1. Astronomi i Tidsdomænet (AiT) Infrastrukturens engelske navn er Astronomy in the Time domain (AiT)

Transkript

1 1. Astronomi i Tidsdomænet (AiT) Infrastrukturens engelske navn er Astronomy in the Time domain (AiT) 1.1. Karakter, formål og kontekst Danske astronomer har gennem vore internationale medlemskaber af bl.a. ESO, ESA og NOT adgang til et stort antal instrumenter og teleskoper, som giver mulighed for at studere alle typer af objekter i Universet fra solsystemet, stjerner og exoplaneter til galakser, sorte huller, kosmologien og Big Bang. Udbygningen af moderne astronomiske teleskoper sker i høj grad med det mål at forbedre lysfølsomheden samt den spektrale information for især svage objekter i Mælkevejen og i fjerne galakser. Det har ført til opbygningen af store jordbaserede teleskoper (f.eks. NOT og ESO s VLT og i de kommende år E-ELT), og i rummet har ESA og NASA konstrueret rumteleskoper (bl.a. Hubble og Herschel og i 2018 opsendes James Webb Space Telescope) med samme mål. Der findes dog en lang række fænomener og objekter, som ikke umiddelbart kan studeres optimalt ved brug af de eksisterende faciliteter. Det drejer sig specifikt om objekter, hvis energiudsendelse varierer i tiden eller objekter hvor pludselige og uventede fænomener finder sted. Mange af disse fænomener kan studeres i detalje via adgangen til ESO, ESA og NOT, men først når objekterne er lokaliseret og karakteriseret. Danske astronomer har i en årrække derfor arbejdet målrettet mod at opbygge faciliteter, hvor vi kan følge objekter i længere tidsrum samt karakterisere og undersøge tidsvariable fænomener, og hvor vi med kort varsel kan foretage detaljerede observationer af objekter, som pludselig ændrer deres energiudsendelse (i nogle tilfælde med tidsskalaer på minutter eller sekunder). For at foretage disse typer af undersøgelser vil vi udbygge adgangen til at foretage målinger i tidsdomænet, og vi har fokuseret på to instrumenter, som på hver sit område og i samspil giver danske astronomer en unik mulighed for netop at studere tidsvariable fænomener af alle typer. Det handler om en udbygning af det dansk-ledede SONG teleskopnetværk som kan anvendes til at finde tidsvariable objekter og studere variationerne uafbrudt over meget lange tidsrum, og det danske NTE-instrument på Nordisk Optisk Teleskop (NOT) som giver adgang til at foretage detaljestudier (spektroskopi og fotometri) af tidsvariable objekter. Via rapid response på NOT kan dette gøres kort efter (på minutter) et fænomen er opdaget. Den samlede og koordinerede infrastruktur har vi kaldt Astronomi i Tidsdomænet (AiT) eller Astronomy in the Time domain (AiT).

2 Den tætte koordinering mellem de forskellige dele af AiT (SONG og NTE/NOT) er essentielt for den optimale udnyttelse af denne infrastruktur, og støtter kraftigt op omkring den eksisterende videnskabelige udnyttelse af de faciliteter, som vi har adgang til via NOT, ESO og ESA. Koordineringen af udnyttelsen af AiT vil ske via IDA (Instrumentcenter for Dansk Astrofysik: som p.t. ledes fra Aarhus Universitet. IDA vil sikre nem og fleksibel adgang til de nye muligheder som AiT vil give, og sikre at danske astronomer udnytter de særlige fordele ved AiT. I forhold til deltagelse i andre internationale projekter (f.eks. deltagelse i NASA-projekter) vil AiT også åbne nye muligheder. Her er det specielt interessant at nævne de muligheder som AiT giver danske as tronomer i forhold til deltagelse i NASA s TESS-mission, som opsendes i En tæt koordinering mellem TESS-teamet og konsortiet bag AiT finder allerede sted. Tidsskalaen for AiT er også optimal med henblik på forberedelsen af fremtidig udnyttelse af ESO's E-ELT instrument samt NASA's JWST, hvor de nærmeste planeter, som TESS opdager, skal studeres i yderligere detalje. Danske astronomer er også partnere i NASAs Swift mission via finansiering fra bl.a. IDA ( kdkk/år). Swift er en satellit, der lokaliserer og sikrer hurtige observationer af gammaglimt, som er et centralt forskningsområde for dansk astronomi. Nærværende forslag har tre integrerede komponenter: Opgradering og udbygning af NOT Transient Explorer (NTE). Den første del af dette instrument er allerede finansieret (bl.a. via midler fra Carlsbergfondet), men