Ecco cosa troverà WFIRST, se possiamo salvarlo.

Le simulazioni mostrano che il telescopio spaziale di prossima generazione sarà davvero straordinario.

Questo lunedì, la Casa Bianca ha pubblicato il budget proposto per l'anno fiscale 2020, che dettaglia i finanziamenti per un certo numero di agenzie federali, tra cui la NASA. Il budget propone tagli netti di $ 481 milioni all'agenzia spaziale, compreso il taglio totale di $ 381 milioni di finanziamenti incredibili per il Wide Field Infrared Survey Telescope, o WFIRST, il cui lancio è previsto per la metà degli anni '20. Questo è il secondo anno consecutivo che l'amministrazione ha tentato di uccidere il telescopio spaziale, che è stato salvato l'anno scorso solo dal Congresso.

Una versione proposta più vecchia di WFIRST, risalente al 2019. Da allora, il telescopio ha attraversato un paio di iterazioni mentre i suoi obiettivi scientifici sono cambiati. Credito d'immagine: NASA.

Come previsto, lo stratagemma - giustificato dai superamenti dei costi concorrenti del James Webb Space Telescope - ha incontrato una notevole opposizione da parte degli astronomi, che considerano WFIRST una delle massime priorità della NASA per il prossimo decennio. Sostengono che fermare il progetto di sei anni sarebbe un duro colpo per l'astronomia in due aree principali:

  • Astronomia esopianeta, che trarrà beneficio dalle prospettive rivoluzionarie di WFIRST per scoprire nuovi mondi attraverso la microlensing gravitazionale e l'imaging diretto.
  • La cosmologia, che otterrà misurazioni della densità, dell'evoluzione e della natura fondamentale dell'energia oscura attraverso i sondaggi della galassia e delle supernova di WFIRST.

Non sorprende che gli scienziati siano interessati a ottenere idee quantitative sui risultati che sperano di ottenere da WFIRST e simulazioni dettagliate sono state eseguite negli ultimi anni nel tentativo di determinare esattamente cosa troveranno. Per capire solo perché la sopravvivenza di WFIRST è così importante, lascia che ti accompagni in un viaggio attraverso alcune di quelle simulazioni di ciò che i 2020 potrebbero avere in serbo per noi.

Prima di arrivarci, però, dovrei parlarti un po 'del veicolo spaziale di cui stiamo parlando. WFIRST è dotato di un telescopio da 2,4 metri progettato per rilevare la luce infrarossa; ha le stesse dimensioni del telescopio spaziale Hubble e può osservare a molte delle stesse lunghezze d'onda. Probabilmente orbiterà in un luogo chiamato il secondo punto Lagrange Sole-Terra, situato oltre il lato notturno della Terra.

Un diagramma del coronagraph di WFIRST, che mostra il suo radiatore di raffreddamento, lo spettrografo e altri componenti chiave. Credito immagine: NASA / Goddard Spaceflight Center.

Attaccati al telescopio sono i due strumenti che rendono così importante il WFIRST: il Wide Field Instrument (WFI) dal nome appropriato, che fornirà all'osservatorio un ampio campo visivo per l'imaging e le osservazioni spettroscopiche, e lo strumento coronagrafo, che ha anche simili capacità di imaging e spettroscopia, ma con un piccolo campo visivo, e può bloccare la luce delle stelle per vedere eventuali pianeti esopiani in orbita attorno a loro.

Insieme, questi strumenti, lavorando indaffaratamente su un veicolo spaziale a 1,5 milioni di miglia dalla Terra, forniranno progressi in due campi in rapida crescita: esopianeti ed energia oscura. Ora, vediamo cosa pensano di trovare gli astronomi e diamo un'occhiata ad alcune simulazioni aggiornate.

Trovare esopianeti attraverso un nuovo tipo di obiettivo

Gli ultimi 25 anni si sono dimostrati generosi per l'astronomia esoplanetaria. Dalla prima rivelazione confermata di un esopianeta nel 1992, gli astronomi hanno trovato l'incredibile cifra di 4.000 esopianeti intorno a circa 3.000 stelle, con molte altre in attesa di conferma. Questi pianeti sono stati in gran parte rilevati attraverso due tecniche principali:

  • Il metodo della velocità radiale, che utilizza la spettroscopia per scoprire perturbazioni nel movimento di una stella causate da un esopianeta in orbita.
  • Il metodo di transito, che cerca cali nella luminosità di una stella quando un esopianeta passa tra la stella e la Terra.

