Ето какво ще наблюдава следващият космически телескоп James Webb

Миналата седмица светът се събра в рядко шоу на международно единство, за да се взира учудено в първите научни снимки произведени от космическия телескоп Джеймс Уеб. Създаван от десетилетия и резултат от усилията на хиляди хора от цял ​​свят, the телескопът е настроен да революционизира астрономията, като ни позволи да надникнем в космоса по-дълбоко от всякога преди.

Webb има най-голямото огледало, изстрелвано някога в космоса, както и най-големия слънчев щит, и това е най-мощният космически телескоп, създаван някога. Първите изображения са само представа за това какво е способна да направи тази забележителна технология. Така че, за да разберем повече за това какви бъдещи научни изследвания ще бъдат активирани от този гигант, разговаряхме с Марк МакКорийн, интердисциплинарен учен на Webb в Европейската космическа агенция.

McCaughrean ще бъде един от първите изследователи, които ще използват Webb за работата си в Мъглявината Орион, и той участва в планирането на телескопа повече от 20 години. Той ни разказа всичко за това как Уеб ще прокара границите на астрономията и ще даде възможност за открития, които дори не сме си представяли.

Виждане на Вселената в инфрачервени лъчи

Когато астрономите за първи път започнаха да си представят Webb през 80-те години на миналия век, те имаха конкретен план в ума: искаха инструмент за изследване на космологията, за да погледнат назад към най-ранните галактики във Вселената.

Учените знаеха, че тези ранни галактики са там и са близо до това да бъдат достъпни за нас, защото космическият телескоп Хъбъл е наблюдавал някои доста ранни галактики. Когато гледа в дължината на вълната на видимата светлина, Хъбъл може да идентифицира стотици от тези галактики, които са се образували в рамките на няколкостотин милиона години след Големия взрив. Но тези галактики вече са се образували и изследователите искаха да погледнат още по-назад, за да видят как всъщност се формират.

За да направят това, те се нуждаеха от инструмент, който можеше да гледа в инфрачервената дължина на вълната, отвъд видимата светлина. Това е така, защото най-ранните галактики са излъчвали видима светлина точно както галактиките днес. Но Вселената се разширява с времето и това означава, че галактиките, които виждаме в небето, се отдалечават от нас. Колкото по-стара е галактиката, толкова по-далеч е тя. И това разстояние причинява явление, наречено червено отместване.

Подобно на ефекта на Доплер, при който звуците променят своята възприемана височина като разстоянието между тях източникът и наблюдателят се променят, дължината на вълната на светлината се променя, когато нейният източник се отдалечава нас. Тази светлина е изместена към по-червения край на спектъра, оттук и името червено отместване.

Следователно най-старите галактики имат светлина, която е толкова червено изместена, че вече не може да се наблюдава като видима светлина. Вместо това, той се вижда като инфрачервен - и това е дължината на вълната, в която Webb работи.

Ето как Уеб успява да открие и идентифицира най-ранните галактики. Ако Уеб може да види галактика, която свети ярко в инфрачервения спектър, но която е слаба или невидима за предимно видими светлинни телескопи като Хъбъл, тогава изследователите могат да бъдат уверени, че са открили галактика, която е изключително червено изместена – което означава, че е много далеч и следователно много стар.

Дори в първо изображение с дълбоко поле от Webb можете да видите някои изключително стари галактики. Галактическият куп, който е във фокуса на изображението, е на 4,6 милиарда години, но поради масата си той огъва пространство-времето около себе си. Това означава, че светлината, идваща от галактики зад този клъстер, също е огъната, така че клъстерът действа като лупа в ефект, наречен гравитационна леща. Някои от галактиките наблюдавани в това дълбоко поле, са на около 13 милиарда години, което означава, че са се образували през първите милиарди години на Вселената.

Разширяване, за да направим повече

Ако Webb първоначално беше концептуализиран като космологичен инструмент, обаче, той скоро се разшири, за да стане много повече от това.

В продължение на десетилетия на планиране за Webb, дизайнерите осъзнаха, че инструментът, който създават, може да се използва за много по-разнообразни области, отколкото само за космологията. Те добавиха нови инструменти, като MIRI, който гледа в средната инфрачервена дължина на вълната, а не в близката инфрачервена и е по-полезен за изучаване на формирането на звезди и планети, отколкото за космологията. Тази разлика носи своето собствено предизвикателство, както този инструмент различни детектори от другите инструменти и изисква своето собствен охладител. Но, заедно с други инструменти, той разширява това, което Webb може да направи, в цял набор от възможности.