for at gøre instrumentet optimalt til brug for alle danske astronomer, og for at kunne foretage optimalt follow-up af variable objekter, vil en udbygning af NTE være nødvendig. Udbygningen sikrer, at vi kan foretage observationer i synligt og infrarødt lys, både i forhold til intensitet (billeder) og spektralt. Opgraderingen vil samtidigt sikre danske astronomer adgang til store mængder af fri observationstid ved NOT (såkaldt Garanteed Observing Time) i årene efter Vi vil endvidere udstyre NOT med et Rapid Response Mode (RRM), der vil muligøre automatiske observationer med en responstid på få minutter af transiente objekter (bl.a. gammaglimt fra Swift satellitten). Udbygning af SONG-netværket vha. et nyt teleskop med en geografisk fordeling, der muliggør meget lange næsten uafbrudte observationer af stjerner og exoplaneter over store dele af himlen. Projektet realiseres med fuldautomatiske teleskoper med en relativt beskeden spejldiameter på 1 m. Et første sådant teleskop er blevet udviklet som prototype i Aarhus og København med dansk finansiering. Det har været i drift i de sidste 11 måneder på Tenerife, og har fuldt ud opfyldt designspecifikationerne i driftseffektivitet og kvalitet af målingerne. Teleskop nr. 2 er under færdiggørelse i det vestlige Kina, finansieret af kinesiske midler. Vi bemærker, at SONG indgik i Dansk Roadmap for Forskningsinfrastruktur 2011 med to observatorier, som indtil nu ikke er blevet finansieret. For at kunne udnytte SONG s muligheder for at foretage observationer på et vilkårligt tidspunkt ønsker vi i samarbejde med IFA og NBI at bygge nye instrumenter, som kan anvendes til observation af unikke objekter med meget kort varsel (tidsskala på minutter eller i visse tilfælde endnu hurtigere). Vi ønsker samtidig at udarbejde software, der kan styre SONG s robot-teleskoper, så de som for NOT tillader denne type rapid response. Side 2

3 AiT sigter mod at give alle danske astrofysikere adgang til at kunne foretage tidskritiske observationer, som ikke umiddelbart kan gennemføres på eksisterende faciliteter. Gennem IDA vil vi koordinere aktiviteterne og sikre, at alle relevante forskergrupper på alle landets universiteter får adgang til at bruge AiT, og samtidig kan få støtte til at gennemføre de relevante observationer. Pipeline software vil sikre, at målingerne analyseres optimalt, og vil også sikre, at nye brugere har nem adgang til at udnytte AiT til nye forskningsprojekter. Vi vil sikre høj kvalitet ved at uddele observationstid efter åbne ansøgningsrunder Videnskabelige perspektiver Der findes en lang række forskningsaktiviteter inden for astrofysik, hvor danske astronomer er førende eller blandt de førende. Vi har i høj grad udnyttet adgang til internationale faciliteter, både i rummet og på jorden, men der er væsentlige forskningsområder, hvor de eksisterende faciliteter ikke fuldtud slår til. Det handler bl.a. om Gammaglimt, hvor især muligheden for at kunne foretage målinger kort efter et udbrud er afgørende. Gammaglimt er meget kraftige udbrud af gammastråling som udsendes i forbindelse med meget tunge stjerners død. De er så kraftige, at de kan ses ud til umådelig store afstande. Danske astronomer er blandt de førende i verden i udforskningen af gammaglimt generelt og i særdeleshed brugen af gammaglimt som værktøj i studiet af de første generationer af galakser, der blev dannet efter Big Bang. Et andet centralt område er supernovaer, hvor observationer i dage og uger efter selve eksplosionen er helt afgørende for kvaliteten og værdien af målingerne. Studier af de tidslige variationer af lyset fra gas, som falder ind mod supertunge sorte huller, der ligger i centret af unge fjerne galakser (kendt som aktive galakser og kvasarer), er et vigtigt forskningsområde, som kaster lys over hvorledes sorte huller (de mest kompakte objekter der kendes) vokser sig store og i processen påvirker deres omgivelser. Disse sorte huller vides at have en afgørende betydning for udviklingen af galakser, selv om detaljerne i disse processer endnu ikke kendes fuldstændigt. Studier af tidsvariationer af lyset fra kvasarer/aktive galakser giver derfor vigtig information om detaljerne i disse processer, og om galakser i