Zde je to, co bude dál pozorovat vesmírný dalekohled Jamese Webba

Svět se minulý týden sešel ve vzácné show mezinárodní jednoty, aby na ni s úžasem zíral první vědecké snímky vyrobeno vesmírným dalekohledem Jamese Webba. Desetiletí ve výrobě a výsledek úsilí tisíců lidí z celého světa teleskop je nastaven tak, aby způsobil revoluci v astronomii tím, že nám umožní nahlédnout hlouběji do vesmíru než kdy jindy před.

Webb má největší zrcadlo, jaké kdy bylo vypuštěno do vesmíru, stejně jako největší sluneční clonu a je to nejvýkonnější vesmírný dalekohled, jaký byl kdy postaven. První snímky jsou jen ochutnávkou toho, co tento pozoruhodný kus technologie dokáže. Abychom se tedy dozvěděli více o tom, jaký budoucí vědecký výzkum tento monstrum umožní, oslovili jsme Marka McCaughreana, Webba interdisciplinárního vědce z Evropské vesmírné agentury.

McCaughrean bude jedním z prvních výzkumníků, kteří Webba využili pro svou práci v oboru Mlhovina v Orionu, a na plánování dalekohledu se podílí více než 20 let. Řekl nám vše o tom, jak Webb posune hranice astronomie a umožní objevy, o kterých jsme si ani nezačali představovat.

Vidět vesmír v infračervené oblasti

Když si astronomové v 80. letech 20. století poprvé začali představovat Webba, měli na mysli konkrétní plán: Chtěli nástroj pro výzkum kosmologie, který by se podíval zpět na nejstarší galaxie ve vesmíru.

Vědci věděli, že tyto rané galaxie jsou tam venku a jsou pro nás blízko dostupné, protože Hubbleův vesmírný dalekohled pozoroval některé docela rané galaxie. Při pohledu na vlnovou délku viditelného světla mohl HST identifikovat stovky těchto galaxií, které vznikly během několika set milionů let od Velkého třesku. Ale tyto galaxie se již vytvořily a výzkumníci se chtěli podívat ještě dále, aby viděli, jak se skutečně formují.

K tomu potřebovali nástroj, který by se mohl dívat v infračervené vlnové délce mimo viditelné světlo. Je to proto, že nejstarší galaxie vydávaly viditelné světlo stejně jako dnešní galaxie. Vesmír se ale časem rozpíná, a to znamená, že galaxie, které vidíme na obloze, se od nás vzdalují. Čím je galaxie starší, tím je dále. A tato vzdálenost způsobuje jev zvaný červený posuv.

Podobně jako u Dopplerova jevu, ve kterém zvuky mění svou vnímanou výšku jako vzdálenost mezi zdroj a pozorovatel se mění, vlnová délka světla se mění, jak se jeho zdroj vzdaluje nás. Toto světlo je posunuto k červenějšímu konci spektra, odtud název redshift.

Nejstarší galaxie pak mají světlo, které je posunuto do červena natolik, že již není pozorovatelné jako viditelné světlo. Místo toho je viditelná jako infračervená — a to je vlnová délka, ve které Webb pracuje.

Tímto způsobem je Webb schopen detekovat a identifikovat úplně nejstarší galaxie. Pokud Webb může vidět galaxii, která jasně září v infračerveném světle, ale která je matná nebo neviditelná pro dalekohledy založené na primárně viditelném světle jako Hubble, pak si vědci mohou být jisti, že našli galaxii s extrémně rudým posuvem – což znamená, že je velmi daleko, a tedy velmi starý.

Dokonce i v první snímek hlubokého pole z Webba, můžete vidět některé extrémně staré galaxie. Kupa galaxií, která je ohniskem snímku, je stará 4,6 miliardy let, ale kvůli své hmotnosti kolem sebe ohýbá časoprostor. To znamená, že světlo přicházející z galaxií za touto kupou je také ohnuto, takže kupa funguje jako lupa v efektu zvaném gravitační čočka. Některé z galaxií pozorované v tomto hlubokém poli jsou staré asi 13 miliard let, což znamená, že vznikly v první miliardě let vesmíru.

