¿Habría sido más barato y/o más rápido poner un telescopio espacial tipo James Webb en un globo en lugar de un cohete?

Acabo de notar los siguientes elementos:

El último dice:

Debido a que los instrumentos de infrarrojo lejano deben mantenerse muy fríos, muchas misiones llevan helio líquido para enfriarlos. En cambio, ASTHROS se basará en un enfriador criogénico, que utiliza electricidad (suministrada por los paneles solares de ASTHROS) para mantener los detectores superconductores cerca de menos 451,3 grados Fahrenheit (menos 268,5 grados Celsius), un poco por encima del cero absoluto, la temperatura más fría que puede alcanzar la materia. El crioenfriador pesa mucho menos que el gran contenedor de helio líquido que ASTHROS necesitaría para mantener frío su instrumento durante toda la misión. Eso significa que la carga útil es considerablemente más ligera y la vida útil de la misión ya no está limitada por la cantidad de helio líquido que hay a bordo.

El equipo espera que el globo complete dos o tres vueltas alrededor del Polo Sur en aproximadamente 21 a 28 días, impulsado por los vientos estratosféricos predominantes. Una vez que se complete la misión científica, los operadores enviarán comandos de terminación de vuelo que separan la góndola, que está conectada a un paracaídas, del globo. El paracaídas devuelve la góndola al suelo para que el telescopio pueda recuperarse y reacondicionarse para volar nuevamente.

Pregunta: El JWST llega absurdamente tarde y por encima del presupuesto. Hipotéticamente, en retrospectiva , ¿habría sido una mejor idea poner un instrumento similar a JWST en un globo de manera similar a ASTHROS? Habría habido un gran ahorro en I+D porque cada mes se podría reparar el sistema, por lo que se podría ahorrar todo el trabajo, el tiempo, la masa y la energía que lo hacen digno de espacio y ultra confiable, y cada mes se podrían cambiar los instrumentos. , reparado, mejorado, etc. en lugar de que la instrumentación final se construya una vez y se envíe a Sol-Tierra L2 para siempre. Incluso el Hubble se benefició de varios intercambios de equipos.

