Wäre es billiger und/oder schneller gewesen, ein James-Webb-ähnliches Weltraumteleskop auf einen Ballon statt auf eine Rakete zu setzen?

Nein, das glaube ich nicht. Der Grund, warum Weltraumteleskope gut abschneiden, ist, dass es keine Atmosphäre gibt, die die optische Leistung des Geräts einschränkt. Ein Teleskop auf einem Ballon befindet sich nicht annähernd über der Atmosphäre. Es befindet sich über einem Großteil des Wassers in der Atmosphäre, weshalb die IR-Dinge dort besser sein können, aber es gibt immer noch Turbulenzen darüber, die seine Leistung einschränken.

Außerdem sind ASTHROS und JWST keine vergleichbaren Instrumente: ASTHROS arbeitet mit Frequenzen im fernen Infrarot, die oft als dazwischen definiert werden$25\,\mathrm{\mu m}$Und$350\,\mathrm{\mu m}$, während JWST im sichtbaren und nahen Infrarot arbeitet, aus$0.6\,\mathrm{\mu m}$Zu$28\,\mathrm{\mu m}$. ASTHROS ist auch winzig im Vergleich zu JWST: sein Spiegel ist es$2.5\,\mathrm{m}$(ungefähr so ​​groß wie Hubble), während JWST es ist$6.5\,\mathrm{m}$. Wenn wir das extrem lange Ende der Wellenlängenempfindlichkeit von JWST nehmen, wo es sich mit ASTHROS überschneidet, wird es eine Auflösung von ungefähr haben$2.6$mal so gut. Am kurzen Ende seines Empfindlichkeitsbereichs wird seine Auflösung mehr als hundertmal besser sein. Und es ist im Weltraum, also könnte es durchaus in der Lage sein, seiner theoretischen Grenze sehr nahe zu kommen.

JWST mag absurd spät sein und das Budget absurd übersteigen, aber ich glaube nicht, dass Teleskope, die an Ballons hängen, mit dem konkurrieren, was es leisten kann.

Allerdings gibt es bei dieser Antwort einen wichtigen Vorbehalt: Wann immer jemand sagt: „Offensichtlich ist so etwas nicht möglich“, stellt sich heraus, dass Astronomen nicht nur herausgefunden haben, wie es geht, sondern es tun und tatsächlich umgezogen sind zu einer noch absurder klingenden Idee. Also, ich weiß nicht, vielleicht arbeiten die Leute sogar jetzt daran, wie man ein optisches Interferometer an mehreren Ballons aufhängt. Astronomen leisten Erstaunliches.

Logistisch gesehen ist es vielleicht komplexer, als es sich anhört. Was mir zunächst aufgefallen ist, ist, dass der Start am Südpol für Dezember 2023 geplant ist. Dezember bedeutet Sommer – es ist wahrscheinlich, dass das Wetterfenster, in dem es praktisch ist, diese Mission zu fliegen, ziemlich eng ist, nur wenige Monate. Außerhalb dieses Zeitraums wird die Wiederherstellung wesentlich schwieriger.

Dieser Vorschlag (für eine Vier-Teleskop-Version von ASTHROS) schlägt vor, jedes Teleskoppaket einmal alle zwei Jahre zu fliegen, was ein Jahr für die Überholung und Wartung zwischen den Startsaisons vorschlägt. Selbst wenn Sie dies getan haben - definitiv Kleingeld nach JWST-Standards! - Sie wären immer noch durch die Betriebszeiten eingeschränkt. Sie konnten jedes Jahr nur wenige Monate lang Beobachtungen durchführen, und zwar nur von Zielen, die in diesem Zeitraum von der südlichen Hemisphäre aus sichtbar waren.

Es könnte möglich sein, sowohl den Nordpol als auch den Süden zu umrunden – was einige zusätzliche Monate und auch Ziele auf der Nordhalbkugel eröffnen würde. Aber die Arktis hat (glaube ich?) weniger zuverlässige Wettermuster und eine größere Chance, Ihr Instrumentenpaket zu verlieren, wenn es in den Ozean fällt.

Sie würden immer noch mit einer Mission enden, die möglicherweise nur in Teilen des Jahres beobachten kann (ich vermute, die Wetterbedingungen um die Tagundnachtgleiche könnten sowohl den Norden als auch den Süden ausschließen) und Ihnen wahrscheinlich nicht die vollständige Abdeckung des Himmels bieten würden.

Wenn Sie ein Teleskop der JWST-Klasse unter einem Ballon für ein Zwanzigstel oder ein Hundertstel des Preises bekommen könnten, was möglich sein kann oder auch nicht, dann könnte es durchaus ein vernünftiger Kompromiss sein, diese Einschränkungen ebenfalls zu haben. Aber es wäre immer noch ein Kompromiss zwischen Kosteneffizienz und Grenzen.

Noch ein paar Dinge zu beachten (die ich in den verschiedenen vorhandenen Antworten nicht gesehen habe) über ein Observatorium der James-Webb-Klasse in der oberen Erdatmosphäre anstelle von Sonne-Erde L2:

• Sie haben Ihre verfügbaren Sichtfelder im Vergleich zu Sun-Earth L2 erheblich verschlechtert. Ihr "unten" ist nicht nur vollständig von der Erde besetzt, sondern "oben" hat den Mond und eine ständig wachsende Anzahl von Satelliten, um die Beobachtungen geplant werden können. Nicht unbedingt atemberaubend, nur eine Einschränkung, die es zu umgehen gilt (und wahrscheinlich gemildert wird, wenn Sie das Teleskop auf hohe Breiten stellen, was der Plan zu sein scheint).