Rozšíření, abyste mohli udělat více

Pokud byl Webb původně koncipován jako nástroj kosmologie, brzy se rozšířil a stal se mnohem více než tím.

Během desetiletí plánování pro Webb si designéři uvědomili, že nástroj, který vytvářeli, by mohl být použit pro mnohem rozmanitější oblasti než jen pro kosmologii. Přidali nové přístroje, jako je MIRI, který vypadá ve střední infračervené vlnové délce spíše než v blízké infračervené oblasti a je užitečnější pro studium vzniku hvězd a planet než kosmologii. Tento rozdíl přináší svou vlastní výzvu, stejně jako tento nástroj různé detektory od ostatních nástrojů a vyžaduje jeho vlastní chladič. Spolu s dalšími nástroji ale rozšiřuje to, co Webb umí, na celou řadu možností.

"Původní zaměření dalekohledu bylo mnohem více na vesmír s vysokým rudým posuvem," shrnul McCaughrean. "To byl nejvyšší cíl, najít tyto první hvězdy a galaxie, které vznikly po velkém třesku." Všechno ostatní po tom je ‚hezké mít‘. Ale v průběhu projektu se nám to podařilo převést do čtyř témat: kosmologie, formování hvězd, planetární věda a evoluce galaxií. A my jsme se ujistili, že toho všeho bude observatoř schopna.“

Kamery a spektrografy

Webb má na palubě čtyři přístroje: Near-Infrared Camera nebo NIRCam, Near-Infrared Spectrograph nebo NIRSpec, Near InfraRed Imager a Slitless Spectrograph nebo NIRISS a Mid-Infrared Instrument nebo MIRI. K dispozici je také senzor s názvem Fine Guidance Sensor (FGS), který pomáhá nasměrovat dalekohled správným směrem.

Přístroje jsou kombinací kamer a spektrografů, což jsou nástroje pro rozdělení světla na různé vlnové délky, takže můžete vidět, jaké vlnové délky byly absorbovány. To vám umožní vidět, z čeho se předmět skládá, když se podíváte na světlo, které vydává.

Zatímco snímky pořízené kamerami přitahují největší pozornost veřejnosti, spektrografy by neměly být jako vědecký nástroj podceňovány. Přibližně polovina aktuálně vyhrazeného času na pozorování je věnována spektroskopii pro úkoly, jako je analýza složení atmosféry exoplanet. Částečně je to proto, že pořízení spektra objektu zabere více času než pořízení jeho obrazu, a částečně proto, že spektroskopie dokáže věci, které zobrazování nedokáže.

Kamery a spektrografy také spolupracují, protože filtry používané při zobrazování jsou užitečné pro výběr objektů ke studiu pomocí spektrografů.

„Představte si, že děláte hluboké pole a pořizujete hluboké snímky pomocí NIRCam,“ vysvětlil McCaughrean. "Pak použijete různé filtry k výběru kandidátů, protože v této oblasti bude příliš mnoho věcí, na které se můžete podívat jednu po druhé pomocí spektroskopie." Takže potřebujete zobrazení, abyste našli kandidáty, například když se podíváte na barvy na obrázku, abyste se rozhodli, že daný objekt je řekněme galaxie s vysokým rudým posuvem a ne slabá blízká hvězda.

To již bylo prokázáno v praxi, s Webbův první snímek v hlubokém poli. Snímání bylo provedeno kamerou NIRCam, která dokázala zachytit obrovské množství blízkých i vzdálených galaxií v jednom úžasném snímku. Potom konkrétní cíle, jako např galaxie stará více než 13 miliard let, byly vybrány a pozorovány spektrografem NIRSpec, který shromáždil údaje o složení a teplotě této rané galaxie.

"Je to tak krásné, čisté spektrum," řekl McCaughrean. „Nikdo nic takového nikdy odnikud neviděl. Takže nyní víme, že tento stroj funguje neuvěřitelně silně.“

Více režimů

Chcete-li porozumět úplným možnostem Webb, měli byste vědět, že každý z těchto čtyř nástrojů nemá pouze jeden režim – lze je použít několika způsoby k pohledu na různé cíle. Celkem jich je 17 režimů mezi čtyřmi přístroji a každý z nich musel být testován a ověřen, než byl dalekohled prohlášen za připravený k zahájení vědeckého provozu.

