Telescópio Espacial
Organização | Goddard ( NASA ) |
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Construtor | Ball Aerospace , Harris |
Programa | ExEP |
Campo | Energia escura , exoplanetas |
Status | Em desenvolvimento |
Outros nomes | WFIRST |
Lançar | Por volta de 2025 |
Lançador | Falcon Heavy / New Glenn ou equivalente |
Duração | 5 anos (missão primária) |
Local | [1] |
Missa no lançamento | Cerca de 5 toneladas |
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Controle de atitude | 3 eixos estabilizados |
Fonte de energia | Painéis solares |
Órbita | Órbita quase halo |
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Periapsis | 188.400 km |
Apoapsis | 807.000 km |
Localização | Ponto Lagrange L2 do sistema Terra-Sol |
Período | 6 meses |
Modelo | Sistema anastigmático de três espelhos |
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Diâmetro | 2,36 m |
Focal | 8,90 m |
Comprimento de onda | Visível e infravermelho próximo (0,48-2 mícrons) |
WFI | Espectroscópio de imagem |
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CGI | Coronógrafo |
O telescópio espacial Nancy Grace-Roman (em inglês Nancy Grace Roman Space Telescope ) ou telescópio espacial mais curto Roman ( Roman Space Telescope ), anteriormente chamado de Wide Field Infrared Survey Telescope ( WFIRST ) é um telescópio espacial infravermelho desenvolvido pela ' agência espacial dos EUA , a NASA .
O desenvolvimento do WFIRST pela agência espacial teve origem no relatório de 10 anos de 2020 do Conselho Nacional de Pesquisa dos Estados Unidos, que dá a mais alta prioridade à realização de um observatório espacial para estudar a energia escura . Essa forma de energia, cuja existência foi descoberta indiretamente em 1998, é um dos principais componentes do Universo, mas sua natureza é objeto de especulação. O WFIRST também visa realizar um censo estatístico (massa e distância de sua estrela) de exoplanetas localizados no bulbo galáctico pela observação de microlentes gravitacionais e identificar e caracterizar aqueles localizados próximos ao sistema solar com o auxílio de um coronógrafo . O terceiro objetivo é mapear todo o céu no infravermelho . O telescópio espacial WFIRST tem um espelho primário de 2,4 metros doado pelo NRO e está equipado com dois instrumentos: um imageador / espectrógrafo e um coronógrafo . As observações são feitas na luz visível e no infravermelho próximo (0,48 a 2 mícrons ). Para cumprir seus objetivos, o telescópio espacial tem uma distância focal curta com um amplo campo de visão. Seus instrumentos permitem produzir imagens com a qualidade do telescópio Hubble, cobrindo aproximadamente 100 vezes a área (0,281 graus quadrados). O coronógrafo experimental combina várias técnicas que permitem mascarar uma estrela que é 100 milhões de vezes mais brilhante do que os planetas que giram em torno dela.
O WFIRST, cujo custo é limitado a US $ 3,2 bilhões, entrou em uma fase de desenvolvimento ativo em fevereiro de 2016 e o projeto continua, apesar de duas tentativas de cancelar o presidente Donald Trump em 2018 e 2019 sob o pretexto de estouros. Orçamento da NASA no campo da astronomia. O telescópio espacial será lançado por volta de 2025 e colocado em órbita ao redor do ponto Lagrange L2 do sistema Terra-Sol. A sua missão principal dura 5 anos e transporta consumíveis ( propelentes ) garantindo o seu funcionamento durante 10 anos.
O WFIRST resulta da convergência de vários projectos de observatórios espaciais cujos objectivos eram o estudo da energia escura , a detecção de exoplanetas pela observação de microlentes gravitacionais e o mapeamento do céu no infravermelho . Em 2000, o projeto do telescópio espacial GEST ( Galactic Exoplanet Survey Telescope ), cujo objetivo é o uso de microlentes gravitacionais e o estudo da energia escura, foi proposto à NASA, mas não foi mantido. Este projeto é modificado durante a década seguinte e torna-se MPF ( Microlensing Planet Finder ) que é proposto no momento da preparação do relatório decenal de 2010 que estabelece as prioridades no campo da astronomia e astrofísica para a década seguinte.