• Sie sind dem meisten Wetter gewachsen, aber nicht jedem Wetter. Solange der Ballon fliegt, haben Turbulenzen die Möglichkeit, Ihre Spiegel zu vibrieren und Ihre Sicht zu verzerren. Dies schränkt wahrscheinlich auch die Fähigkeit des Teleskops ein, einen bestimmten fernen Stern genau zu verfolgen; Sie sprechen sicherlich von einer Art aktiver Steuerung des Teleskops.

JWST soll ein 6,5-Meter-Teleskop werden, während ASTHROS nur 2,5 Meter groß ist. Das ist ein ziemlich großer Unterschied. Andererseits könnten Sie vielleicht die Hälfte der JWST-Kosten ausgeben und ein 6,5-Meter-Ballon-Teleskop konstruieren, aber ich bin mir nicht sicher.

Beginnen Sie mit der Auflistung der wissenschaftlichen Ziele der Mission. Ballonteleskope können viel billiger sein als satellitengestützte, aber das Design eines satellitengestützten ermöglicht eine viel längere Lebensdauer, Schwerelosigkeit, die das Teleskop verzerrt, weniger Infrarotwärme von der Erde, ein breiteres Sichtfeld, und ich ' Ich bin sicher, viele weitere Dinge. Sie müssten ein völlig anderes Teleskop als JWST entwerfen, um mit einem Ballon zu fliegen. Könnte es das tun, was JWST geplant hat? Ich bezweifle es stark, aber ich weiß es ehrlich gesagt nicht.

Der JWST wird sich in einer Halo-„Umlaufbahn“ am Punkt Erde-Mond L2 befinden, 930.000 Meilen von der Erde entfernt und mehr als viermal so weit von uns entfernt wie der Mond. Es müsste ein beeindruckender Ballon sein, um diese Höhe zu erreichen. Und es muss so weit entfernt sein, dass sein Sonnenschutz die Wärme sowohl von der Erde als auch von der Sonne ablenken kann, was für ein Infrarotteleskop notwendig ist. Am L2-Punkt zeigen sie immer in die gleiche Richtung, was für einen näheren Standort nicht gilt.

Ein Punkt, der angesprochen, aber nicht weiter ausgeführt wird, ist die Bildgebung mit hohem Kontrast. Das ist weniger wichtig, wenn man ein Schwarzes Loch oder einen Nebel oder eine Galaxie abbildet, weil sie sich nicht viel ändern und das Bild rekonstruiert werden kann.

Die Abbildung eines Planeten, der neben einem Stern kreist oder einen Stern überquert, erfordert einen sehr hohen Kontrast, und das wäre mit einem Flugteleskop nicht möglich, insbesondere wenn die Atmosphäre einige der Wellenlängen blockiert, die das Teleskop abbilden soll.

Die Bildrekonstruktion ist auch (ich erinnere mich, dass ich es gelesen habe) mit UV-Licht einfacher und mit IR-Licht weniger erfolgreich, daher ist es im Weltraum einfach besser für bestimmte Dinge wie Exoplaneten. Wahrscheinlich viel besser.

Das James-Webb-Weltraumteleskop wird voraussichtlich in der Lage sein, eine Variation zwischen 1/10 Million und 1/100 Million zu machen. Ein atmosphärisches Teleskop, insbesondere eines, bei dem einige Wellenlängen, die es empfangen soll, teilweise blockiert sind, würde dies niemals tun.

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

Koronographen haben etwas Wichtiges mit Sonnenfinsternissen gemeinsam. Während einer Sonnenfinsternis blockiert der Mond das Licht der Sonne, sodass wir Sterne sehen können, die normalerweise von der Blendung der Sonne überwältigt würden. Astronomen nutzten dies während der Sonnenfinsternis 1919, vor 100 Jahren am 29. Mai, um Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie zu testen. In ähnlicher Weise fungiert ein Koronograph als „künstliche Sonnenfinsternis“, um das Licht eines Sterns zu blockieren, sodass Planeten sichtbar werden, die sonst im Glanz des Sterns verloren gehen würden.

„Die meisten Planeten, die wir bisher entdeckt haben, sind etwa 10.000 bis 1 Million Mal schwächer als ihr Mutterstern“, erklärt Sasha Hinkley von der University of Exeter. Hinkley ist der Hauptforscher eines der ersten Beobachtungsprogramme von Webb zur Untersuchung von Exoplaneten und exoplanetaren Systemen.

„Es gibt zweifellos eine Population von Planeten, die schwächer sind, höhere Kontrastverhältnisse aufweisen und möglicherweise weiter von ihren Sternen entfernt sind“, sagte Hinkley. „Mit Webb werden wir in der Lage sein, Planeten zu sehen, die eher 10 Millionen oder optimistisch 100 Millionen Mal schwächer sind.“ Um ihre Ziele zu beobachten, wird das Team kontrastreiche Bildgebung verwenden, die diesen großen Helligkeitsunterschied zwischen dem Planeten und dem Stern erkennt.