Công việc lập kế hoạch đang được tiến hành cho Đài quan sát Thế giới có thể sống được của NASA Vào đầu tháng 8, các nhà khoa học và kỹ sư đã tập trung tại một khán phòng nhỏ ở Caltech để thảo luận về việc chế tạo kính viễn vọng không gian đầu tiên có khả năng phát hiện sự sống trên các hành tinh tương tự Trái đất. Khái niệm sứ mệnh được đề xuất, được gọi là Đài quan sát Thế giới có thể sống được (HWO), sẽ là một đài quan sát vật lý thiên văn mạnh mẽ theo sau Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) của NASA.
Kỹ thuật này được sử dụng để chặn ánh sáng sao nhằm tiết lộ sự hiện diện của các hành tinh quay quanh ngôi sao.
Nó sẽ có khả năng nghiên cứu các ngôi sao, thiên hà và một số lượng lớn các vật thể vũ trụ khác, bao gồm cả các hành tinh bên ngoài hệ mặt trời, được gọi là ngoại hành tinh. Mặc dù việc khám phá sự sống trên các ngoại hành tinh có thể là một mục tiêu xa vời nhưng mục đích của hội thảo Caltech là đánh giá mức độ công nghệ mà BGI cần để tìm kiếm sự sống ở nơi khác.
Thành viên Nhóm Đánh giá Công nghệ HWO (TAG), Dimitri Mawet, Giáo sư Thiên văn học David Morrisroe và nhà khoa học nghiên cứu cấp cao tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL), cho biết: "Chúng tôi cần phát triển các công nghệ chủ chốt nhiều nhất có thể trước khi thiết kế một sứ mệnh." JPL được quản lý bởi Caltech cho NASA. Chúng ta đang ở giai đoạn trưởng thành về công nghệ.
Ấn tượng của nghệ sĩ về ngoại hành tinh đá Kepler-186f, một trong những hành tinh thú vị nhất. Liệu Trái đất có tồn tại sự sống không? Tín dụng: NASA/Ames/Viện SETI/JPL-Caltech
HWO Ra mắt vào đầu năm 2020, nó là một phần của Khảo sát thập kỷ thiên văn và vật lý thiên văn năm 2020 của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (Astro2020).
Báo cáo kỷ niệm 10 năm Astro2020 đề xuất sứ mệnh này là ưu tiên hàng đầu vì nó sẽ mang lại khả năng biến đổi cho vật lý thiên văn đồng thời hiểu biết về toàn bộ hệ mặt trời ngoài hệ mặt trời của chúng ta", Fiona Harrison, Giáo sư Vật lý Harold A. Rosen tại Caltech và Chủ tịch Lãnh đạo Kent và Joyce Cresa thuộc Khoa Vật lý, Toán học và Thiên văn học, cho biết. "
Tiến bộ và thách thức công nghệ
Các kính viễn vọng không gian có thể mô tả các đặc điểm của khí quyển ngoại hành tinh không? Việc tìm kiếm các dấu hiệu có thể cho thấy sự hiện diện của sự sống phụ thuộc vào công nghệ có thể chặn ánh sáng chói từ các ngôi sao ở xa. Có hai cách chính để chặn ánh sáng của ngôi sao: một là tấm chắn ánh sáng nhỏ bên trong kính thiên văn, gọi là Coronagraph; Tấm che nắng lớn bên ngoài gọi là tấm chắn sao. Trong không gian, lá chắn sao mở rộng thành cấu trúc hình hoa hướng dương khổng lồ, như trong hình bên dưới
Hình ảnh động cho thấy nguyên mẫu của lá chắn sao, một cấu trúc khổng lồ được thiết kế để chặn ánh sáng chói của một ngôi sao để các kính viễn vọng không gian trong tương lai có thể chụp ảnh các hành tinh. Nguồn: NASA
Trong cả hai trường hợp, ánh sáng của ngôi sao bị chặn, cho phép ánh sáng sao yếu phản chiếu từ các hành tinh gần đó chiếu xuyên qua. Quá trình này tương tự như việc dùng tay che nắng khi chụp ảnh một người bạn đang cười. Bằng cách thu trực tiếp ánh sáng của hành tinh, các nhà nghiên cứu có thể sử dụng các dụng cụ khác gọi là quang phổ kế để xem xét kỹ lưỡng những ánh sáng đó, tìm kiếm dấu hiệu hóa học. Nếu có bất kỳ sự sống nào trên các hành tinh quay quanh các ngôi sao xa xôi, thì việc hít vào và thở ra tập thể của sự sống đó có thể được phát hiện dưới dạng dấu hiệu sinh học.