Pouco depois de descobrir a energia escura em 1998 , Saul Perlmutter ( Prêmio Nobel de 2011 por essa conquista), propôs com Michael Levi o desenvolvimento do observatório espacial SNAP ( Supernova Acceleration Probe ). O estudo desta missão é realizado no Departamento de Energia . Sua fusão com um estudo semelhante realizado dentro da NASA leva ao projeto JDEM ( Joint Dark Energy Mission ), que é liderado por Neil Gehrels do Goddard Space Flight Center . A descoberta de energia escura leva a várias propostas para observatórios espaciais dentro de centros de pesquisa americanos: ADEPT ( Advanced Dark Energy Physics Telescope ) é proposto por uma equipe da Universidade Johns-Hopkins . Pesquisadores do National Optical Astronomy Observatory propõem Destiny ( Dark Energy Space Telescope ). JEDI ( Joint Efficient Dark Energy Investigation ) é proposto por um pesquisador da Universidade de Oklahoma . A NASA e a Agência Espacial Européia (ESA) estão considerando brevemente a fusão de seus projetos JDEM e Euclid (para a ESA) no IDECS ( International Dark Energy Cosmology Surveyor ). Essa fusão não deu certo, mas as duas agências decidiram cooperar em seus respectivos projetos. O mapeamento do céu infravermelho , terceiro objetivo do WFIRST, é o tema do projeto NIRSS ( Near Infrared Sky Surveyor ), proposto por Daniel Stern do Jet Propulsion Laboratory .
As prioridades no campo da astronomia e astrofísica são definidas a cada dez anos em um relatório publicado pelo Conselho Nacional de Pesquisa dos Estados Unidos e escrito pela comunidade científica. O relatório publicado em 2010 e denominado New Worlds, New Horizons define as prioridades para a década 2015-2025. Ele recomenda a fusão dos objetivos dos projetos NIRSS, MPF e JDEM dentro do WFIRST ( Wide Field Infrared Survey Telescope ), que recebe a maior prioridade. O WFIRST visa estudar a natureza da energia escura usando três técnicas em paralelo: medir as oscilações acústicas dos bárions , medir distâncias de supernovas e estudar lentes gravitacionais fracas . O objetivo é determinar o impacto da energia escura na evolução do Universo. Outro objetivo do WFIRST é o estudo de exoplanetas no bulbo central de nossa galáxia através da observação de lentes gravitacionais. Para cumprir esses objetivos, o telescópio previsto terá um espelho primário de 1,5 metros de diâmetro com um campo de visão estendido. Ele pode observar próximo ao infravermelho e tem capacidade de espectroscopia com baixa resolução. O custo do projeto é estimado em US $ 1,6 bilhão e a data de lançamento projetada é 2020. Uma fase de estudo liderada por seis pessoas começa dentro da NASA. O projeto faz parte do programa Exoplanet Exploration (ExEP), que também inclui o telescópio espacial Kepler e o interferômetro LBTI do Large Binocular Telescope .
O projeto inicial do WFIRST é baseado no uso de ótica com um espelho primário de 1,1 a 1,5 metros de diâmetro. Mas em junho de 2012 o American National Reconnaissance Office (NRO) vendeu para a NASA, sem compensação financeira, dois telescópios ópticos no valor unitário de US $ 250 milhões. Estes foram fabricados pela ITT / Exelis para o projeto do satélite de reconhecimento óptico FIA interrompido em desenvolvimento. A ótica, do satélite FIA-Optical, que inclui um espelho primário de 2,4 metros de diâmetro, é projetada para fornecer imagens cobrindo grandes áreas de forma a complementar as imagens muito mais detalhadas produzidas pela família de satélites de reconhecimento do NRO KH- 11 Kennen e Crystal em operação desde 1976. Apenas a parte óptica é vendida pelo NRO. A instrumentação científica, bem como o ônibus (módulo de serviço), ainda serão projetados e fabricados pela NASA.