Sebbene entrambi abbiano prodotto un numero spettacolare di nuovi mondi, sono entrambi propensi a trovare pianeti grandi, massicci e vicini alle loro stelle ospiti. Esistono altri metodi che riducono tale pregiudizio, come il microlensing gravitazionale. Il microlensing si basa sul principio secondo cui un oggetto enorme deforma lo spazio-tempo, e quindi i raggi di luce che viaggiano attraverso l'universo. Ciò significa che una stella dovrebbe distorcere la luce delle stelle di sfondo - e qualsiasi pianeta in orbita attorno a essa dovrebbe contribuire alla distorsione. Si scopre che queste deviazioni sono misurabili! Questa tecnica è in realtà abbastanza buona nel trovare esopianeti a bassa massa a raggi orbitali come quelli della Terra, ma idealmente ha bisogno di telescopi ad alta risoluzione e cieli sereni. Finora, pochissimi esopianeti sono stati scoperti usando il microlensing.

L'impressione di un artista di OGLE-2005-BLG-390Lb, un esopianeta scoperto nel 2005 mediante microlensing gravitazionale. Immagine di credito: ESO, sotto licenza Creative Commons Attribution 3.0 Unported.

WFIRST ha il potenziale per cambiare tutto ciò. Uno dei vantaggi di WFIRST rispetto ai vecchi sondaggi di microlensing è che si troverà nello spazio, evitando così la distorsione atmosferica. Questo, unito alla sua imaging ad alta risoluzione e al suo ampio campo visivo, significa che può osservare molte stelle deboli che sono obiettivi irrealizzabili per indagini di microlensing a terra.

Un documento che dimostra questa capacità è Penny et al. 2018, un'analisi che è stata eseguita l'anno scorso. Il gruppo mirava a simulare i tassi di rilevamento degli eventi di microlensing del pianeta legato, ovvero i rilevamenti di microlensing da parte di esopianeti che orbitano attorno alle stelle, anziché fluttuare nello spazio da soli. Hanno dovuto affrontare alcune sfide:

  • Il design di WFIRST è cambiato nel tempo, quindi dovevano prendere in considerazione configurazioni passate multiple.
  • La soglia di sensibilità per un rilevamento non è completamente concordata, anche per altri sondaggi di microlensing.
  • Le stelle binarie possono produrre molti falsi positivi, con un componente che imita un esopianeta.

Innanzitutto, Penny et al. ha usato un programma chiamato GULLS per simulare il cielo usando cataloghi di stelle sintetizzati e un modello della galassia, limitando attentamente le simulazioni ai campi di vista reali di WFIRST. Dovevano includere una vasta gamma di proprietà stellari e planetarie, cosa che hanno fatto assumendo determinate funzioni di massa - leggi che predicono la frequenza con cui un corpo di una determinata massa e proprietà corrispondenti appariranno in un set di dati. Da lì, hanno generato eventi di microlensing e hanno considerato quanti corrispondessero effettivamente alla soglia di rilevamento del telescopio, usando un parametro chiamato ∆χ², impostato su 160. Se una quantità statistica nota come χ² ("chi-quadrato") era superiore a 160 per un dato evento, ha contato come un rilevamento.

Le simulazioni hanno mostrato che WFIRST dovrebbe vedere un centinaio di esopianeti circa la massa della Terra o meno - in effetti, un totale di 200 in meno o uguale a 3 masse terrestri, in base all'attuale design ("Ciclo 7") WFIRST. In totale, il primo sondaggio di microlensing dovrebbe trovare 1400 esopianeti usando il metodo, molte volte il numero attuale scoperto attraverso il microlensing.

Figura 8, Penny et al. Ecco alcuni risultati della simulazione basati su diversi progetti WFIRST e funzioni di massa esopianeta. Il telescopio sembra ottimizzato per pianeti di masse tra la Terra e Urano, comprese le super-Terre, una classe ibrida di oggetti terrestri con spesse atmosfere gassose.

Nel complesso, le simulazioni mostrano una sensibilità molto maggiore agli esopianeti nell'intervallo 1-10 UA, con raggi orbitali simili a Terra e Marte. Dovremmo anche aspettarci di vedere un numero di pianeti di massa terrestre, che non sono mai stati osservati in questo intervallo orbitale. Ciò significa che WFIRST potrebbe essere in grado di mostrarci sistemi planetari come i nostri, cosa che Keplero e altri telescopi spaziali non possono. Il significativo di questo non può essere sottovalutato.