Acabo de preguntar ¿Cómo se compara el telescopio estratosférico ASTHROS de la NASA con su telescopio espacial James Webb? en Astronomía SE. Además, este video está ligeramente relacionado y es divertido verlo: B-Line to Space: The Scientific Balloon Story
En este punto, cualquier cosa habría sido más rápida y económica, incluida la construcción de un segundo sistema solar para instalarlo.
¿Hasta dónde te gustaría ir? Un globo necesita atmósfera para empujarlo hacia arriba.
@ThorbjørnRavnAndersen bueno, este no necesitaba una atmósfera ;-) Gracias por explicarme cómo funcionan los globos. Si desea publicar una respuesta que aborde esto más a fondo, ¡no dude en hacerlo! este ya argumenta que las altitudes que ASTHROS podría alcanzar no son suficientes para el rango de longitud de onda y los requisitos de resolución de JWST, pero si puede agregar más información esclarecedora o adoptar un enfoque diferente, entonces una respuesta adicional sería genial, ¡gracias!
¿Cuánto puede durar de manera realista la vida útil de la misión de un globo? Probablemente no mucho tiempo.
@leftaroundabout si hubiera leído mi pregunta y/o los enlaces, notaría que es el hecho de que permanece activo durante aproximadamente un mes lo que proporciona algunas ventajas interesantes y ahorros en costos y tiempo de desarrollo. El desarrollo comenzó en 1996 para un lanzamiento que inicialmente estaba previsto para 2007. Así que ya hemos perdido 100.000 horas de tiempo de observación "haciéndolo de la manera correcta" ;-)
Esto parece ser un seguimiento propuesto por ASTHROS, utilizando cuatro globos; tenga en cuenta que prevén ~ un vuelo por paquete cada dos años.
@Andrew eso es excelente, ¡ gracias! Considere publicar una respuesta corta mencionando eso; a veces los comentarios se limpian especialmente en preguntas como esta.
@uhoh listo! con algunas notas sobre los aspectos prácticos de hacerlo desde el Polo :-)
@Andrew, sí, lo vi de inmediato, ¡gracias! Creo que estas son algunas cosas importantes a considerar cuidadosamente. Teniendo en cuenta que SpaceX está mejorando rápidamente en la captura de carenados en el mar y que el Ártico tendrá cada vez menos hielo, especialmente en el verano, es probable que no necesiten tierra para volar y recuperarse.
@uhoh, ¿cuál es tu pregunta real aquí? El JWT es enormemente más grande/más pesado como saben. ¿Estás buscando a alguien que haga el cálculo de qué tan grande sería el globo, o? Sistemas enormemente diferentes tienen costos enormemente diferentes. Además, son totalmente, completamente, diferentes longitudes de onda, etc.
@Fattie, mi pregunta en una sola oración es "¿Hubiera sido más barato y / o más rápido poner un telescopio espacial similar a James Webb en un globo en lugar de un cohete?" y en el cuerpo de la pregunta donde hay más espacio, justo después de la fuente en negrita Pregunta: Lo limito con más detalle. La respuesta es "Sí, lo habría hecho, pero solo en retrospectiva es 20:20", pero la gente tardará un tiempo en darse cuenta. El término operativo es similar a James Webb , que no es lo mismo que James Webb .
A esta altitud, la nave espacial está muy por encima de la mayoría de los efectos de la observación astronómica . Dado que el lanzamiento de JWST ahora está programado, tendrá 100,000 horas de retraso , se podría haber hecho mucha ciencia si se hubiera puesto algo en un globo. Si desea estar en desacuerdo o explicar más sobre las longitudes de onda, publíquelo como una respuesta donde se pueda analizar. ¡Gracias!
Los telescopios @uhoh (arecibo, keck, Gaia, ligo, alma) varían tan increíblemente en el paradigma en bruto que "me gusta" no tiene sentido.
Espera, seguramente esto debería estar en el sitio de Astronomía.
@Fattie, los aspectos de diseño de naves espaciales de JWST están 100% en el tema aquí, y cómo esos sistemas son similares a ASTHROS también lo es. Las preguntas sobre la óptica de los telescopios son tema aquí y tema en Astronomy SE. Lo sé porque he preguntado y respondido varias de esas, tanto aquí como allá.
@uhoh, creo que la experiencia SX tal vez no sea tan transferible: saben más o menos exactamente cuándo y dónde bajarán los carenados y pueden colocar el barco en el punto esperado. Con una carga útil de globo, no tanto: mire, por ejemplo, el problema que tuvo el proyecto SPIDER . Pero esto se está desviando un poco del tema :-)
@Andrew Formularé esto como una pregunta adecuada en aviación SE y luego te enviaré un ping aquí, ¡gracias!

Respuestas (7)

No, no lo creo. La razón por la que los telescopios espaciales funcionan bien es que no hay atmósfera que limite el rendimiento óptico del dispositivo. Un telescopio en un globo no está cerca de la atmósfera. Está por encima de gran parte del agua en la atmósfera, por lo que las cosas IR pueden ser mejores allí, pero todavía hay turbulencias por encima que limitarán su rendimiento.

Además, ASTHROS y JWST no son instrumentos comparables: ASTHROS funciona en frecuencias en el infrarrojo lejano, a menudo definidas como entre 25 m metro y 350 m metro , mientras que JWST trabaja en el infrarrojo visible y cercano, desde 0.6 m metro a 28 m metro . ASTHROS también es pequeño en comparación con JWST: su espejo es 2.5 metro (aproximadamente del tamaño del Hubble), mientras que el JWST es 6.5 metro . Si tomamos el extremo largo de la sensibilidad de longitud de onda de JWST, donde se superpone con ASTHROS, tendrá una resolución de aproximadamente 2.6 tiempos tan buenos. En el extremo corto de su rango de sensibilidad, su resolución será más de cien veces mejor. Y está en el espacio, por lo que es posible que pueda acercarse mucho a su límite teórico.

JWST puede llegar absurdamente tarde y absurdamente por encima del presupuesto, pero no creo que los telescopios colgados de globos compitan con lo que podrá hacer.

