Nejstarší hvězdy ve vesmíru jsou zahaleny temnotou. Jejich rudý posuv je tak vysoký, že se o nich můžeme jen divit. Vesmírný dalekohled Jamese Webba bude naším nejúčinnějším dalekohledem pro pozorování velmi raného vesmíru a měl by pozorovat až do z = 15. Ale i to má svá omezení.
Abychom mohli pozorovat úplně první hvězdy vesmíru, potřebujeme větší dalekohled. Konečně velký dalekohled.
The Ultimate Large Telescope (ULT) je v tomto bodě pouze koncept. Není pochyb o tom Vesmírný dalekohled Jamese Webba nám ukáže hodně o raném vesmíru, ale všichni víme, že v budoucnu budeme chtít ještě výkonnější dalekohled. Tak rozvíjíme své znalosti.
Touha postavit ULT je poháněna naší neukojitelnou zvědavostí. Chceme se dozvědět více o počátcích vesmíru a hvězdách, které tam žily. V dokumentu skupina vědců popisuje, co bude ULT, proč je to nutné a jak to bude fungovat.
Název nového příspěvku je „ The Ultimate Large Telescope – jaký druh zařízení potřebujeme k detekci hvězd populace III? “ Hlavní autorkou je Anna Schauer, výzkumná pobočka na katedře astronomie na University of Texas, Austin. Dokument je k dispozici na předtiskové stránce arxiv.org.
Hvězdy jsou rozděleny do tří populací: populace 3, populace 2 a populace 1. Pop 3 hvězdy jsou nejstarší, první hvězdy, které vznikly, a skládaly se pouze z prvků z Velkého třesku: vodíku, malého množství hélia a nepatrných množství lithia a berylia. Protože jsou to první hvězdy, mají velmi nízké metalicita . (V astrofyzice je vše těžší než vodík a helium považováno za kov.)
Umělecká ilustrace prvních hvězd vesmíru s názvem Populace 3 hvězdy. Pop 3 hvězdy by byly mnohem hmotnější než většina dnešních hvězd a spálily by se horko modře. Jejich životnost by byla mnohem kratší než u hvězd, jako je naše Slunce. Obrazový kredit: Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1582286
Pop 2 hvězdičky přišel další. Jak hvězdy Pop 1 žily a umíraly, spojily těžší prvky a rozšířily je do vesmíru. Hvězdy Pop 2 jsou tvořeny z části této hmoty, takže mají vyšší metalicitu než hvězdy Pop 1.
Pop 1 hvězdičky jsou „třetí generací“ hvězd. Jako hvězdy třetí generace mají ještě vyšší metalicitu než hvězdy Pop 2. Každá generace hvězd vytváří více kovů, které budou přijaty následující generací.
Naše vlastní Slunce je Pop 1 hvězda. Má vysoký obsah kovu na hvězdu, asi 1,4 procenta. Takže i když astronomové hovoří o vysoké metalicitě hvězd, drtivá hmota hvězdy je stále vodík.
Pop 3 hvězdy skrývají mnoho tajemství o raném vesmíru a astronomové chtějí mít přístup k těmto tajemstvím.
Infračervené dalekohledy mají schopnost vidět do vzdálené minulosti. James Webb pozoruje v blízké infračervené oblasti (NIR), aby viděl červeně posunuté světlo z nejstarších galaxií. Ale nemůže prolomit bariéru vidět ještě dále zpět, když neexistovaly žádné galaxie, pouze hvězdy.
Vesmírný dalekohled Jamese Webba v čisté místnosti Johnsonova vesmírného střediska NASA v Houstonu. Poděkování: NASA/JSC
K tomu potřebujeme ULT.
Protože první hvězdy neměly téměř žádné kovy, vznikaly a vyvíjely se jinak. Výzkumníci si myslí, že byli hmotnější než pozdější populace, ve skutečnosti stokrát hmotnější než Slunce. Také rychle spalovali palivo a žili kratší život.
Vědci se také domnívají, že většina těchto hvězd Pop 3 explodovala jako supernovy párové nestability. V této terminologii „pár“ neznamená binární pár. Popisuje produkci párů elektronů a pozitronů ve hvězdě, která vede ke kolapsu hvězdy a poté k rychlé termonukleární explozi hvězdy, když jde o supernovu.
Ale hodně z toho je teorie založená na našich pozorováních a pochopení jiných populací hvězd. Pop 3 hvězdu nikdo nikdy neviděl. Proto ULT.
ULT musí být dostatečně výkonný, aby našel „minihala“, ve kterých se zformovaly hvězdy Pop 3. Současná teorie říká, že velké galaxie vznikají a existují uvnitř halo temné hmoty . Teorie předpovídá, že hvězdy Vesmíru Pop 3 se také vytvořily v halo, i když mnohem menší. Najít první hvězdy znamená najít jejich svatozáře.
Když se zabývali omezeními JWST při hledání těchto halo, autoři napsali: „Avšak i s tímto novým zařízením zůstanou první hvězdy mimo dosah, protože se rodí v malých minihalotech se svítivostí příliš slabou na to, aby byla detekována dokonce i hvězdami. nejdelší expoziční časy.'
