwacji związków organicznych i sporządzaniu szczegółowych map obiektów obserwacyjnych. Obie możliwości byłyby szczególnie pomocne w misji Dragonfly, a operatorzy ALMA już dobrze znają Tytana. 

Wykorzystywano Tytana jako cel kalibracji przez wiele lat po pierwszym uruchomieniu, ze względu na jego jasność i pozorną stabilność. Bogactwo obserwacji pozwoliło naukowcom zbadać Tytana i ewolucję jego atmosfery, ujawniając dynamiczne procesy i prowadząc do lepszego zrozumienia Księżyca. Niestety, okazało się również, że Tytan aktywnie się zmienia, co czyni go mniej odpowiednim jako cel kalibracji strumienia. Zespół ALMA przeszedł następnie na używanie pulsara do przyszłych kalibracji.

Tylko kilka z 66 gigantycznych teleskopów radiowych ALMA (NRAO)

Wszystkie dane zebrane przez zespół ALMA, a także prawie wszystkie dane astronomiczne ze wszystkich obserwatoriów, które mogą zostać powołane do wspólnych działań obserwacyjnych, są ostatecznie udostępniane publicznie. Jednak gdyby dane o danym obiekcie nie były zbierane jednocześnie przez więcej niż jedno obserwatorium, korzyści z koordynacji są tracone, ponieważ zjawiska przejściowe nie byłyby obecne w obu tych zbiorach danych. W archiwach danych mogą znajdować się jednocześnie pewne dane obiektu zebrane przez więcej niż jedną platformę obserwacyjną. Jednak koordynacja przyszłych wysiłków obserwacyjnych z większym prawdopodobieństwem doprowadzi do nowych odkryć niż przeszukiwania starych danych. Wspólne obserwacje mogą ujawnić zjawiska, które nie byłyby widoczne bez połączenia zbiorów danych, ujawniających nowe i ekscytujące spojrzenia na obce światy.  

Koordynacja jak największej liczby przyszłych działań obserwacyjnych jest głównym celem nowej białej księgi. Kiedy badanie dekadowe, do którego artykuł ma być skierowany, zbierze się za kilka lat, zespół ten będzie miał okazję skoordynować znacznie jaśniejszą przyszłość obserwacji planet.