Sin embargo, hay una advertencia importante en esta respuesta: cada vez que alguien dice "obviamente tal y tal cosa no es posible", resulta que los astrónomos no solo han descubierto cómo hacerlo, sino que lo están haciendo y, de hecho, se han movido. a una idea que suena aún más absurda. Entonces, no sé, tal vez la gente incluso ahora está descubriendo cómo colgar un interferómetro óptico de varios globos. Los astrónomos hacen cosas asombrosas.

Siéntase libre de publicar una respuesta similar a ¿ Cómo se compara el telescopio estratosférico ASTHROS de la NASA con su telescopio espacial James Webb? en Astronomía SE. ¡Creo que ya has dado en el clavo con esto!
@uhoh: creo que sería mejor si lo hiciera una persona de astronomía adecuada (y espero que alguien lo haga como me gustaría saber). Mi respuesta está básicamente llena de lo que yo llamaría 'arrogancia del físico teórico' (hacer grandes afirmaciones basadas en argumentos de lápiz y papel) y no estoy seguro de que sea realmente correcta. (De hecho, mientras escribía este comentario lo atenué un poco para que suene menos arrogante).
para verificar, por "rendimiento óptico" ¿quiere decir que la altitud de trabajo de ASTHROS todavía habrá un problema con la visión astronómica o será un problema de opacidad para algunas longitudes de onda?
@uhoh: Creo que sobre todo la visión, pero probablemente algo de opacidad. Pero este es el centro del problema: no sé lo suficiente para estar seguro. Necesitamos astrónomos (razón por la cual su otra pregunta es buena).
ahora no puedo dejar de pensar en interferómetros transportados por globos :-) por cierto, según su advertencia; El telescopio de Wikipedia en globo enlaza con Sunrise , que tenía un "Sensor de frente de onda correlacionado" que se utiliza para la microdirección pero no para la corrección del frente de onda en sí .
Ver cualquiera de los siguientes (mismo artículo, tres fuentes): 1 , 2 , 3 página 69
También, y esto es realmente interesante, vea Telescopio de infrarrojos montado en globo para la fotometría superficial absoluta del cielo nocturno . El resumen dice: "Se utilizó un telescopio infrarrojo de 15 cm enfriado con hielo seco a bordo de la góndola de globo THISBE para la fotometría superficial absoluta de la Vía Láctea, la luz zodiacal y el resplandor del aire en la región de longitud de onda de PbS". ¡ Según la tabla 3-1 de este tutorial , se usa sulfuro de plomo (PbS) de 1 a 3,6 micrones!

Logísticamente hablando, podría ser más complejo de lo que parece. Lo que inicialmente me llamó la atención es que el lanzamiento del Polo Sur está planeado para diciembre de 2023. Diciembre significa verano: es probable que la ventana climática durante la cual es práctico volar esta misión sea bastante estrecha, solo unos pocos meses. Fuera de ese período, la recuperación se vuelve sustancialmente más difícil.

Esta propuesta (para una versión de cuatro telescopios de ASTHROS) propone volar cada paquete de telescopios una vez cada dos años, lo que sugiere un año para reacondicionamiento y mantenimiento entre temporadas de lanzamiento. Incluso si hizo esto, ¡definitivamente cambio de bolsillo según los estándares de JWST! - todavía estaría limitado por las temporadas de funcionamiento. Solo podría hacer observaciones durante unos pocos meses cada año, y solo de objetivos visibles desde el hemisferio sur en ese período.

Podría ser posible realizar vuelos alrededor del polo norte y del sur, lo que abriría algunos meses más, y también objetivos del hemisferio norte. Pero el Ártico tiene (¿creo?) patrones climáticos menos confiables y una mayor probabilidad de perder su paquete de instrumentos al dejarlo caer al océano.

Todavía terminaría con una misión que solo podría observar durante partes del año (sospecho que las condiciones climáticas alrededor de los equinoccios podrían descartar tanto el norte como el sur), y probablemente no le brindaría una cobertura completa del cielo.

Si pudiera obtener un telescopio de clase JWST debajo de un globo por una vigésima o una centésima parte del precio, lo que puede o no ser posible, entonces también podría ser una compensación razonable tener estas limitaciones. Pero seguiría siendo una compensación entre la rentabilidad y los límites.

