Her er hvad James Webb-rumteleskopet vil observere næste gang

Verden kom sammen i sidste uge i et sjældent show af international enhed for at stirre undrende på første videnskabelige billeder produceret af James Webb Space Telescope. Årtier undervejs og resultatet af indsatsen fra tusindvis af mennesker fra hele verden, den teleskopet skal revolutionere astronomi ved at give os mulighed for at kigge dybere ind i kosmos end nogensinde før Før.

Webb har det største spejl, der nogensinde er sendt ud i rummet, samt det største solskjold, og det er det kraftigste rumteleskop, der nogensinde er bygget. De første billeder er blot en forsmag på, hvad dette bemærkelsesværdige stykke teknologi er i stand til at gøre. Så for at finde ud af mere om, hvad fremtidig videnskabelig forskning vil blive muliggjort af denne gigant, talte vi med Mark McCaughrean, Webb Interdisciplinary Scientist ved European Space Agency.

McCaughrean vil være en af ​​de første forskere til at bruge Webb til sit arbejde inden for Oriontågen, og han har været involveret i planlægningen af ​​teleskopet i mere end 20 år. Han fortalte os alt om, hvordan Webb vil skubbe grænserne for astronomi og muliggøre opdagelser, vi ikke engang er begyndt at forestille os.

At se universet i infrarødt

Da astronomer først begyndte at forestille sig Webb i 1980'erne, havde de en specifik plan i tankerne: De ønskede et kosmologisk forskningsværktøj til at se tilbage på de tidligste galakser i universet.

Forskere vidste, at disse tidlige galakser var derude og var tæt på at være tilgængelige for os, fordi Hubble-rumteleskopet havde observeret nogle ret tidlige galakser. Når man kiggede i det synlige lyss bølgelængde, kunne Hubble identificere hundredvis af disse galakser, som blev dannet inden for et par hundrede millioner år efter Big Bang. Men disse galakser var allerede dannet, og forskerne ønskede at se endnu længere tilbage for at se dem faktisk dannes.

For at gøre det havde de brug for et værktøj, der kunne se i den infrarøde bølgelængde ud over synligt lys. Det skyldes, at de tidligste galakser afgav synligt lys ligesom galakser gør i dag. Men universet udvider sig over tid, og det betyder, at de galakser, vi ser på himlen, bevæger sig væk fra os. Jo ældre galaksen er, jo længere væk er den. Og denne afstand forårsager et fænomen kaldet rødforskydning.

Svarende til Doppler-effekten, hvor lyde ændrer deres opfattede tonehøjde som afstanden imellem kilden og observatøren ændrer sig, lysets bølgelængde ændres, når dens kilde bevæger sig væk fra os. Dette lys flyttes til den rødere ende af spektret, deraf navnet rødforskydning.

De allerældste galakser har altså lys, der er rødforskudt så meget, at det ikke længere kan observeres som synligt lys. I stedet er det synligt som infrarødt - og det er den bølgelængde, som Webb opererer i.

Sådan er Webb i stand til at opdage og identificere de allertidligste galakser. Hvis Webb kan se en galakse, der skinner stærkt i det infrarøde, men som er svag eller usynlig for primært synligt lys-baserede teleskoper ligesom Hubble, så kan forskere være sikre på, at de har fundet en galakse, som er ekstremt rødforskudt - hvilket betyder, at den er meget langt væk, og derfor meget gammel.

Selv i første dybe felt billede fra Webb kan du se nogle ekstremt gamle galakser. Galaksehoben, som er i fokus på billedet, er 4,6 milliarder år gammel, men på grund af sin masse bøjer den rumtiden rundt om sig. Det betyder, at lys, der kommer fra galakser bag denne hob, også er bøjet, så hoben fungerer som et forstørrelsesglas i en effekt, der kaldes gravitationslinser. Nogle af galakserne set i dette dybe felt er omkring 13 milliarder år gamle, hvilket betyder at de er dannet i universets første milliard år.

Udvider for at gøre mere

Hvis Webb oprindeligt blev konceptualiseret som et kosmologisk værktøj, udvidede det sig dog hurtigt til at blive langt mere end det.