Vezměme si například nástroj NIRSpec. Může provádět několik typů spektroskopie, včetně spektroskopie s pevnou štěrbinou, což je vysoce citlivý režim pro zkoumání jednotlivých cílů (jako je analýza světla vydávaného sloučením neutronových hvězd nazývaných kilonova) nebo spektroskopie polních jednotek, která sleduje spektra pro vícenásobné pixelů na malé ploše, abyste získali kontextové informace o cíli (jako je pohled na extrémně vzdálenou galaxii, která byla pokřivena gravitací čočka).

Třetím typem spektroskopie NIRSpec je něco opravdu speciálního, co se nazývá multiobjektová spektroskopie. Využívá drobné okenice podobné okénkům uspořádané do formátu zvaného mikrozávěrové pole. „Jsou to v podstatě malá zařízení o průměru několika centimetrů, z nichž máme čtyři. V každém z těchto zařízení je 65 000 malých jednotlivých uzávěrů,“ řekl McCaughrean.

Každý z těchto uzávěrů lze individuálně ovládat pro otevírání nebo zavírání, což umožňuje výzkumníkům vybrat, na které části pole se dívají. Aby bylo možné tyto mikrozávěrky použít, vědci nejprve pořídí snímek pomocí jiného nástroje, jako je NIRCam, aby vybrali objekty zájmu. Poté přikážou, aby se okenice odpovídající těmto objektům zájmu otevřely, zatímco ostatní zůstanou zavřené.

To umožňuje světlu z cílů, jako jsou konkrétní galaxie, prosvítat na detektory dalekohledu, aniž by dovolilo prosvítání světla z pozadí. "Pouze otevřením dveří tam, kde je galaxie, a zavřením všech ostatních dveří, až projde světlo." ten objekt se rozprostře do spektra a vy už nepronikne všechno ostatní světlo,“ McCaughrean řekl. "To je citlivější."

Tato multiobjektová spektroskopie může být použita k pozorování konkrétních galaxií na snímcích hlubokého pole, což je zvláště užitečné pro studium nejstarších galaxií s vysokým rudým posuvem. A tato metoda je schopna získat spektra až ze 100 objektů najednou – což z ní činí velmi efektivní způsob sběru dat.

Zacházení s příliš velkým množstvím světla

Jak ukazují mikrozávěrky, jedna ošemetná část práce s vysoce citlivými přístroji se zabývá příliš velkým množstvím světla. Vezměte si práci Jamese Webba udělá na Jupiteru v prvních měsících provozu – je ve skutečnosti velmi těžké zobrazit prstence a měsíce kolem Jupiteru, protože planeta samotná je tak jasná. Pokud se slabý objekt, který se snažíte pozorovat, nachází vedle velmi jasného objektu, může vyhodit vaše naměřené hodnoty, takže vše, co vidíte, je světlo z jasnějšího objektu.

Podobný problém nastává, když se pokoušíte pozorovat vzdálené exoplanety, které jsou ve srovnání s hvězdami, kolem nichž obíhají, velmi slabé. Aby se James Webb vypořádal s touto výzvou, má v rukávu další trik zvaný koronografie.

NIRCam i MIRI mají režimy koronografie, jejichž nejjednodušší formou je umístit malý kovový disk před jasný objekt, aby blokoval jeho světlo. Pak můžete snáze pozorovat další, slabší světelné zdroje kolem něj. Ale tento přístup má svá omezení: pokud se jasný objekt pohybuje za diskem, jeho světlo se může rozlévat přes okraje a zničit pozorování. Mohli byste disk zmenšit, aby blokoval pouze nejjasnější centrální bod objektu, ale pak byste se stále museli vypořádat s velkým přebytkem světla. Mohli byste disk zvětšit, ale pak by blokoval další objekty, které jsou blízko jasného objektu.