Además, es un día polar en esta época del año, lo que también podría dar más problemas.
@PaŭloEbermann sí, ¡es un buen punto! Siempre estarías observando durante los períodos iluminados (o en el mejor de los casos durante el crepúsculo). No sé lo suficiente como para decir cuánto de un problema que podría ser, pero sin duda es una complicación adicional.

Un par de cosas más a considerar (que no he visto en las varias respuestas existentes) sobre tener un observatorio de clase James-Webb en la atmósfera superior de la Tierra en lugar de en Sun-Earth L2:

  • Has degradado significativamente tus campos de visión disponibles en comparación con Sun-Earth L2. No solo su "abajo" está completamente ocupado por la Tierra, sino que "arriba" tiene la luna y un número cada vez mayor de satélites para planificar las observaciones. No necesariamente espectacular, solo una limitación para trabajar (y probablemente mitigada si coloca el telescopio en latitudes altas, que parece ser el plan).

  • Estás por encima de la mayoría de los climas, pero no de todos los climas. Mientras el globo esté volando, la turbulencia tiene la oportunidad de hacer vibrar sus espejos y distorsionar su visión. Es probable que esto también limite la capacidad del telescopio para rastrear con precisión una estrella distante dada; seguramente estás hablando de algún tipo de dirección activa del telescopio.

¡Todos estos son puntos excelentes! De hecho, Sunrise tenía una dirección activa que inclinaba un espejo secundario basado en un elegante sensor de frente de onda, por ejemplo. En un día cualquiera, JWST tiene un "cielo" de aproximadamente 2𝜋 debido a los límites de inclinación de su parasol , pero en el transcurso de un año cubre toda la esfera celeste, mientras que un globo en un polo tiene mucho menos, como señalas.
Podría ser algo mejor si ambos polos se usaran alternativamente, pero L2 parece tener ventajas.
@uhoh, sí, si empiezas a hablar de flotas de telescopios de globos estratosféricos, estoy bastante interesado. Es probable que sus capacidades se retrasen tanto en los observatorios terrestres como espaciales, pero ciertamente parece que tendrían un nicho.

JWST será un telescopio de 6,5 metros, mientras que ASTHROS tiene solo 2,5 metros. Esa es una diferencia bastante grande. Por otro lado, tal vez podría gastar la mitad del costo de JWST y diseñar un telescopio alojado en un globo de 6,5 metros, pero no estoy seguro.

La pregunta se refiere a un telescopio similar a James Webb, pero usted respondió con un telescopio similar a ASTHROS. Teniendo en cuenta que este globo ya es enorme, no he visto nada hasta ahora que diga que este es el límite y que no se podría levantar un telescopio de mayor diámetro. Sin embargo, es posible que desee ver los requisitos de planitud para los dos espejos y sus masas.

El lugar para comenzar es enumerando los objetivos científicos de la misión. Los telescopios de globo pueden ser mucho menos costosos que los de satélite, pero el diseño de uno de satélite permite una vida útil mucho más larga, gravedad cero para distorsionar el telescopio, menos calor infrarrojo de la tierra, un campo de visión más amplio y yo Estoy seguro de que muchas cosas más. Tendría que diseñar un telescopio completamente diferente del JWST para volar en un globo. ¿Podría hacer lo que JWST planea hacer? Lo dudo mucho, pero francamente no lo sé.

+1Mi pregunta comienza con "¿Hubiera sido..." para permitir un 20/20 de retrospectiva. Teniendo en cuenta que se suponía que JWST se lanzaría en 2007 y en las siguientes 100.000 horas ha hecho exactamente cero, un telescopio IR lanzado desde un globo que hiciera cualquier cosa habría hecho infinitamente más que eso.
El problema es que JWST fue diseñado en torno al hecho de que estaría en cero G y sería una misión de larga duración. No puedes simplemente suspender ese diseño de un globo y hacer que funcione. Si rediseñas el JWST para que vuele en un globo, obtendrás un instrumento y una ciencia completamente diferentes. Entonces podría intentar preguntar si deberíamos comprar JWST o la cantidad de misiones de globos que podríamos obtener por el mismo dinero. Eso no se puede responder porque podríamos comprar tantas misiones de globos que el resultado de las últimas es realmente difícil de predecir...
Creo que nos queda decidir si comprar cada misión en función de su precio y rendimiento esperado. Para los principales observatorios como JWST, ese precio conlleva un riesgo que debe abordarse.