I løbet af årtiers planlægning for Webb indså designerne, at det værktøj, de byggede, kunne bruges til langt mere forskelligartede områder end blot kosmologi. De tilføjede nye instrumenter, som MIRI, der ser i den mellem-infrarøde bølgelængde snarere end den nær-infrarøde og er mere nyttig til at studere stjerne- og planetdannelse end kosmologi. Denne forskel bringer sin egen udfordring, som dette instrument har forskellige detektorer fra de andre instrumenter og kræver sit egen køler. Men sammen med andre instrumenter udvider det, hvad Webb kan gøre, til en lang række muligheder.

"Teleskopets oprindelige fokus var meget mere på universet med høj rødforskydning," opsummerede McCaughrean. "Det var det højeste mål, at finde disse første stjerner og galakser, der blev dannet efter Big Bang. Alt andet efter det er et 'rart at have'. Men i løbet af projektets fremskridt lykkedes det os at omdanne det til fire temaer: kosmologi, stjernedannelse, planetarisk videnskab og galakseudvikling. Og vi sørgede for, at observatoriet ville være i stand til alle disse."

Kameraer og spektrografer

Webb har fire instrumenter om bord: Near-Infrared Camera eller NIRCam, Near-Infrared Spectrograph eller NIRSpec, Near InfraRed Imager og Slitless Spectrograph eller NIRISS, og det midt-infrarøde instrument eller MIRI. Der er også en sensor kaldet Fine Guidance Sensor (FGS), som hjælper med at pege teleskopet i den rigtige retning.

Instrumenterne er en blanding af kameraer og spektrografer, som er instrumenter til at opdele lys i forskellige bølgelængder, så man kan se, hvilke bølgelængder der er blevet absorberet. Dette lader dig se, hvad et objekt består af, ved at se på det lys, det afgiver.

Selvom billederne taget af kameraerne får mest offentlig opmærksomhed, skal spektrograferne ikke undervurderes som et videnskabeligt værktøj. Omkring halvdelen af ​​den aktuelt tildelte observationstid er dedikeret til spektroskopi til opgaver som at analysere sammensætningen af ​​exoplanetatmosfærer. Dels skyldes det, at det tager længere tid at tage et spektrum af et objekt end at tage et billede af det, og dels fordi spektroskopi kan gøre ting, som billeddannelse ikke kan.

Kameraer og spektrografer arbejder også sammen, da de filtre, der bruges til billeddannelse, er nyttige til at vælge objekter, der skal studeres med spektrograferne.

"Forestil dig, at du laver et dybt felt og tager nogle dybe billeder med NIRCam," forklarede McCaughrean. »Så bruger man forskellige filtre til at udvælge kandidater, for der bliver alt for mange ting at se på i det felt én efter én med spektroskopi. Så du har brug for billeddannelsen for at finde kandidaterne," såsom ved at se på farverne i et billede for at afgøre, at et givent objekt for eksempel er en høj rødforskydningsgalakse og ikke en svag nærliggende stjerne.

Dette er allerede blevet demonstreret i praksis, med Webbs første dybe feltbillede. Billeddannelsen blev udført med NIRCam-kameraet, som var i stand til at opfange et stort antal galakser både nær og fjern i ét fantastisk billede. Derefter bestemte mål, som f.eks galakse over 13 milliarder år gammel, blev udvalgt og observeret med NIRSpec-spektrografen, der indsamlede data om denne tidlige galakses sammensætning og temperatur.

"Det er sådan et smukt, rent spektrum," sagde McCaughrean. "Ingen har nogensinde set noget lignende før fra nogen steder. Så nu ved vi, at denne maskine fungerer utroligt stærkt.”

Flere tilstande

For at forstå Webbs fulde muligheder skal du vide, at de fire instrumenter ikke kun har én tilstand hver – de kan bruges på flere måder til at se på forskellige mål. I alt er der 17 tilstande mellem de fire instrumenter, og hver af disse skulle testes og verificeres, før teleskopet blev erklæret klar til at starte videnskabelige operationer.

Tag for eksempel NIRSpec-instrumentet. Den kan udføre flere typer spektroskopi, herunder spektroskopi med fast spalte, som er en meget følsom metode til at undersøge individuelle mål (såsom at analysere det lys, der afgives ved at fusionere neutronstjerner kaldet en kilonova), eller feltenhedsspektroskopi, som ser på spektre for flere pixels over et lille område for at få kontekstuel information om et mål (som at se på en ekstremt fjern galakse, der er blevet fordrejet af gravitation linse).