Existuje tedy další forma tohoto koronografického režimu, který používá hardware nazývaný čtyřkvadrantová fázová maska. "Toto je velmi chytrý kus optiky," řekl McCaughrean. „Nemá kovový disk, ale má čtyři různé kusy skla, které dodávají přicházejícímu světlu různé fáze. Když uvažujeme o světle jako o vlně, spíše než jako o fotonech, světlo má fázi. Pokud umístíte zdroj světla přímo na kříž, kde se setkávají tyto čtyři různé fázové desky, můžete vypracujte to tak, že světlo se skutečně zruší z hvězdy kvůli interferenci vln účinek."

To znamená, že pokud to seřadíte přesně tak, aby byl jasný objekt přesně uprostřed těchto kvadrantů, světlo z hvězdy bude zrušeno, ale světlo z jiných objektů, jako jsou planety, bude stále viditelné. Díky tomu je ideální pro pozorování exoplanet obíhajících blízko svých hostitelských hvězd, které by jinak nebylo možné vidět.

Využití času

Dalším způsobem, jak zvládnout kombinaci jasných a tmavých objektů, je provést více měření v průběhu času. Na rozdíl od něčeho, jako je váš telefon, který pořídí snímek a poté se okamžitě resetuje, detektory ve Webb mohou provádět více měření bez resetování.

"Takže můžeme pořídit řadu snímků v průběhu času se stejným detektorem, protože vytváří světlo ze slabých zdrojů," vysvětluje McCaughrean. "Ale když se podíváme na data, můžeme použít první snímky pro jasné zdroje, než se nasytí, a pak pokračovat ve vytváření světla ze slabých zdrojů a získat citlivost. Účinně rozšiřuje dynamický rozsah tím, že načte detektory vícekrát.“

Dalším režimem, ve kterém mohou přístroje pracovat, se nazývá pozorování časových řad, což je v podstatě jen odečítání mnoha měření za sebou, aby se zachytily objekty, které se v čase mění. To je užitečné pro zachycení objektů, které blikají, jako jsou pulzující neutronové hvězdy zvané magnetary, nebo pro pozorování exoplanet, které se pohybují po tváři své hostitelské hvězdy v pohybu zvaném tranzit.

"Když planeta prochází před hvězdou, chcete ji zachytit na okrajích tranzitu i uprostřed tranzitu," řekl McCaughrean. "Takže to pořád sleduješ a bereš data."

Jednou z problémů této metody je, že vyžaduje, aby teleskop zůstal v téměř dokonalém vyrovnání, protože pokud by se byť jen nepatrně pohnul, vnesl by do dat šum. Dobrou zprávou však je, že dalekohled funguje velmi dobře, pokud jde o namíření na objekt a setrvání v něm místo díky senzoru jemného navádění, který se zaměří na blízké hvězdy a přizpůsobí se jakýmkoliv poruchám, jako je sluneční větry.

Výzvy při práci s Webb

Stejně jako u každé technologie existují omezení toho, co Webb dokáže. Jedním z velkých praktických omezení pro vědce používající Webb je množství dat, které mohou shromáždit z dalekohledu. Na rozdíl od HST, který obíhá kolem Země, Webb obíhá kolem Slunce v a pozici s názvem L2.

To je asi 1 milion mil daleko od Země, takže Webb je vybaven a výkonná rádiová anténa který dokáže posílat data zpět na Zemi rychlostí 28 megabitů za sekundu. To je docela působivé – jak poznamenal McCaughrean, je podstatně rychlejší než Wi-Fi v jeho hotelu, kterou jsme používali mluvit, a to i na mnohem větší vzdálenost – ale neblíží se to celkovému množství dat, které mohou nástroje převzít druhý.

Observatoř má malé množství úložiště v pevné fázi, kolem 60 GB, který může krátkodobě zaznamenávat data, pokud přístroje shromažďují více dat, než je možné poslat zpět, a fungují jako vyrovnávací paměť. To nemusí znít jako mnoho ve srovnání s typem úložiště, které obvykle dostanete na telefonu nebo notebooku, ale požadavky na hardware, který je bezpečný proti záření a vydrží desítky let používání, jsou poněkud odlišné.