Nick Siegler, chuyên gia kỹ thuật trưởng của chương trình khám phá ngoại hành tinh của NASA tại JPL, cho biết: "Chúng tôi ước tính rằng chỉ trong vùng có thể ở được của thiên hà của chúng ta, có tới hàng tỷ hành tinh có kích thước Trái đất trong vùng có thể ở được, khu vực xung quanh một ngôi sao nơi nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của nước lỏng. Chúng tôi muốn thăm dò bầu khí quyển của các ngoại hành tinh này để tìm oxy, metan, hơi nước và các hóa chất khác có thể chỉ ra sự hiện diện của sự sống. Thay vì nhìn thấy những người đàn ông nhỏ bé màu xanh lá cây, điều chúng tôi đang tìm kiếm là dấu hiệu quang phổ của những hóa chất quan trọng này, cái mà chúng tôi gọi là dấu hiệu sinh học. "
Theo Siegler, NASA đã quyết định tập trung vào tuyến đường vành của khái niệm HWO, được xây dựng dựa trên các khoản đầu tư gần đây vào Kính viễn vọng Không gian La Mã Nancy Grace của NASA, kính viễn vọng này sẽ sử dụng các đường quay tiên tiến để chụp ảnh các ngoại hành tinh khí khổng lồ. (IPAC của Caltech là nơi đặt Trung tâm Hỗ trợ Khoa học La Mã). Ngày nay, Coronagraph được sử dụng trên một số kính thiên văn khác, bao gồm JWST, Hubble và các đài quan sát trên mặt đất.
Sara Seager của MIT đã có bài nói chuyện có tiêu đề "Giảm ánh sáng sao cho Đài thiên văn Thế giới có thể sống được" tại Hội nghị chuyên đề Caltech. Nguồn: Caltech
Sự đổi mới và quan điểm tương lai
Mavitt đã phát triển Coronagraph, một công cụ được sử dụng tại W.M. Đài quan sát Keck trên đỉnh Mauna Kea trên Đảo Lớn của Hawaii. Phiên bản mới nhất của Coronagraph, được gọi là Coronagraph xoáy, được phát minh bởi Mavitt và được đặt trong Thiết bị mô tả và chụp ảnh hành tinh Keck (KPIC), cho phép các nhà nghiên cứu trực tiếp chụp ảnh và nghiên cứu bức xạ nhiệt của các ngoại hành tinh khí khổng lồ trẻ và ấm. Một vành nhật hoa loại bỏ ánh sáng của ngôi sao, cho phép nó chụp ảnh các hành tinh mờ hơn ngôi sao một triệu lần. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu mô tả chi tiết bầu khí quyển, quỹ đạo và đặc điểm quay của các ngoại hành tinh khí khổng lồ trẻ, giúp trả lời các câu hỏi về sự hình thành và tiến hóa của các hệ mặt trời khác.
Nhưng việc chụp ảnh trực tiếp một hành tinh song sinh trên Trái đất—hành tinh mà sự sống mà chúng ta biết có nhiều khả năng phát triển nhất trên đó—đòi hỏi những cải tiến lớn trong công nghệ hiện có. Các hành tinh như Trái đất quay quanh các ngôi sao giống mặt trời trong vùng có thể ở được dễ bị che khuất bởi ánh sáng chói của ngôi sao. Ví dụ, mặt trời của chúng ta mạnh hơn Trái đất 10 tỷ lần. Để đạt được mức độ triệt tiêu ánh sáng sao này trong một đoạn phim, các nhà nghiên cứu đã phải đẩy công nghệ của họ lên mức cao nhất. Mavitt cho biết: “Khi chúng ta ngày càng tiến gần đến mức độ triệt tiêu ánh sáng sao cần thiết, độ khó của thử thách sẽ tăng theo cấp số nhân”.
Giải thích của Tiến sĩ Nick Siegler, giám đốc kỹ thuật chương trình khám phá ngoại hành tinh của NASA, giới thiệu chi tiết về nguyên lý hoạt động của vành nhật hoa và cách nó có thể giúp chụp ảnh trực tiếp các ngoại hành tinh. Nguồn: NASA
Những người tham dự hội thảo Caltech đã thảo luận về công nghệ mạch vành, bao gồm việc điều khiển sóng ánh sáng bằng thấu kính có thể biến dạng cực kỳ chính xác bên trong thiết bị (xem video ở trên). Mặc dù một vành nhật hoa chặn hầu hết ánh sáng của một ngôi sao, nhưng ánh sáng tản lạc vẫn lọt vào hình ảnh cuối cùng, xuất hiện dưới dạng các đốm. Bằng cách sử dụng hàng nghìn thanh đẩy để đẩy và kéo trên bề mặt phản chiếu của tấm gương có thể biến dạng, các nhà nghiên cứu có thể loại bỏ các đốm ánh sáng sao còn sót lại.