„Първоначалният фокус на телескопа беше много повече върху вселената с високо червено отместване“, обобщи Маккогрийн. „Това беше най-висшата цел, да открием тези първи звезди и галактики, които са се образували след Големия взрив. Всичко останало след това е „хубаво да има“. Но с напредването на проекта успяхме да го превърнем в четири теми: космология, формиране на звезди, планетарна наука и еволюция на галактиката. И се уверихме, че обсерваторията ще бъде способна на всичко това.

Фотоапарати и спектрографи

Webb разполага с четири инструмента на борда: близката инфрачервена камера или NIRCam, близкият инфрачервен спектрограф или NIRSpec, Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph или NIRISS, и Mid-Infrared Instrument или МИРИ. Има и сензор, наречен Fine Guidance Sensor (FGS), който помага да насочите телескопа в правилната посока.

Инструментите са комбинация от камери и спектрографи, които са инструменти за разделяне на светлината на различни дължини на вълната, така че да можете да видите какви дължини на вълните са били абсорбирани. Това ви позволява да видите от какво е съставен даден обект, като погледнете светлината, която излъчва.

Докато изображенията, направени от камерите, привличат най-голямо обществено внимание, спектрографите не бива да се подценяват като научен инструмент. Около половината от разпределеното в момента време за наблюдение е посветено на спектроскопия за задачи като анализиране на състава на атмосферите на екзопланети. Отчасти това е така, защото отнема повече време, за да се вземе спектър от обект, отколкото да се направи изображение от него, и отчасти това е така, защото спектроскопията може да направи неща, които изображенията не могат.

Камерите и спектрографите също работят заедно, тъй като филтрите, използвани в изображенията, са полезни за избор на обекти за изследване със спектрографите.

„Представете си, че правите дълбоко поле, като правите някои дълбоки изображения с NIRCam“, обясни МакКорийн. „След това използвате различни филтри, за да изберете кандидати, защото ще има твърде много неща, които да разглеждате в това поле едно по едно със спектроскопия. Така че имате нужда от изображения, за да намерите кандидатите“, например като погледнете цветовете в изображение, за да решите, че даден обект е, да речем, галактика с високо червено отместване, а не слаба близка звезда.

Това вече е доказано на практика, с Първото дълбоко полево изображение на Webb. Изображенията бяха направени с камерата NIRCam, която успя да улови огромен брой близки и далечни галактики в едно зашеметяващо изображение. Тогава конкретни цели, като a галактика на възраст над 13 милиарда години, бяха избрани и наблюдавани със спектрографа NIRSpec, събирайки данни за състава и температурата на тази ранна галактика.

„Това е толкова красив, чист спектър“, каза Маккогрийн. „Никой досега не е виждал нещо подобно от никъде. Така че сега знаем, че тази машина работи невероятно мощно.

Множество режими

За да разберете пълните възможности на Webb, трябва да знаете, че четирите инструмента нямат само един режим – те могат да се използват по много начини за разглеждане на различни цели. Общо има 17 режима между четирите инструмента и всеки от тях трябваше да бъде тестван и проверен, преди телескопът да бъде обявен за готов да започне научни операции.

Вземете например инструмента NIRSpec. Той може да извършва няколко вида спектроскопия, включително спектроскопия с фиксиран прорез, която е високочувствителен режим за изследване на отделни цели (като анализиране на светлината, излъчвана от сливане на неутронни звезди, наречена килонова), или спектроскопия на полеви единици, която разглежда спектрите за множество пиксели върху малка област, за да получите контекстуална информация за цел (като гледане на изключително далечна галактика, която е била изкривена от гравитация лещи).

Третият вид спектроскопия, която NIRSpec прави, е нещо наистина специално, наречено мулти-обектна спектроскопия. Той използва малки капаци, подобни на прозорци, подредени във формат, наречен масив от микрозатвори. „Те са основно малки устройства с диаметър няколко сантиметра, от които имаме четири. Във всяко едно от тези устройства има 65 000 малки индивидуални капаци“, каза Маккогрийн.

Всеки от тези капаци може да бъде индивидуално контролиран, за да се отваря или затваря, което позволява на изследователите да избират кои части от полето да гледат. За да използват тези микрозатвори, изследователите първо правят изображение с помощта на друг инструмент като NIRCam, за да изберат обектите, които представляват интерес. След това те командват капаците, съответстващи на тези интересни обекти, да се отворят, докато другите остават затворени.