Toto omezení znamená, že výzkumníci musí být selektivní v tom, jaká data upřednostňují v sestupných spojích z dalekohledu a vybírají pouze ta nejdůležitější data pro své potřeby. Možná se divíte, proč se Webb v takovém případě nenachází blíže k Zemi, ale oběžná dráha L2 je zásadní pro způsob, jakým funguje – a důvodem jsou teploty.

"Lidé si myslí, že vesmír je chladný, dobře, ne, pokud jste vedle velkého objektu, který vás každý den zahřívá, jako je Země nebo slunce," řekl McCaughrean. "Takže pokud se chcete dívat v infračerveném světle, musíte se ujistit, že váš dalekohled je neuvěřitelně studený, takže nevysílá na vlnových délkách, které se snažíte zjistit." To je důvod, proč má Webb obrovskou sluneční clonu, která pomáhá udržet ji v chladu, a proč je na L2, takže sluneční clona může blokovat teplo jak ze slunce, tak ze slunce. Země.

"Postavili jsme observatoř, která musí být na L2, musí tam být, aby se ochladila, aby mohla poskytnout tuto vědu." A protože je to na L2, máme jen určitou šířku pásma,“ vysvětlil McCaughrean. "Neexistuje nic jako oběd zdarma, řekněme to tak."

Rozhoduje komunita

První rok Webbových pozorování je pečlivě naplánován. V prvních pěti měsících vědeckého provozu bude fungovat dál vědecké programy s předčasným vydáním, což jsou ty, které jsou navrženy tak, aby posouvaly limity hardwaru Webb a viděli, čeho je schopen. Během prvního roku bude pracovat na programech, které byly vybrány Cyklus 1, včetně výzkumu exoplanet, černých děr, hlubokých polí a dalších.

Kromě toho je však budoucí práce, kterou je třeba provést pomocí Webb, do značné míry otevřená. Výzkumníci předkládají návrhy, jaká data chtějí shromažďovat pomocí Webb, a tyto návrhy jsou recenzovány, aby se vybraly ty, které jsou vědecky nejzajímavější. "Komunita rozhodne, co se s observatoří udělá," řekl McCaughrean.

Toto zapojení komunity již změnilo způsob, jakým se Webb používá – například výzkum exoplanet v současné době zabírá asi jednu třetinu dostupného pozorovacího času v prvním kole výzkumu. Když McCaughrean a jeho kolegové plánovali, jak by mohl být Webb použit na počátku 2000, netušili tam by bylo někde blízko tolik exoplanet výzkumu prováděného, ​​protože tak málo exoplanet bylo objeveno při tom čas.

Tím se Webb liší od misí s velmi specifickým účelem, jako je observatoř ESA Gaia, což je navržený speciálně k vytvoření 3D mapy galaxie a podobně jako Hubble, který byl navržen tak, aby vyhovoval mnoha výzkumné potřeby. "Je to zcela určitě univerzální observatoř," řekl McCaughrean. "Stačí se podívat na HST a na to, jak se během let vyvíjel." Částečně díky nasazení nových nástrojů, ale většinou díky rozhodnutí vědecké komunity, že existují různé priority a různé oblasti, které je třeba udělat.“

Tato flexibilita je možná, protože Webb je navržen tak, aby byl užitečný pro výzkum v celé řadě oblastí – včetně aplikací, o kterých jsme dosud neuvažovali. Webb je předpokládané, že vydrží nejméně 20 let a sotva jsme začali zkoumat, co by za tu dobu mohl udělat.

"To je ta vzrušující věc. Pokud postavíte velmi výkonnou, velmi schopnou univerzální observatoř, je v mnoha ohledech omezena pouze kreativitou komunity,“ řekl McCaughrean. "Webb je to, co z něj nyní děláme."

Doporučení redakce

• James Webb zahlédl prastarý prach, který by mohl pocházet z nejstarších supernov
• Přibližte si úchvatný snímek Jamese Webba a uvidíte galaxii, která vznikla před 13,4 miliardami let
• James Webb zahlédl nejvzdálenější aktivní supermasivní černou díru, která byla kdy objevena
• James Webb zaznamenává vodítka k rozsáhlé struktuře vesmíru
• James Webb detekuje důležitou molekulu v ohromující mlhovině Orion