A NASA decide adaptar seu projeto WFIRST, temporariamente renomeado WFIRST-AFTA ( Astrophysics Focused Telescope Assets ), para utilizar um dos dois conjuntos óticos (o segundo sistema ótico por falta de meios financeiros não será utilizado pelo espaço agência). Essa nova configuração deve permitir reduzir o custo estimado na época para US $ 1,7 bilhão, ao mesmo tempo em que melhora o desempenho de um telescópio espacial. Um estudo arquitetônico detalhado incorporando este novo elemento foi publicado em maio de 2013. Ele confirma o interesse dessas modificações e a agência espacial americana decide adotar a ótica cedida pelo NRO. Mas usar o novo espelho na verdade aumenta consideravelmente o custo do projeto. Além disso, as ópticas cedidas não são otimizadas para observação infravermelha, embora essa radiação seja essencial para o estudo de galáxias distantes e, portanto, da energia escura. O telescópio espacial deveria ter apenas uma câmera equipada para espectroscopia. Para compensar a redução no desempenho no infravermelho, a NASA decide adicionar um coronógrafo que deve permitir o estudo de exoplanetas. Inicialmente, o telescópio espacial é projetado para ser colocado em uma órbita geossíncrona com uma inclinação orbital de 28,5 °. Comparada a uma órbita ao redor do ponto Lagrange L2, a órbita geossíncrona tem várias vantagens. A principal delas diz respeito ao volume de dados transferidos, um fator muito importante para o WFIRST: em uma órbita geossíncrona, o telescópio espacial sempre voa sobre a mesma região da Terra, o que permite que os dados sejam transferidos continuamente. Em torno do ponto L2 de Lagrange, a transferência deve ser realizada durante turnos limitando o volume e exigindo o transporte de uma memória de massa de capacidade muito grande. A principal vantagem da órbita em torno do ponto Lagrange L2 é a eliminação das restrições de observação ligadas à proximidade da Terra e da Lua. O estudo de 2015 não apresenta nenhuma recomendação, mas, posteriormente, a órbita geossíncrona é abandonada.
Característica | IDRM | AFTA |
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Óptico | Espelho ∅ 1,3 m fora do eixo | Espelho ∅ 2,4 m no eixo |
Instrumentos | WFI imager com prisma 2 espectrógrafos |
WFI com Grism Espectrógrafo de campo completo Coronograph |
Espectro observado | 0,6-2,0 microns | |
Campo de visão | 0,291 grau² | 0,281 grau² |
Resolução espacial | 0,18 segundo de arco | 0,11 segundo de arco |
imagem pixels | 120 milhões | 300 milhões |
Órbita | Lagrange ponto L2 | Órbita geoestacionária |
A NASA está dando continuidade à fase de estudos em 2014. No orçamento proposto para 2015, dispõe dos recursos necessários para dar continuidade ao desenho do coronógrafo e dos detectores dos instrumentos, mas que, no entanto, não permite o lançamento da construção do telescópio espacial. Dada a extensão da fase de projeto e fabricação, não se espera que o telescópio seja colocado em órbita antes de meados da década de 2020 (avaliação de 2014). O projeto entra oficialmente em uma fase de desenvolvimento em 18 de fevereiro de 2016.