Това позволява на светлината от целите, като например определени галактики, да свети през детекторите на телескопа, без да позволява на светлината от фона да изтече също. „Като отворите само вратата, където е галактиката, и затворите всички останали врати, когато светлината идва от този обект, той се разпръсква в спектър и нямате цялата останала светлина, преминаваща през него“, Маккогриан казах. „Това го прави по-чувствителен.“

Тази мулти-обектна спектроскопия може да се използва за разглеждане на определени галактики в изображения с дълбоко поле, което е особено полезно за изучаване на най-ранните галактики, които са силно изместени в червено. И този метод е в състояние да получи спектри от до 100 обекта наведнъж – което го прави много ефективен начин за събиране на данни.

Справяне с твърде много светлина

Както демонстрират микрозатворите, една сложна част от работата с високочувствителни инструменти е работата с твърде много светлина. Вземете работата на Джеймс Уеб ще направи на Юпитер през първите няколко месеца на работа – всъщност е много трудно да се изобразят пръстените и луните около Юпитер, защото самата планета е толкова ярка. Ако слабият обект, който се опитвате да наблюдавате, е до много ярък, той може да издуха вашите показания, така че всичко, което виждате, е светлина от по-яркия обект.

Подобен проблем възниква, когато се опитате да наблюдавате далечни екзопланети, които са много тъмни в сравнение със звездите, около които обикалят. За да се справи с това предизвикателство, Джеймс Уеб има друг трик в ръкава си, наречен коронография.

И NIRCam, и MIRI имат коронографски режими, чиято най-проста форма е да поставите малък метален диск пред яркия обект, за да блокирате светлината му. Тогава можете да наблюдавате по-лесно другите, по-слаби източници на светлина около него. Но този подход има своите ограничения: ако яркият обект се движи зад диска, неговата светлина може да се разлее през краищата и да съсипе наблюденията. Можете да направите диска по-малък, така че да блокира само централната най-ярка точка на обекта, но тогава все още ще имате много излишна светлина, с която да се справите. Можете да направите диска по-голям, но тогава той ще блокира други обекти, които са близо до яркия обект.

Така че има друга форма на този коронографски режим, който използва хардуер, наречен фазова маска с четири квадранта. „Това е много умна оптика“, каза Маккогрийн. „Няма метален диск, но има четири различни парчета стъкло, които придават различни фази на навлизащата светлина. Когато мислим за светлината като вълна, а не като фотони, светлината има фаза. Ако поставите яркия източник точно на кръста, където се срещат тези четири различни фазови плочи, можете направете го така, че светлината действително да се отмени от звездата, поради вълновата интерференция ефект.”

Това означава, че ако го подредите правилно, така че яркият обект да е точно в средата на тези квадранти, светлината от звездата ще бъде премахната, но светлината от други обекти като планети ще остане видими. Това го прави идеален за наблюдение на екзопланети, обикалящи близо до техните звезди-домакини, които иначе биха били невъзможни за виждане.

Използване на времето

Още един начин да се справите с комбинация от ярки и тъмни обекти е да вземете многократни показания във времето. За разлика от нещо като вашия телефон, който прави снимка и след това незабавно се нулира, детекторите в Webb могат да вземат множество показания без нулиране.

„Така че можем да направим поредица от снимки с течение на времето с един и същ детектор, тъй като той натрупва светлина от слабите източници“, обяснява McCaughrean. „Но когато погледнем данните, можем да използваме първите изображения за ярките източници, преди да се наситят, и след това да продължим да натрупваме светлина от слабите източници и да получим чувствителността. Той ефективно разширява динамичния обхват, като прочита многократно детекторите.“

Друг режим, в който инструментите могат да работят, се нарича наблюдение на времеви серии, което всъщност е просто вземане на много показания едно след друго за улавяне на обекти, които се променят с времето. Това е полезно за улавяне на обекти, които мигат, като пулсиращи неутронни звезди, наречени магнетари, или за разглеждане на екзопланети, които се движат през лицето на тяхната звезда-домакин в движение, наречено транзит.

„Когато една планета преминава пред звездата, вие искате да я хванете в краищата на транзита, както и в средата на транзита“, каза Маккогрийн. „Така че просто продължавате да го гледате и продължавате да събирате данни.“

Едно предизвикателство с този метод е, че той изисква телескопът да остане почти идеално подравнен, тъй като ако се премести дори леко, това ще внесе шум в данните. Но добрата новина е, че телескопът се представя изключително добре по отношение на насочване към обект и оставане в място, благодарение на сензора за фино насочване, който се фиксира върху близките звезди и се настройва за всякакви смущения, като слънчеви ветрове.

Предизвикателства при работата с Webb

Както при всяка технология, има ограничения за това, което Webb може да направи. Едно от големите практически ограничения за учените, използващи Webb, е количеството данни, които могат да съберат от телескопа. За разлика от Хъбъл, който обикаля около Земята, Уеб обикаля около слънцето на a позиция, наречена L2.