Den tredje type spektroskopi, som NIRSpec udfører, er noget helt særligt kaldet multi-objektspektroskopi. Den bruger bittesmå vindueslignende skodder arrangeret i et format kaldet et mikrolukker-array. "De er dybest set små enheder på et par centimeter på tværs, hvoraf vi har fire. I hver af disse enheder er der 65.000 små individuelle skodder," sagde McCaughrean.

Hver af disse skodder kan styres individuelt til at åbne eller lukke, så forskerne kan vælge, hvilke dele af et felt de ser på. For at bruge disse mikroskodder tager forskerne først et billede ved hjælp af et andet instrument som NIRCam for at vælge objekterne af interesse. Derefter beordrer de skodderne, der svarer til disse genstande af interesse, til at åbne, mens de andre forbliver lukkede.

Dette gør det muligt for lyset fra målene, såsom bestemte galakser, at skinne igennem på teleskopets detektorer uden også at tillade lys fra baggrunden at sive igennem. ”Ved kun at åbne døren, hvor galaksen er, og lukke alle de andre døre, når lyset kommer igennem fra det objekt, bliver det spredt ud i et spektrum, og du har ikke alt det andet lys, der kommer igennem," McCaughrean sagde. "Det gør det mere følsomt."

Denne multi-objekt spektroskopi kan bruges til at se på bestemte galakser i dybfeltsbilleder, hvilket er særligt nyttigt til at studere de tidligste galakser, der er stærkt rødforskudte. Og denne metode er i stand til at få spektre fra op til 100 objekter på én gang – hvilket gør det til en meget effektiv måde at indsamle data på.

Beskæftiger sig med for meget lys

Som mikroskodderne viser, er en vanskelig del af arbejdet med meget følsomme instrumenter at håndtere for meget lys. Tag værket James Webb vil gøre på Jupiter i dets første par måneders drift - det er faktisk meget svært at forestille sig ringene og månerne omkring Jupiter, fordi planeten selv er så lys. Hvis det svage objekt, du forsøger at observere, er ved siden af ​​et meget lyst, kan det blæse dine målinger ud, så alt du ser er lys fra det lysere objekt.

Et lignende problem opstår, når man forsøger at observere fjerne exoplaneter, som er meget svage sammenlignet med de stjerner, de kredser om. For at håndtere denne udfordring har James Webb et andet trick i ærmet kaldet koronografi.

Både NIRCam og MIRI har koronografitilstande, hvor den enkleste form er at placere en lille metalskive foran den lyse genstand for at blokere dens lys. Så kan du nemmere observere de andre, svagere lyskilder omkring den. Men denne tilgang har sine begrænsninger: Hvis det lyse objekt bevæger sig rundt bag disken, kan dets lys vælte ud over kanterne og ødelægge observationerne. Du kan gøre disken mindre, så den blokerer kun det centrale, lyseste punkt af objektet, men så vil du stadig have en masse overskydende lys at håndtere. Du kunne gøre disken større, men så ville den blokere andre genstande, der er tæt på det lyse objekt.

Så der er en anden form for denne koronagrafi-tilstand, der bruger hardware kaldet fire-kvadrant-fasemasken. "Dette er et meget smart stykke optik," sagde McCaughrean. "Den har ikke en metalskive, men den har fire forskellige stykker glas, som giver forskellige faser i lyset, der kommer ind. Når vi tænker på lys som en bølge, snarere end som fotoner, har lys en fase. Hvis du sætter lyskilden lige på krydset, hvor de fire forskellige faseplader mødes, kan du arbejde det sådan, at lyset faktisk vil annullere fra stjernen på grund af bølgeinterferensen effekt."

Det betyder, at hvis du retter det helt rigtigt op, så det lyse objekt er præcis i midten af ​​disse kvadranter, lyset fra stjernen vil blive annulleret, men lyset fra andre objekter som planeter vil stadig være det synlig. Det gør den ideel til at observere exoplaneter, der kredser tæt på deres værtsstjerner, som ellers ville være umulige at se.

At bruge tiden

Endnu en måde at håndtere en blanding af lyse og dunkle objekter på er at tage flere aflæsninger over tid. I modsætning til noget som din telefon, der tager et billede og derefter straks nulstilles, kan detektorerne i Webb tage flere aflæsninger uden at nulstille.