almindelighed. Endelig forventes gravitationelle bølger snart at blive detekteret enten fra jorden (via VIRGO og LIGO eksperimenterne) og senere fra rummet (med elisa og LISA), men med store usikkerheder i positionerne på himlen. Swift teamet er ved at udvikle follow-up observationsstrategier til lokalisering af elektromagnetiske signaler fra sådanne transients, som efterfølgende kan observeres med f.eks. NTE. Opdagelsen af nye exoplaneter kræver opfølgende observationer, der i mange tilfælde vil være tidskritiske. F.eks. skal observationer af exoplanetatmosfærer foretages, netop når exoplaneten i sin omkredsning af moderstjernen i nogle timer befinder sig i synslinjen mellem stjernen og Jorden. Hurtig adgang til teleskoptid med den rigtige instrumentering vil være centralt for at være konkurrencedygtig i denne type forskning. Studiet af stjernernes indre struktur sker bl.a. ved at måle stjernevibrationer og udnytte deres frekvenser til at foretage asteroseismiske studier af stjernernes opbygning. Nøjagtigheden, af de frekvenser vi måler, afhænger kritisk af længden af observationerne. Det er derfor af afgørende betydning for asteroseismiske undersøgelser af stjerners egenskaber og karakterisering af eksterne planetsystemer, at vi kan foretage kontinuerlige observationer af stjerner. Men SONG-delen af dette projekt giver også glimrende muligheder for andre tidskritiske astrofysiske observationer. Specielt vil SONG i samspil med NTE ved NOT (og instrumentet FIES, der også er tilgængeligt ved NOT) spille en vigtig rolle i forbindelse med opfølgning af observationer af pulserende stjerner og nye exoplaneter, som bliver lokaliseret med NASA s TESS mission, der opsendes i Stellar Astrophysics Centre ved Aarhus Universitet og astronomerne ved Københavns Universitet er co-i og aktive deltagere i TESS-missionen. Det er vigtigt at bemærke, at SONG på verdensplan er helt unikt, og vil levere data af en kvalitet, som i forhold til præcision og tidslig opløsning er størrelsesordner bedre end det, andre jordbaserede faciliteter kan levere (inklusive ESO s nuværende og fremtidige teleskoper i Chile). Side 3

4 1.3. Samfunds- og erhvervsmæssige perspektiver Udviklingen af NTE-instrumentet, optimeringen af NOT s rapid response -muligheder og udviklingen af det første SONG-teleskop og de tilhørende instrumenter er designet og konstrueret på Aarhus og Københavns Universiteter. I opbygningen af Astrofysik i Tidsdomænet (AiT) er det tanken at involvere danske virksomheder i forhold til produktion af dele af optik, teleskoper, bygninger og instrumenter, også i forhold til opbygningen af dataarkivering og datadistribution til brugerne. Projektet har også et stort undervisningsmæssigt potentiale, fordi det giver helt enestående muligheder for danske studerende og postdocs i forhold til direkte adgang til at udvikle egne eksperimenter. AiT vil også indgå i sommerskoler og observationskurser for studerende på alle niveauer, inkl. gymnasieelever. Side 4

5 2. Etablering og organisering af forskningsinfrastrukturen 2.1. Projektorganisering og konsortiedannelse Projektet sigter mod at koordinere alle tidskritiske observationsaktiviteter inden for dansk astrofysik. Det vil derfor være naturligt, at IDA spiller en rolle i såvel koordineringen af brugen af AiT og i arbejdet med at etablere faciliteten og på længere sigt udbygge den. Et centralt aspekt bliver at en stor del af observationstiden på Nordisk Optisk Teleskop (NOT) vil blive uddelt som Guaranteed Observing Time til konsortiet bag projektet, tid som bliver adderet til den observationstid Danmark allerede får tildelt via medlemskabet af NOTSA. Danmark vil derfor reelt få adgang til en væsentlig del af observationstiden ved NOT, og en stor del af denne tid skal fordeles via intern tildeling i Danmark. Det bliver IDA s opgave at sikre, at denne unikke mulighed videnskabeligt og strategisk udnyttes optimalt. Det samme gælder for anvendelsen af SONG og i særdeleshed hele koordineringen af observationerne mellem SONG og NTE/NOT, i særlig grad med fokus på samspillet med TESS, Swift og andre rummissioner. Alle danske astrofysiske miljøer er inviteret til at deltage i projektet via IDA, også i relation til de uddannelsesmæssige muligheder