O desenvolvimento do coronógrafo muito sofisticado, que requer uma fase de desenvolvimento complexa, as adaptações necessárias da ótica e certas opções retidas pela equipe da NASA durante o estudo - telescópio projetado para manutenção contínua, possibilidade de associar um coronógrafo externo ( starshade ) escolha híbrida (interna / externa) de fornecedores, seleção de dois centros de processamento de dados, etc. - o risco de derrapagem aumentou muito. De acordo com um relatório de avaliação externa realizado em outubro de 2017, que destaca esses desvios do projeto, o custo do projeto agora é de US $ 3,9 bilhões, ou seja, quase o dobro do envelope de US $ 1,6 bilhão definido em 2010. Além disso, este o custo não inclui a margem de risco de US $ 300 milhões que um projeto desse porte deveria incorporar. No entanto, esse custo adicional é atribuído à soma de US $ 1,1 bilhão a causas normais (incluindo US $ 0,7 bilhão para inflação, US $ 0,3 bilhão para adaptação do projeto ao espelho de 2,4 m) e US $ 0,1 bilhão ) Funcionários da NASA estão decidindo sobre várias medidas para reduzir custos e riscos. A principal delas consiste em fazer do coronógrafo um simples demonstrador tecnológico, o CDTI ( Coronograph Technology Demonstration Instrument ). Um teto de US $ 3,2 bilhões é estabelecido para o custo total do projeto. Com base nas decisões tomadas, os funcionários da NASA decidiram em abril de 2018 que o projeto pode entrar na fase B (desenho preliminar).
Os recorrentes estouros no orçamento do observatório espacial infravermelho JWST , em desenvolvimento, reduziram severamente os recursos financeiros da divisão de astrofísica da NASA. Baseando-se neste pano de fundo, na derrapagem orçamentária do WFIRST e argumentando que há prioridades mais altas para a agência espacial, o presidente Donald Trump está tentando parar o projeto duas vezes. Uma primeira tentativa ocorre no âmbito da definição do orçamento para 2019 da agência espacial (votado em março de 2018) e uma segunda durante a definição do orçamento para 2020 (votado em março de 2019). A proposta de cancelamento desperta uma reação vigorosa da comunidade científica que nos lembra que o projeto está definido como uma prioridade para a próxima década. Em ambos os casos, o Congresso americano vota os fundos que permitem a continuação do projeto.
O projeto é gerenciado pelo Goddard Space Flight Center , uma instalação da NASA responsável por observatórios espaciais. Ele é auxiliado pelo Laboratório de Propulsão a Jato . Em janeiro de 2018, foi assinado um contrato de US $ 23 milhões pela NASA com a empresa Teledyne para o fornecimento de 72 detectores infravermelhos que vão analisar a luz coletada pelo instrumento WFI. Em maio de 2018, a NASA confiou à Ball Aerospace o desenvolvimento, teste e suporte operacional da parte opto-mecânica do instrumento WFI por um valor de US $ 113,2 milhões. No início de 2019, o projeto tem uma margem de 9 meses sobre sua meta de lançamento de 2025. Em 28 de agosto de 2019, o projeto passou com sucesso na fase de revisão do projeto preliminar, apesar de duas tentativas de cancelar o projeto.
Em 2020, o telescópio espacial leva o nome da astrofísica americana Nancy Grace Roman , responsável pelo desenvolvimento dos primeiros telescópios espaciais da NASA e que desempenhou um papel fundamental no lançamento do projeto Telescópio Espacial Hubble , mobilizando a comunidade astronômica.
Os objetivos da missão WFIRST são os seguintes:
O tamanho do universo está se expandindo, mas devido às forças da gravidade, a taxa de sua expansão deve diminuir, mas não é isso que se observa. Esse fenômeno descoberto no início da década de 1990 e que aparentemente se opõe à desaceleração, foi apelidado de energia escura . A energia escura constitui três quartos da massa / energia do universo. Quando o projeto foi lançado em 2014, como em 2019, a sua natureza continuou a ser um dos principais enigmas no campo da cosmologia. O principal objetivo do WFIRST é tentar responder às principais questões levantadas pela energia escura: ela varia ao longo do tempo? requer uma modificação da teoria geral da relatividade de Einstein ou é de fato um novo tipo de energia? Para responder a isso, o telescópio espacial usará três técnicas para determinar a taxa de expansão do universo através das idades e a taxa de aumento de grandes estruturas (galáxias, grupos de galáxias). Esses métodos são:
Dois métodos diferentes são usados para detectar e caracterizar exoplanetas localizados nas proximidades do sistema solar:
Diagrama 2 : Planetas detectáveis usando o método de microlentes gravitacionais de acordo com sua distância média da estrela-mãe (1 unidade astronômica = distância Terra-Sol) e sua massa (em múltiplos da Terra). O domínio observável pelo WFIRST (em azul) completa aquele observável pelo Kepler (em vermelho). O número e a distribuição dos planetas observáveis mostrados no diagrama foram determinados por meio das observações de Kepler e dos resultados da modelagem.