Kính viễn vọng Không gian La Mã Nancy Grace sắp ra mắt sẽ là kính thiên văn đầu tiên sử dụng loại vành này, được gọi là loại "hoạt động" vì gương của nó biến dạng tích cực. Sau nhiều thử nghiệm hơn tại JPL, vòng quay La Mã cuối cùng sẽ được tích hợp vào kính thiên văn cuối cùng tại Trung tâm Chuyến bay Không gian Goddard của NASA và được phóng lên vũ trụ không muộn hơn năm 2027. Vòng quay La Mã sẽ cho phép các nhà thiên văn học chụp ảnh các ngoại hành tinh mờ hơn một tỷ lần so với các ngôi sao của chúng. Điều này bao gồm các hành tinh khí khổng lồ trưởng thành và trẻ, cũng như các đĩa mảnh vụn còn sót lại từ quá trình hình thành hành tinh.
Vanessa Bailey, chuyên gia kỹ thuật về vòng hoa La Mã của JPL, cho biết: "Vòng hoa La Mã là bước tiếp theo của NASA trong việc tìm kiếm sự sống bên ngoài hệ mặt trời. Các kính thiên văn ngày nay Khoảng cách về hiệu suất với các Đài quan sát Thế giới có thể ở được là quá lớn để có thể thu hẹp ngay lập tức. Vòng hoa La Mã được dự định là một bước đệm ở giữa. Nó sẽ trình diễn một số công nghệ cần thiết, bao gồm mặt nạ vành nhật hoa và gương có thể biến dạng, ở mức cao nhất mức độ hiệu suất chưa bao giờ đạt được bên ngoài phòng thí nghiệm."
Nhằm mục đích chụp ảnh trực tiếp hình ảnh song sinh của Trái đất xung quanh một ngôi sao giống như mặt trời có nghĩa là đẩy công nghệ đằng sau vành nhật hoa của Roman đi xa hơn nữa. Marvitt giải thích: “Chúng tôi cần có khả năng làm biến dạng các tấm gương xuống mức picometer”. "Chúng ta cần giảm ánh sáng sao nhiều hơn khoảng 100 lần so với vòng quay La Mã. Hội thảo này giúp hướng dẫn chúng ta tìm ra khoảng trống công nghệ của chúng ta ở đâu và chúng ta cần phải làm gì nhiều hơn trong thập kỷ tới." "
Các chủ đề khác được thảo luận tại hội thảo bao gồm các loại gương chính tốt nhất để sử dụng với vành, lớp phủ gương, xử lý hư hỏng của gương do thiên thạch vi mô, công nghệ gương có thể biến dạng, máy dò và các công cụ tiên tiến để tạo mô hình và thiết kế tích hợp. Các kỹ sư cũng cung cấp thông tin cập nhật về lá chắn sao và trạng thái sẵn sàng kỹ thuật của nó.
The con đường khám phá cặp song sinh của Trái đất
Đồng thời, với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ, các nhà khoa học khác cũng đang chuyển sự chú ý sang các ngôi sao, tìm kiếm các hành tinh giống Trái đất mà HWO có thể chụp ảnh Cho đến nay, hơn 5.500 ngoại hành tinh đã được phát hiện, nhưng không có ngoại hành tinh nào thực sự giống Trái đất, như tàu thăm dò hành tinh Keck mới. (KPF) tại Đài quan sát Keck do Caltech dẫn đầu, đã khám phá các hành tinh tốt hơn bằng cách tìm kiếm lực hút mà chúng tác động lên các ngôi sao khi chúng quay quanh chúng. Các hành tinh nặng hơn tạo ra lực kéo lớn hơn, cũng như các hành tinh gần các ngôi sao của chúng hơn. KPF cũng được thiết kế để tìm các hành tinh có kích thước bằng Trái đất trong vùng có thể sinh sống được của các ngôi sao nhỏ màu đỏ, gần các ngôi sao của chúng hơn. Trong vài năm tới, KPF sẽ tiếp tục cải thiện và có thể phát hiện các hành tinh song sinh với Trái đất.
Vào thời điểm HWO được phóng vào cuối những năm 1930 hoặc đầu những năm 1940, các nhà khoa học hy vọng sẽ có được danh mục gồm ít nhất 25 hành tinh giống Trái đất để khám phá
Mặc dù còn chặng đường dài phía trước, các nhà khoa học tại hội nghị chuyên đề vẫn háo hức thảo luận về những thách thức này với các đồng nghiệp của họ, những người đã đến Pasadena từ khắp nơi trên thế giới. country. Giám đốc JPL Laurie Leshin (MA ’89, Ph.D. ’95) đã có bài phát biểu đầy cảm hứng ngay đầu cuộc họp “Đây là một thử thách thú vị và khó khăn. Nhưng đó chính xác là những gì chúng tôi đang hướng tới. Chúng ta không chiến đấu một mình. Chúng ta cần phải làm việc cùng nhau", cô nói.