Figura 9, Penny et al. Questa è la trama che dovrebbe farti andare

Ora, per integrare le sue misurazioni di microlensing, WFIRST sarà anche in grado di rilevare esopianeti tramite imaging diretto. L'imaging diretto è una tecnica che scatta foto di un sistema stellare ma blocca la luce dalla stella, consentendo al telescopio di vedere oggetti più deboli nelle vicinanze. Mentre questo è più sensibile ai corpi più volte la massa di Giove, funziona bene per gli esopianeti che orbitano ancora più lontano dalle loro stelle. Tuttavia, come il microlensing, l'imaging diretto ha finora avuto scarso successo.

Usando l'imaging diretto, il coronagraph di WFIRST dovrebbe scoprire forse una dozzina di esopianeti tra 3 e 10 UA delle loro stelle ospiti. Fino ad oggi, l'imaging diretto con i telescopi sulla Terra non è stato in grado di trovare molti esopianeti in quell'intervallo - un'ulteriore ragione per cui WFIRST è pronta a spingere i confini dell'astronomia degli esopianeti.

Fare luce sull'oscurità

Nello stesso momento in cui l'esoplanetologia stava decollando, l'energia oscura balzò in prima linea nella cosmologia moderna. Alla fine degli anni '90, il team di ricerca Supernova High-Z e il progetto Cosmology Supernova misero in modo indipendente selezioni di supernovae di tipo Ia, esplodendo nane bianche in sistemi binari. La maggior parte di queste supernove dovrebbe avere la stessa luminosità, rendendole utili candele standard. Usando le supernovae di Tipo Ia per misurare le velocità recessive delle galassie, i gruppi hanno fornito prove evidenti che l'espansione dell'universo sta accelerando - un risultato vincitore del Premio Nobel.

Figure 4 e 5, Riess et al. 1998. Questi diagrammi tracciano i moduli di distanza delle supernovae di tipo Ia contro i loro spostamenti verso il rosso. La tendenza nei punti dati indica che l'universo si sta espandendo - e ad un ritmo accelerato.

Gli astronomi credono che l'energia oscura sia responsabile. Sappiamo che esiste ovunque e costituisce circa i due terzi dell'universo, ma nessuno sa cosa sia realmente. Un'importante proprietà dell'energia oscura è codificata nella sua equazione di stato, che descrive come la sua pressione e densità si relazionano l'una con l'altra. L'equazione implica una quantità chiave chiamata parametro di equazione di stato, w. Questo a sua volta può essere scomposto in un'espressione che coinvolge altre due quantità, w₀ e wₐ, che caratterizzano il valore corrente di w e la sua evoluzione nel tempo. Osservando le supernovae a diverse distanze, possiamo misurare entrambe le quantità.

Il team dietro WFIRST ha pianificato una missione di cinque anni per il telescopio, che include sei mesi di osservazioni di supernova usando lo strumento a campo largo. Si tratta di un tempo relativamente breve, quindi gli scienziati devono essere il più efficienti possibile. Un gruppo di astronomi (Hounsell et al.2018) hanno deciso di simulare 11 diverse tecniche di osservazione WFIRST per trovare la strategia ottimale.

Figura 4, Hounsell et al. 2018. Ecco una selezione di curve di luce supernova simulate viste attraverso una serie di filtri diversi. Si noti che le incertezze nelle misurazioni aumentano in modo sostanziale con alti redshift.

Dovrei chiarire cosa intendiamo per "strategia". Nel modo in cui viene utilizzato qui, il termine si riferisce a una raccolta di filtri, uno strumento (l'imager di Wide Field Camera o lo spettrografo IFC-S) e le aree del cielo da esaminare. Le 11 diverse strategie simulate dal team hanno utilizzato diverse combinazioni di quanto sopra. Ad esempio, la strategia di imaging: Lowz utilizza solo i filtri WFC e Y + J e J + H.

Le simulazioni hanno coinvolto un pacchetto software chiamato SNANA, che ha analizzato le prestazioni di ciascuna strategia, nonché il modello spettrale SALT2, che è stato utilizzato per generare popolazioni di supernovae di tipo Ia e le loro curve di luce. Sono stati utilizzati numerosi altri strumenti per aggiungere altri ingredienti, come i parametri cosmologici. Invece di caratterizzare il successo di ogni indagine per il numero di supernovae scoperte, il team ha utilizzato una quantità chiamata figura di merito (FoM). Più alto è il FoM, più efficiente e precisa è la strategia.