Figura 3 : Planetas detectáveis pelo coronógrafo WFIRST em um raio de 30 parsecs . No eixo x a distância aparente entre o planeta e sua estrela em arco segundo , no eixo y a relação de luminosidade entre o planeta e sua estrela. Os planetas representados no diagrama (tamanho, luminosidade // relação estrela, distância // estrela) são o resultado de uma simulação realizada em uma esfera de 30 parsecs ao redor do sistema solar. As linhas contínuas no canto superior direito delimitam os planetas observáveis levando em consideração os desempenhos para os quais o coronógrafo foi validado, as linhas pontilhadas delimitam os planetas detectáveis se o coronógrafo atingir os desempenhos esperados.
O WFIRST deve permitir a realização de um estudo sistemático e detalhado (imagens e espectro eletromagnético) de fontes próximas ao infravermelho localizadas na Via Láctea, bem como de objetos celestes presentes no início do universo. Este objetivo deve ser alcançado explorando as observações feitas para cumprir os dois primeiros objetivos, complementados por programas de estudos dedicados a esta temática.
A observação de fontes de luz de baixa intensidade (especialmente no espaço profundo ) requer tirar fotos com exposições muito longas que requerem monopolizar o uso de um telescópio por longos períodos. O desempenho do WFIRST é muito melhor do que o Hubble, que, no entanto, tem se destacado com os melhores resultados produzidos neste campo. A duração das campanhas de observação conduzidas pelo Hubble, como COSMOS (2007), CANDELS-Wide (2011), 3-D HST (2016), FIGS (2017) e PHAT (2012), teria sido dividido por um fator entre 125 e 1475 se tivessem sido realizados com o WFIRST dando os mesmos objetivos de sensibilidade. As campanhas de observação do WFIRST devem, portanto, fornecer de 100 a 1000 vezes mais informações do que as do Hubble.
As características do projeto evoluíram consideravelmente durante a fase de estudos. As características fornecidas aqui correspondem em alguns casos à versão AFTA incorporando o espelho de 2,4 metros de diâmetro descrito no relatório publicado em março de 2015. O WFIRST tem uma massa estimada de 5,1 toneladas, incluindo 1,8 toneladas para o telescópio e 800 kg de instrumentação. A propulsão é fornecida por 8 motores de foguete com propelentes líquidos de 22 newtons de empuxo alimentados com hidrazina por simples relaxamento. O WFIRST carrega um pouco mais de 100 kg de propelentes . É estabilizado em 3 eixos e utiliza rodas de reação para controlar sua orientação que deve permitir uma precisão de apontamento de 3 segundos de arco . Uma das principais características do telescópio espacial é o volume de dados gerado pelas observações: 11 terabits de dados são gerados diariamente pelos instrumentos. Eles são transmitidos às estações terrenas da banda Ka por meio de uma antena parabólica com uma taxa de 290 megabits / segundo.
As ópticas do WFIRST são do tipo anastigmático com três espelhos . Ele usa um espelho primário de 2,36 m de diâmetro cuja fabricação foi concluída em 2014. Semelhante em tamanho ao do telescópio espacial Hubble, pesa apenas um quinto de seu peso porque a tecnologia avançou muito nesta área. Sua sensibilidade e resolução espacial são semelhantes às do Hubble, mas seu campo de visão é 100 vezes maior. O campo de visão efetivo é de 0,281 graus² (com a lacuna central de 0,32 graus²). A distância focal de toda a óptica é 7,9. A radiação observada inclui luz visível e infravermelho próximo (0,45 a 2 mícrons). Um mecanismo permite modificar a posição do espelho secundário com 6 graus de liberdade para ajustar o seu alinhamento em órbita e obter uma focagem precisa.