som ligger i projektet. Åbenhed og koordinering er centrale for udnyttelsen af AiT. Under etableringsfasen vil projektet blive koordineret via AU og IDA med selvstændig projektledelse på NBI (i relation til NTE-delen) og AU (i relation til SONG-delen). Budgetstyring vil finde sted på AU og reviews under etableringen vil sikre en løbende optimering af hele projektet. Det er vigtigt for AiT, at projektet kan starte snarest, og projektstyringen vil løbende have fokus på tidsplanen og ressourceoptimering Projekt- og tidsplan Den overordnede tidsplan tager udgangspunkt i, at store dele af finansieringen er på plads. Af hensyn til udnyttelsen af NOT og bl.a. koordineringen med NASA s TESS og Swift missioner ønsker vi af videnskabelige grunde en opstart så tidligt som muligt. Organisationen bag AiT er på plads og koordineringen mellem de enkelte medlemmer af AiTkonsortiet sker via IDA. AiT kick-off: 2015 AiT first light: 2018 (senest) Science Operations: fra 2018 Projekt- og tidsplanen etableres i detalje ved AiT kick-off. Projektet bliver styret i en række faser, hvor eksterne reviews vil sikre, at projektet er på rette spor og identificere evt. problemer. Fokus bliver på koordineringen mellem de enkelte dele af AiT og mellem de enkelte deltagere i konsortiet Budget og finansiering af Astronomi i Tidsdomænet (AiT) Astronomi i Tidsdomænet (AiT) forventes etableret med start i Dele af midlerne til etableringen er fremskaffet, og skal anvendes i perioden NTE-delen af AiT bliver sat i gang med det samme, g eksterne ansøgninger til dele af SONG-delen bliver sendt inden sommeren 2015 (til støtte for indkøb af SONG-teleskopet). Udbygningen af SONG bliver sat i gang i 2015, hvor arbejdet med SONG-spektrografen påbegyndes. Den detaljerede profil for AiT vil blive fastlagt i den Project Management Plan, som etableres ved starten af projektet, men det er tanken, at implementeringen skal ske løbende i , og at faciliteten tages i drift i løbet af Det er forventningen at AiT skal udbygges yderligere i årene efter 2018, og at driften bl.a. sikres gennem NOT-kontingentet og aftaler med de observatorier, hvor SONG er opstillet (en type aftaler som allerede findes for SONG-teleskopet på Tenerife). Desuden Side 5

6 vil drift og almindeligt vedligehold dækkes af NBI(KU) og IFA(AU). Vi har ikke taget stilling til evt. dekommisionering givet at AiT forventes at fortsætte i de kommende år (som minimum), og vi vil løbende sikre opgradering af den samlede facilitet. IDA vil sikre koordinering mellem de enkelte danske deltagere i AiT i forhold til udvikling og udnyttelse af faciliteten. Finansieringsprofilen og investeringsprofilen vil afhænge af leveringstider på komponenter, men det er planen, at profilerne skal være relativt flade med indkøb lagt tidligt i hele fasen og arbejdskraft fordelt i forhold til, hvornår de enkelte dele leveres. Arbejdet i forhold til test og udvikling af pipeline software vil naturligt ligge i den sidste del af projektet. AiT s Project Management Plan vil blive udarbejdet i løbet af sommeren Værtsinstitution(-er) og samarbejdspartnere De årlige danske driftsudgifter til netværksoperationer for det fuldt udbyggede projekt er, givet det forventede bidrag fra internationale partnere, omkring 3,0 Mkr. foruden den drift af NOT som de nordiske lande allerede har finansieret, og som dækker alle omkostninger i forbindelse med Guaranteed Observing Time. Midler til drift forventes finansieret bl.a. via forskningsansøgninger til FNU, ERC, Villumfonden og Carlsbergfondet. Desuden forventes IDA at anvende midler til at støtte drift af AiT. Der vil derudover være bidrag fra NBI og IFA og indtil 2022 fra SAC (via DG). I sin nuværende form tager AiT udgangspunkt i en etablering, som involverer Niels Bohr Instituttet - NBI (KU) og Institut for Fysik og Astronomi - IFA (AU). De to institutioner kan kort karakteriseres som: NBI (KU): Instituttet har 145 videnskabelige og 95 tekniske medarbejdere og har adskillige laboratorier og værksteder. Instituttets ekspertise inden for astronomisk instrumentering ligger mest indenfor mekanisk og optisk design og konstruktion og inden for elektronik. I de senere år har instituttet været involveret i bygningen af X-shooter til ESOs