Alla fine, gli astronomi hanno scelto quattro strategie con i FoM più alti: SDT *, SDT * Highz, Imaging: Allz e Imaging: Highz *. Le prime due sono modifiche della strategia originale suggerita dal team di definizione scientifica WFIRST e utilizzano sia l'IFC-S che la WFC, mentre le ultime due sono strategie di sola immagine e usano semplicemente la fotocamera a campo largo. Tutti dovrebbero avere valori FoM - ottimisticamente - tra 338 e 369, implicando deviazioni standard sulle misure di w₀ e wₐ di circa 0,035 e 0,17. Rispetto alle attuali misurazioni e incertezze di w₀ e wₐ (−0,91 ± 0,10 e −0,39 ± 0,34), si tratta di miglioramenti sostanziali.

Figura 13, Hounsell et al. 2018. Gli intervalli di confidenza per le quattro strategie selezionate sono molto migliori degli intervalli di confidenza prodotti da altri metodi (come lo studio delle oscillazioni acustiche barioniche nel fondo cosmico a microonde) o persino dalla strategia originale proposta dal team WFIRST.

Indipendentemente dalla particolare strategia di osservazione utilizzata, ci aspettiamo di vedere alcuni buoni risultati dal WFIRST sul fronte dell'energia oscura - molto meglio di quanto si possa trovare con altri metodi. Se il team WFIRST decide di prendere le simulazioni da Hounsell et al. in considerazione, tuttavia, avremo vincoli ancora migliori - e questo è solo attraverso le osservazioni della supernova! WFIRST ha anche il potenziale di porre ulteriori vincoli su questi parametri osservando come le galassie si allineano nel cielo, aiutandoci a capire la distribuzione della massa nell'universo e quindi come l'energia oscura modella il cosmo.

Perché il WFIRST è il telescopio per fare questo?

Torniamo al punto di partenza e poniamo una domanda chiave: se avremo il James Webb Space Telescope (JWST) pronto per il lancio tra qualche anno, perché abbiamo bisogno di realizzare un altro progetto costoso allo stesso tempo? Perché JWST non può anche eseguire misurazioni di microlensing o osservare supernovae lontane per aiutarci a capire la natura dell'energia oscura? Dopotutto, è considerato il successore del telescopio spaziale Hubble, un pilastro di osservazioni spaziali per quasi tre decenni.

Bene, WFIRST è stato specificamente progettato per i due compiti principali che ho descritto sopra: microlensing e osservazioni di supernova di tipo Ia. Come lo stesso Penny ha affermato, un vantaggio che ha rispetto a JWST - o qualsiasi altro telescopio spaziale fino ad oggi - è che ha sia un'alta risoluzione che un ampio campo visivo. Non sappiamo quando potrebbe verificarsi un evento di microlensing, quindi dobbiamo guardare porzioni più grandi di cielo. Avere un ampio campo visivo, pur essendo in grado di raccogliere dati di alta qualità, distingue WFIRST. La stessa logica vale quando si tratta di ricerca sull'energia oscura. JWST sarà in grado di visualizzare supernove più deboli e più distanti di WFIRST, in parte perché è sensibile alle lunghezze d'onda della luce più lunghe, ma il vasto campo visivo di WFIRST lo rende uno strumento molto migliore per studiare la popolazione di supernova nel suo insieme.

Impressione dell'artista del James Webb Space Telescope. JWST potrebbe essere uno degli strumenti più interessanti in arrivo nei prossimi anni, ma lo è anche WFIRST - ei due sono telescopi molto diversi. Credito d'immagine: NASA

Non dimentichiamo inoltre il vecchio adagio secondo cui due telescopi sono meglio di uno. Ricorda perché lo studio di strategia sulle supernova era importante in primo luogo: il tempo che WFIRST può dedicare ad esso è estremamente limitato, forse solo sei mesi! Il telescopio spaziale James Webb, con le sue capacità di prossima generazione per lo studio delle atmosfere e delle protogalassie degli esopianeti, sarà estremamente impegnato in quanto senza affrontare i problemi monumentali che WFIRST mira a far luce.

Le previsioni che ho spiegato qui - che WFIRST può scoprire 1400 esopianeti attraverso il microlensing gravitazionale e fornire limiti stretti sulle caratteristiche dell'energia oscura - non sono mie. Sono il risultato di accurate simulazioni da parte di astronomi che conoscono intimamente il telescopio. Quindi quando senti la passione appassionata di uno scienziato del perché dobbiamo mantenere in vita questo telescopio, beh, sai perché sono così investiti in esso.

Gli anni '20 saranno un altro entusiasmante decennio per l'astronomia. Ci vediamo lì.