Quale telescopio sarà necessario per vedere le prime stelle nell'universo? Il telescopio di grandi dimensioni
Le stelle più antiche dell'Universo sono avvolte nell'oscurità. Il loro redshift è così alto che possiamo solo chiederci di loro. Il James Webb Space Telescope sarà il nostro telescopio più efficace per osservare l'Universo primordiale e dovrebbe osservare fino a z = 15. Ma anche questo ha dei limiti.
Per osservare le primissime stelle dell'Universo, abbiamo bisogno di un telescopio più grande. Il telescopio di grandi dimensioni.
L'Ultimately Large Telescope (ULT) è solo un concetto a questo punto. Senza dubbio il Telescopio spaziale James Webb ci mostrerà molto sull'Universo primordiale, ma sappiamo tutti che vorremo un telescopio ancora più potente in futuro. È così che aumentiamo la nostra conoscenza.
Il desiderio di costruire l'ULT è guidato dalla nostra insaziabile curiosità. Vogliamo saperne di più sui primi giorni dell'Universo e sulle stelle che vi abitavano. In un articolo, un gruppo di scienziati delinea cosa sarà l'ULT, perché è necessario e come funzionerà.
Il titolo del nuovo documento è “ L'Ultimate Large Telescope: di che tipo di struttura abbiamo bisogno per rilevare le stelle di Popolazione III? L'autrice principale è Anna Schauer, affiliata di ricerca presso il Dipartimento di Astronomia dell'Università del Texas, ad Austin. Il documento è disponibile sul sito di prestampa arxiv.org.
Le stelle sono divise in tre popolazioni: popolazione 3, popolazione 2 e popolazione 1. Pop 3 le stelle sono le più antiche, le prime a formarsi, e consistevano solo di elementi del Big Bang: idrogeno, un po' di elio e minuscole quantità di litio e berillio. Perché sono le prime stelle, hanno un livello molto basso metallicita' . (In astrofisica, qualsiasi cosa più pesante dell'idrogeno e dell'elio è considerata un metallo.)
Un'illustrazione artistica delle prime stelle dell'Universo, chiamate Popolazione 3 stelle. Le stelle del pop 3 sarebbero state molto più massicce della maggior parte delle stelle di oggi e avrebbero bruciato incandescente e blu. La loro vita sarebbe stata molto più breve delle stelle come il nostro Sole. Credito immagine: dominio pubblico, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1582286
Pop 2 stelle è venuto dopo. Quando le star del Pop 1 vivevano e morivano, fondevano elementi più pesanti e li diffondevano nell'Universo. Le stelle Pop 2 sono formate da una parte di quella materia, quindi hanno una metallicità maggiore rispetto alle stelle Pop 1.
Pop 1 stelle sono la “terza generazione” di stelle. Come stelle di terza generazione, hanno una metallicità ancora più elevata rispetto alle stelle Pop 2. Ogni generazione di stelle crea più metalli che verranno assorbiti dalla generazione successiva.
Il nostro sole è una stella pop. Ha un alto contenuto di metallo per una stella, circa l'1,4%. Quindi, anche se gli astronomi parlano di elevata metallicità nelle stelle, la massa schiacciante di una stella è ancora idrogeno.
Le star del pop 3 nascondono molti segreti sull'Universo primordiale e gli astronomi vogliono accedere a questi segreti.
I telescopi a infrarossi hanno il potere di vedere nel lontano passato. Il James Webb osserva nel vicino infrarosso (NIR) per vedere la luce spostata verso il rosso dalle prime galassie. Ma non può rompere la barriera per vedere ancora più indietro, quando non c'erano galassie, solo stelle.
Il James Webb Space Telescope all'interno di una camera bianca presso il Johnson Space Center della NASA a Houston. Credito: NASA/JSC
Per farlo, abbiamo bisogno dell'ULT.
Poiché le prime stelle non avevano quasi metalli, si sono formate e si sono evolute in modo diverso. I ricercatori pensano che fossero più massicci delle popolazioni successive, centinaia di volte più massicci del Sole in effetti. Hanno anche bruciato rapidamente il loro carburante e hanno vissuto vite più brevi.
Gli scienziati teorizzano anche che la maggior parte di queste stelle Pop 3 sia esplosa come supernove ad instabilità di coppia. In questa terminologia, 'coppia' non significa coppia binaria. Descrive la produzione di coppie di elettroni e positroni nella stella, che porta al collasso della stella, quindi all'esplosione termonucleare incontrollata della stella quando diventa supernova.
Ma gran parte di questa è teoria, basata sulle nostre osservazioni e sulla comprensione delle altre popolazioni di stelle. Nessuno ha mai visto una star di Pop 3. Quindi, l'ULT.
L'ULT deve essere abbastanza potente da trovare i 'mini aloni' in cui si sono formate le stelle Pop 3. La teoria attuale dice che le grandi galassie si formano ed esistono all'interno aloni di materia oscura . La teoria prevede che anche le stelle Pop 3 dell'Universo si siano formate in aloni, sebbene molto più piccoli. Trovare le prime stelle significa trovare i loro aloni.
Affrontando i limiti del JWST per trovare questi aloni, gli autori hanno scritto 'Tuttavia, anche con questa nuova struttura, le prime stelle rimarranno fuori portata, poiché nascono in piccoli mini aloni con luminosità troppo deboli per essere rilevate anche dal tempi di esposizione più lunghi.”