A radiação de luz recolhida pelo telescópio é analisada por um WFI ( campo largo Instrumento ) de campo amplo gerador de imagens / espectroscópio e um CGI ( Coronagraph Instrumento ) coronograph .
O WFI ( Wide Field Instrument ) é um espectrógrafo de imagem que inclui:
O coronógrafo CGI Coronagraph Instrument ) é o primeiro instrumento desse tipo a usar máscaras otimizadas por meio de técnicas digitais. O instrumento, que é desenvolvido sob a supervisão do Laboratório de Propulsão a Jato , possui três modos de observação:
Os detectores coronográficos são projetados para permitir o uso de um coronógrafo externo ( starshade ) como o que seria usado pelo futuro telescópio HabEx (projeto em avaliação).
O WFIRST deve ser colocado em órbita por um lançador da classe Falcon Heavy ou New Glenn decolando da plataforma de lançamento do Cabo Canaveral . A missão principal está prevista para durar 5 anos. O telescópio carrega consumíveis ( propelentes ) garantindo seu funcionamento por 10 anos. O WFIRST deve ser colocado em uma órbita quase halo em torno do ponto Lagrange L2 do sistema Terra-Sol. Os diversos equipamentos do telescópio espacial são projetados de forma a permitir sua manutenção por uma missão espacial robótica durante sua vida útil.
Para tanto proteger a ótica da radiação solar, manter sua temperatura abaixo do valor necessário para a observação da radiação infravermelha e permitir que os painéis solares forneçam energia suficiente, o telescópio é apontado em uma direção fazendo um ângulo compreendido entre 54 ° e 126 ° com em relação à direção do Sol (= 0 °) e o movimento de rotação do WFIRST é limitado a mais ou menos 15 °. A orientação do telescópio na terceira direção é totalmente livre.
O programa de observação durante a missão principal de 5 anos está resumido na seguinte tabela:
Microlentes gravitacionais |
Imaging | Espectrografia | Observação de supernovas | |
---|---|---|---|---|
Banda espectral | Z , W | Y , J , H , F184 | 1,35 - 1,95 µm (R = 461 λ) | Grande: Y , J médio: J , H profundo: J , H |
Parte do céu observada ( grau quadrado ) |
2,81 graus 2 | 2.000 graus 2 | 2.000 graus 2 | Grande: 27,44 graus 2 médio: 8,96 graus 2 de profundidade: 5,04 graus 2 |
Magnitude máxima observável | - |
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 médio: J = 27,6, H = 28,1 profundo: J = 29,4, H = 29,4 |
Duração das observações | 6 × 72 dias | 1,3 anos | 0,6 anos | 0,5 anos (com intervalo de 2 anos) |
Freqüência de revisita |
W : a cada 15 minutos Z : a cada 12 horas |
- | - | a cada 5 dias |
|
Durante a missão principal, aproximadamente 25% do tempo de observação será reservado para propostas de cientistas externos ao projeto. Estes serão selecionados por um comitê científico. Além da missão principal, todo o tempo de observação será disponibilizado.
O equipamento de solo usado durante a missão WFIRST inclui duas estações terrenas - White Sands no hemisfério norte e uma estação designada no hemisfério sul - que são responsáveis pela coleta dos dados enviados diariamente pelo WFIRST. Esses dados são então processados e distribuídos por dois centros ligados à NASA: o STScI , conhecido principalmente por processar e distribuir dados do telescópio Hubble , e o IPAC, que é um centro especializado no processamento de dados fornecidos pelos telescópios que operam em o infravermelho .