Tím se dostáváme k samotnému ULT. ULT by potřeboval mít 100metrové zrcadlo. To je naprosto obrovské, vezmeme-li v úvahu, že největší optický dalekohled ve výstavbě – Evropský extrémně velký dalekohled (EELT) — bude mít 39,3metrové zrcadlo složené ze 798 samostatných segmentů. EELT již posouvá limity naší techniky, takže 100metrové zrcadlo může být ještě chvíli mimo dosah našich inženýrských technologií. Autoři ve svém článku píší, že „I když je 100 m evidentně náročné, je to v rámci možností pro technologii poloviny století.“
Ale velikost nemusí být na tomto potenciálním dalekohledu to nejzajímavější. Podle autorů by tato zrůdnost musela být postavena na Měsíci.
Nová interaktivní mozaika z NASA Lunar Reconnaissance Orbiter pokrývá severní pól Měsíce od 60 do 90 stupňů severní šířky v rozlišení 6-1/2 stopy (2 metry) na pixel. Kliknutím navštívíte. Obrazový kredit: NASA/GSFC/Arizonská státní univerzita
Měsíc je jediné skutečně proveditelné místo pro ULT. Neexistuje žádný způsob, jak by mohl být vypuštěn do vesmíru a zaparkován na oběžné dráze LaGrangian halo jako JWST. A nelze jej postavit na Zemi, kde by atmosféra narušovala jeho pozorování.
Odkazování předchozí myšlení do Moonscope, autoři říkají, že ULT by bylo nejlepší postavit uvnitř měsíčního kráteru, kde je trvalý stín. I poté by bylo potřeba jej kryogenně chladit. ULT by byl na měsíčním pólu, vždy by směřoval k zenitu a neměl by kloubový držák. Zatímco se dříve uvažovalo o Moonscope hovořilo o a tekuté zrcadlo , nový dokument se o tom nezmiňuje.
Jeho cílová oblast by byla omezena precezí Měsíce a expozice by mohla trvat i několik dní. Přidání určitého typu sledovacího zařízení, jako je pohyblivá platforma primárního ostření, by mohlo prodloužit dobu expozice.
Měsíc může být ideálním místem pro některé typy dalekohledů. Uznání snímku: Goddard Space Flight Center NASA.
Zatím neexistuje žádný plán na stavbu tohoto dalekohledu, takže papír se nedostává do velkých technických detailů. Ve skutečnosti se samotný dokument více zabývá tím, k čemu ho astronomové použijí, a modely, jak jej používat.
Ale pokud se někdy postaví – a vsadíme se, že v určitém okamžiku bude – pravděpodobně nebude na Měsíci sám. Ve skutečnosti vypadá Měsíc jako ideální místo pro určité typy dalekohledů, zejména radioteleskopů.
NASA nedávno oznámila financování studie radioteleskopu na odvrácené straně Měsíce. Předběžně se tomu říká Radioteleskop v lunárním kráteru (LCRT.) Jak název napovídá, byl by postaven uvnitř přirozeně konkávního tvaru vhodného kráteru.
Ilustrace koncepčního radioteleskopu Lunar Crater. Obrazový kredit: Saptarshi Bandyopadhyay
Myšlenka lunárních dalekohledů sahá až do éry Apolla. Během té doby si vědec projektu Apollo jménem Richard Vondrak představil, že uvnitř lunárních kráterů postaví radioteleskopy.
Ilustrace tří radioteleskopů uvnitř lunárních kráterů. Obrazový kredit: NASA
Jedna z misí Apollo skutečně umístila dalekohled na Měsíc. Když Apollo 16 21. dubna 1972 přistálo na Měsíci, neslo ultrafialový dalekohled, který pořídil 178 snímků vesmíru.
Astronaut Apolla 16 John Young vyskakuje „do vzduchu“ a zasalutuje. Vzdálená UV kamera/spektrograf je za ním, ve stínu přistávacího modulu. Obrazový kredit: Od NASA Charles M. Duke Jr. – Skvělé snímky v popisu NASA, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6449804
Čína také v nedávné době přinesla na Měsíc dalekohledy. Lander Chang'e-3 vzal dálkově ovládaný dalekohled na Měsíc v roce 2013 a v roce 2019 jejich lander Chang'e-4 vzal malý radioteleskop na Měsíc.
Ale i když jsou tyto malé dalekohledy zajímavé a dalekohled Apollo 16 je součástí vesmírné historie, sotva patří do stejné diskuse jako ULT.
Pokud bude ULT někdy postaven a pokud bude mít 100metrové primární zrcadlo, mohl by to být jeden z největších technických úspěchů lidstva. A umožněním pozorování prvních hvězd vesmíru by to mohlo konečně odpovědět na některé z otázek, které stojí v cestě našemu chápání vesmíru.
Více:
- Výzkumný papír: The Ultimate Large Telescope – jaký druh zařízení potřebujeme k detekci hvězd populace III?
- KAVLI Ústav pro částicovou fyziku a kosmologii: Hvězdy Populace III: Největší samotářské popové hvězdy vesmíru
- Vesmír dnes: Hubble vypadal tak daleko v čase, jak jen mohl, a přesto nemohl vidět první generaci hvězd ve vesmíru