Questo ci porta all'ULT stesso. L'ULT dovrebbe avere uno specchio da 100 metri. È assolutamente enorme, considerando che il più grande telescopio ottico in costruzione ora, il Telescopio europeo estremamente grande (EELT)—avrà uno specchio di 39,3 metri composto da 798 segmenti separati. L'EELT sta già spingendo i limiti della nostra ingegneria, quindi uno specchio di 100 metri potrebbe essere fuori dalla portata delle nostre tecnologie di ingegneria ancora per un po'. Nel loro articolo, gli autori scrivono che 'Mentre 100 m sono evidentemente impegnativi, sono nel regno delle possibilità per la tecnologia della metà del secolo'.
Ma le dimensioni potrebbero non essere la cosa più interessante di questo potenziale telescopio. Secondo gli autori, questa mostruosità dovrebbe essere costruita sulla Luna.
Un nuovo mosaico interattivo del Lunar Reconnaissance Orbiter della NASA copre il polo nord della luna da 60 a 90 gradi di latitudine nord con una risoluzione di 6-1/2 piedi (2 metri) per pixel. Clicca per visitare. Credito immagine: NASA/GSFC/Arizona State University
La Luna è l'unica posizione veramente fattibile per l'ULT. Non c'è modo che possa essere lanciato nello spazio e parcheggiato in un'orbita di alone LaGrangian come il JWST. E non può essere costruito sulla Terra, dove l'atmosfera interromperebbe le sue osservazioni.
riferimento pensiero precedente in un Moonscope, gli autori dicono che l'ULT sarebbe meglio essere costruito all'interno di un cratere lunare, dove c'è un'ombra permanente. Anche allora, avrebbe comunque bisogno di essere raffreddato criogenicamente. L'ULT sarebbe al polo lunare, puntando sempre allo zenit, e non avrebbe una montatura articolata. Mentre in precedenza si pensava a un Moonscope si parlava di a specchio liquido , il nuovo documento non ne fa menzione.
La sua area di destinazione sarebbe limitata dalla precessione della Luna e le esposizioni potrebbero richiedere fino a diversi giorni. L'aggiunta di un qualche tipo di dispositivo di tracciamento come una piattaforma mobile di messa a fuoco primaria potrebbe allungare il tempo di esposizione.
La Luna potrebbe essere il luogo perfetto per alcuni tipi di telescopi. Immagine di credito: NASA Goddard Space Flight Center.
Non c'è ancora alcun piano per costruire questo telescopio, quindi il documento non entra in grandi dettagli tecnici. In effetti, il documento stesso è più interessato a ciò per cui gli astronomi lo useranno e ai modelli su come usarlo.
Ma se mai verrà costruito, e scommettiamo che lo farà, a un certo punto, probabilmente non sarà solo sulla Luna. In effetti, la Luna sembra un luogo ideale per alcuni tipi di telescopi, in particolare i radiotelescopi.
La NASA ha recentemente annunciato il finanziamento per uno studio su un radiotelescopio sul lato opposto della Luna. Si chiama provvisoriamente il Radiotelescopio del cratere lunare (LCRT.) Come dice il nome, sarebbe costruito all'interno della forma naturalmente concava di un cratere adatto.
Un'illustrazione del radiotelescopio concettuale del cratere lunare. Credito immagine: Saptarshi Bandyopadhyay
L'idea dei telescopi lunari risale all'era Apollo. Durante quel periodo, uno scienziato del progetto Apollo di nome Richard Vondrak immaginò di costruire radiotelescopi all'interno dei crateri lunari.
Un'illustrazione di tre radiotelescopi all'interno di crateri lunari. Credito immagine: NASA
Una delle missioni Apollo ha effettivamente posizionato un telescopio sulla Luna. Quando l'Apollo 16 atterrò sulla Luna il 21 aprile 1972, trasportava un telescopio ultravioletto che catturò 178 immagini dell'Universo.
L'astronauta dell'Apollo 16 John Young che salta in 'aria' e saluta. La telecamera/spettrografo lontano UV è dietro di lui, all'ombra del lander. Immagine di credito: dalla NASA Charles M. Duke Jr. - Grandi immagini nella descrizione della NASA, dominio pubblico, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6449804
La Cina ha anche portato i telescopi sulla Luna in tempi più recenti. Il lander Chang'e-3 ha portato un telescopio telecomandato sulla Luna nel 2013, e nel 2019, il loro lander Chang'e-4 ha portato un piccolo radiotelescopio sulla Luna.
Ma mentre questi piccoli telescopi sono interessanti e il telescopio Apollo 16 fa parte della storia dello spazio, a malapena appartengono alla stessa discussione dell'ULT.
Se l'ULT verrà mai costruito e se avrà uno specchio primario di 100 metri, potrebbe benissimo essere uno dei massimi risultati ingegneristici dell'umanità. E rendendo possibili le osservazioni delle prime stelle dell'Universo, potrebbe finalmente rispondere ad alcune delle domande che ostacolano la nostra comprensione dell'Universo.
Di più:
- Documento di ricerca: L'Ultimate Large Telescope: di che tipo di struttura abbiamo bisogno per rilevare le stelle di Popolazione III?
- Istituto KAVLI per la fisica delle particelle e la cosmologia: Stelle della Popolazione III: le pop star solitarie per eccellenza dell'Universo
- Universo oggi: Hubble sembrava il più lontano possibile nel tempo e ancora non riusciva a vedere la prima generazione di stelle nell'universo