VLT, NTE til NOT og EMCCD dual-cameras til SONG og den danske 1.54 m kikkert på La Silla. IFA (AU): Instituttet har 103 videnskabelige og 48 tekniske medarbejdere og har adskillige laboratorier og værksteder. Instituttets ekspertise er primært inden for instrumentering inden for fysikken (f.eks. lagerringe og vakumteknik). Inden for astronomisk instrumentering har instituttet på det seneste været involveret i bygningen af SONG-teleskopet og dets højopløsningsspektrograf, inklusivt software til den automatiserede drift af teleskop og instrumenter. Gennem IDA og via direkte samarbejde med specifikke forskningsgrupper ved bl.a. Aalborg Universitet vil flg. grupper indgå som naturlige samarbejdspartnere. For alle nævnte grupper er der ikke i forbindelse med AIT tale om udgifter eller medfinansiering: DTU Space: Instituttet arbejder med forskning og teknologiudvikling i forhold til rummet. Afdeling for astrofysik arbejder bredt med udforskningen af Universet og udvikling af instrumenter i særdeleshed i forhold til observation af røntgenstråling fra Universet. DTU Space anser AiT for at være vigtigt for dansk astrofysik og den forskning og undervisning som foregår på DTU. Institut for Elektroniske Systemer (AAU): Instituttet arbejder bl.a. med autonome systemer og robotteknologi og har fokus på bl.a. satellitter og satellitsystemer. Der drives ikke astrofysisk forskning ved AAU, men instituttet er umiddelbart positiv i forhold til AiT og de undervisnings- og forskningsmuligheder, som evt. kan knyttes til styring og udvikling af AiT. Der er ikke endnu aftalt rammer og indhold for et mere konkret samarbejde. Centre for Cosmology and Particle Physics Phenomenology, CP3-Origins (SDU): Centret er et grundforskningscenter, der arbejder med de fundamentale teoretiske aspekter af universet og dets opbygning. Centret er repræsenteret i IDA og samarbejder med astrofysikgrupperne i Danmark. Centret finder AiT vigtigt for dansk astrofysik og ser muligheder bl.a. i en tilknytning til AiT i forhold til undervisning og forskningssamarbejde. Der er ikke endnu aftalt rammer og indhold for et mere konkret samarbejde. Side 6

7 2.5. Ledelse af forskningsinfrastrukturen Aarhus Universitet står som hovedansøger bag AiT og er ansvarlig for de overordnede elementer i projektet. Det er planen at etablere en ledelsesstruktur under Instrumentcenter for Dansk Astrofysik (IDA) og udpege specifikke projektledere på NBI og IFA, som i samarbejde med projektledelsen sikrer at tidsplan og budget overholdes, samt at evt. problemer og/eller ændringer løses løbende og i dialog med projektgruppen bag AiT. IDA s formål er at støtte og sikre dansk astrofysisk forskning i forhold til udnyttelsen af det danske medlemskab af ESO, ESA og NOT, og samtidig at skabe mulighed for deltagelse i projekter af væsentlig forskningsmæssig betydning inden for bl.a. NASA og andre internationale organisationer. Det er derfor naturligt, at IDA tager ansvaret for opbygningen og anvendelsen af AiT, og at IDA sikrer den brede forankring i dansk astrofysisk forskning. Koordinering mellem ESO-, NOT-, ESA- og AiT-aktiviteter bliver et centralt punkt for IDA. Det er vigtigt, at alle prioriteringer for IDA sker med fokus på nationale interesser, og at disse koordineres mellem institutionerne. Denne prioritering sker bl.a. i bestyrelsen for IDA (IDA Board), hvor medlemmer udpeget i samarbejde med de enkelte forskningsinstitutioner deltager. Kommissoriet for IDA Board er at rådgive og prioritere inden for dansk astrofysik. Ansøgning om observationstid vil ske via åbne opslag og projekter bliver prioriteret efter videnskabelig kvalitet. Ansøgningstidspunkter forventes at blive april og oktober hvert år. AiT kommer til at indeholde en stor del tid hvor hurtig adgang til målinger prioriteres, og denne type observationstid skal kunne tildeles med meget kort varsel. Driften og ledelsen af AiT skal ske med henblik på at sikre, at vi udnytter faciliteten fuldt ud og fremadrettet opgraderer og vedligeholder de muligheder denne facilitet giver adgang til. Via IDA Board og på de årlige astronomimøder, hvor en stor del af danske astronomer deltager, vil vi sikre en tæt dialog med brugere fra alle danske forskningsinstitutioner. Side 7