El JWST estará en una "órbita" de halo en el punto L2 de la Tierra y la Luna, a 930,000 millas de la Tierra, y más de cuatro veces más lejos de nosotros que la Luna. Tendría que ser un globo impresionante para alcanzar ese tipo de altitud. Y tiene que estar tan lejos para que su parasol pueda desviar el calor tanto de la Tierra como del Sol, lo cual es necesario para un telescopio infrarrojo. En el punto L2 siempre están en la misma dirección, lo que no es cierto para ninguna ubicación más cercana.

Y, sin embargo, doy un ejemplo de un telescopio de infrarrojo lejano enfriado criogénicamente que cuelga de un globo en la pregunta, y la respuesta espectral de Wise/NEOWise salió a 22 micrones y estaba en LEO, por lo que creo que esta respuesta necesita un poco de refinamiento.
Wikipedia dice : "Los telescopios infrarrojos pueden ser telescopios terrestres, aéreos o espaciales. Contienen una cámara infrarroja con un detector infrarrojo especial de estado sólido que debe enfriarse a temperaturas criogénicas". Hay un montón de telescopios infrarrojos lejanos de imágenes bolométricas en tierra en la Antártida, incluido este , así que no creo que la situación sea tan sencilla. Pero +1por tomarte el tiempo de contestar!

Un punto abordado pero no ampliado es la imagenología de alto contraste. Eso es menos importante cuando se obtienen imágenes de un agujero negro, una nebulosa o una galaxia porque no cambian mucho y la imagen se puede reconstruir.

Obtener imágenes de un planeta que orbita junto a una estrella o que cruza sobre ella requiere un contraste muy alto y eso no sería posible con un telescopio aéreo, más aún cuando la atmósfera bloquea algunas de las longitudes de onda para las que el telescopio está diseñado.

La reconstrucción de imágenes también es (recuerdo haber leído) más fácil con luz ultravioleta y menos exitosa con luz infrarroja, por lo que en el espacio es simplemente mejor para cosas específicas como exoplanetas. Probablemente mucho mejor.

Se espera que el Telescopio Espacial James Webb pueda hacer una observación entre 1/10 millón y 1/100 millón de variación. Un telescopio atmosférico, especialmente uno en el que algunas de las longitudes de onda para las que está diseñado para recibir están parcialmente bloqueadas, nunca haría eso.

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/a-new-view-of-exoplanets-with-nasa-s-webb-telescope

Los coronógrafos tienen algo importante en común con los eclipses. Durante un eclipse, la Luna bloquea la luz del Sol, permitiéndonos ver estrellas que normalmente estarían cubiertas por el resplandor del Sol. Los astrónomos aprovecharon esto durante el eclipse de 1919, hace 100 años el 29 de mayo, para probar la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. De manera similar, un coronógrafo actúa como un "eclipse artificial" para bloquear la luz de una estrella, lo que permite ver los planetas que de otro modo se perderían en el resplandor de la estrella.

“La mayoría de los planetas que hemos detectado hasta ahora son entre 10 000 y 1 millón de veces más débiles que su estrella anfitriona”, explicó Sasha Hinkley, de la Universidad de Exeter. Hinkley es el investigador principal de uno de los primeros programas de observación de Webb para estudiar exoplanetas y sistemas exoplanetarios.

"Sin duda, hay una población de planetas que son más débiles que eso, que tienen relaciones de contraste más altas y que posiblemente estén más lejos de sus estrellas", dijo Hinkley. "Con Webb, podremos ver planetas que son más como 10 millones o, con optimismo, 100 millones de veces más débiles". Para observar sus objetivos, el equipo utilizará imágenes de alto contraste, que disciernen esta gran diferencia de brillo entre el planeta y la estrella.

Este es un punto realmente importante, y no sabía que JWST tuviera un coronógrafo, pero ahora que lo mencionas, por supuesto que tiene sentido; Creo que incluso podría haber una relación de brillo más favorable en el IR térmico que en el visible. Pero tendré que pensarlo... o preguntarlo ;-)
¿Habría sido más barato y/o más rápido poner un telescopio espacial tipo James Webb en un globo en lugar de un cohete?
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