Това е на около 1 милион мили от Земята, така че Webb е оборудван с a мощна радио антена който може да изпраща данни обратно на Земята със скорост от 28 мегабита в секунда. Това е доста впечатляващо - както Маккогрийн посочи, това е значително по-бързо от Wi-Fi в неговия хотел, който използвахме да говори, дори на много по-голямо разстояние - но това не е близо до общото количество данни, което инструментите могат да приемат на второ.

Обсерваторията има малко количество твърдотелно хранилище, около 60 GB, който може да записва данни за кратко време, ако инструментите събират повече данни, отколкото могат да бъдат изпратени обратно, действайки като буфер. Това може да не звучи много в сравнение с вида хранилище, което обикновено получавате на телефон или лаптоп, но изискванията за хардуер, който е безопасен срещу радиация и може да издържи до десетилетия употреба, са доста различни.

Това ограничение означава, че изследователите трябва да бъдат селективни относно това какви данни дават по приоритет във връзките надолу от телескопа, като избират само най-важните данни за своите нужди. Може да се чудите защо Webb не е разположен по-близо до Земята в този случай, но орбитата L2 е от съществено значение за начина, по който работи - и причината се дължи на температурите.

„Хората смятат, че космосът е студен, добре, не и ако сте до голям обект, който ви нагрява всеки ден като Земята или слънцето“, каза Маккогрийн. „Така че, ако искате да гледате в инфрачервения спектър, трябва да сте сигурни, че телескопът ви е невероятно студен, така че да не излъчва при дължините на вълните, които се опитвате да открий.” Ето защо Webb има огромен слънцезащитен щит, за да го поддържа хладен, и защо е на L2, така че слънцезащитният щит да може да блокира топлината както от слънцето, така и от Земята.

„Изградихме обсерватория, която трябва да бъде на L2, трябва да е там, за да изстине, за да може да предостави тази наука. И тъй като е на ниво L2, имаме само определена честотна лента“, обясни Маккогрийн. „Няма такова нещо като безплатен обяд, нека го кажем така.“

Обществото решава

Първата година от наблюденията на Webb е внимателно планирана. През първите пет месеца от научните операции ще работи научни програми за ранно освобождаване, които са предназначени да прокарат границите на хардуера на Webb и да видят на какво е способен. През първата си година ще работи по програми, които са избрани Цикъл 1, включително изследване на екзопланети, черни дупки, дълбоки полета и др.

Отвъд това обаче бъдещата работа, която трябва да се извърши с помощта на Webb, е до голяма степен отворена. Изследователите представят предложения за това какви данни искат да събират с помощта на Webb и тези предложения се рецензират, за да се изберат тези, които са най-интересни от научна гледна точка. „Общността решава какво да се прави с обсерваторията“, каза Маккогрийн.

Това участие на общността вече е променило начина, по който Webb се използва - например изследването на екзопланети в момента отнема около една трета от наличното време за наблюдение в първия кръг от изследвания. Когато McCaughrean и колегите му планираха как може да се използва Webb в началото на 2000-те години, те не си представяха ще има някъде близо до толкова много изследвания на екзопланети, които се правят, защото толкова малко екзопланети са били открити по това време време.

Това прави Webb различен от мисиите с много специфична цел, като обсерваторията Gaia на ESA, която е създаден специално за създаване на 3D карта на галактиката и по-скоро като Хъбъл, който е проектиран да посрещне много изследователски нужди. „Това определено е обсерватория с общо предназначение“, каза Маккогрийн. „Трябва само да погледнете Хъбъл и как се е развил през годините. Отчасти чрез въвеждането на нови инструменти, но най-вече чрез решението на научната общност, че има различни приоритети и различни области, които трябва да се направят.

Тази гъвкавост е възможна, защото Webb е проектиран да бъде полезен за изследвания в много области - включително приложения, за които все още не сме се сетили. Уеб е прогнозирано да продължи най-малко 20 години, а ние едва сме започнали да проучваме какво може да направи през това време.

„Това е вълнуващото. Ако изградите много мощна, много способна обсерватория с общо предназначение, тя в много отношения е ограничена само от креативността на общността“, каза Маккогрийн. „Уеб е това, което го правим сега.“

Препоръки на редакторите

• Джеймс Уеб забелязва древен прах, който може да е от най-ранните свръхнови
• Увеличете мащаба на зашеметяващото изображение на Джеймс Уеб, за да видите галактика, образувана преди 13,4 милиарда години
• Джеймс Уеб забелязва най-отдалечената активна супермасивна черна дупка, откривана някога
• Джеймс Уеб открива улики за мащабната структура на Вселената
• Джеймс Уеб открива важна молекула в зашеметяващата мъглявина Орион