"Så vi kan tage en række billeder over tid med den samme detektor, da den opbygger lyset fra de svage kilder," forklarer McCaughrean. ”Men når vi ser på dataene, kan vi bruge de første billeder til de lyse kilder, før de mættes, og så blive ved med at opbygge lys fra de svage kilder og få følsomheden. Det udvider effektivt det dynamiske område ved at aflæse detektorerne flere gange."

En anden tilstand, instrumenterne kan fungere i, kaldes tidsserieobservationer, som i bund og grund bare tager mange aflæsninger efter hinanden for at fange objekter, der ændrer sig over tid. Det er nyttigt til at fange objekter, der blinker, såsom pulserende neutronstjerner kaldet magnetarer, eller til at se på exoplaneter, der bevæger sig hen over forsiden af ​​deres værtsstjerne i en bevægelse, der kaldes en transit.

"Når en planet passerer foran stjernen, vil du fange den ved kanterne af transitten såvel som i midten af ​​transitten," sagde McCaughrean. "Så du bliver ved med at se det, og du bliver ved med at tage data."

En udfordring med denne metode er, at det kræver, at teleskopet forbliver i næsten perfekt justering, fordi hvis det bevægede sig selv lidt, ville det introducere støj i dataene. Men den gode nyhed er, at teleskopet yder ekstremt godt med hensyn til at pege på et objekt og blive i sted, takket være Fine Guidance Sensor, der låser sig fast på nærliggende stjerner og justerer for eventuelle forstyrrelser såsom solenergi vinde.

Udfordringer i arbejdet med Webb

Som med ethvert stykke teknologi er der begrænsninger for, hvad Webb kan gøre. En af de store praktiske begrænsninger for forskere, der bruger Webb, er mængden af ​​data, som de kan indsamle fra teleskopet. I modsætning til Hubble, der kredser om Jorden, kredser Webb om solen ved en position kaldet L2.

Det er omkring 1 million miles væk fra Jorden, så Webb er udstyret med en kraftig radioantenne der kan sende data tilbage til Jorden med en hastighed på 28 megabit i sekundet. Det er ret imponerende - som McCaughrean påpegede, er det væsentligt hurtigere end Wi-Fi på hans hotel, som vi brugte at tale, selv over en meget større afstand - men det er ikke i nærheden af ​​den samlede mængde data, som instrumenterne kan tage pr. anden.

Observatoriet har en lille mængde faststoflager, omkring 60 GB, som kan optage data i kort tid, hvis instrumenterne opsamler flere data, end der kan sendes tilbage, og fungerer som en buffer. Det lyder måske ikke af meget sammenlignet med den slags lagerplads, du typisk får på en telefon eller bærbar computer, men det Kravene til hardware, der er sikker mod stråling og kan tåle årtiers brug, er ret forskellige.

Denne begrænsning betyder, at forskere skal være selektive med hensyn til, hvilke data de prioriterer i downlinks fra teleskopet, og kun vælge de mest vitale data til deres behov. Du undrer dig måske over, hvorfor Webb i så fald ikke er placeret tættere på Jorden, men L2-kredsløbet er afgørende for den måde, den fungerer på - og årsagen skyldes temperaturer.

"Folk tror, ​​at rummet er koldt, vel, ikke hvis du er ved siden af ​​en stor genstand, der varmer dig op hver dag som Jorden eller solen," sagde McCaughrean. "Så hvis du vil se i det infrarøde, skal du sørge for, at dit teleskop er utrolig koldt, så det ikke udsender ved de bølgelængder, som du forsøger at opdage." Det er derfor, Webb har en enorm solskærm, der hjælper med at holde den kølig, og hvorfor den er på L2, så solskærmen kan blokere varme fra både solen og Jorden.

"Vi har bygget et observatorium, der skal være ved L2, det skal være der for at blive koldt, så det kan levere denne videnskab. Og fordi det er på L2, har vi kun en vis båndbredde,” forklarede McCaughrean. "Der er ikke sådan noget som en gratis frokost, lad os sige det sådan."

Samfundet bestemmer

Det første år med Webb-observationer er nøje planlagt. I de første fem måneder af videnskabelige operationer vil det arbejde videre videnskabelige programmer for tidlig udgivelse, som er dem, der er designet til at skubbe grænserne for Webbs hardware og se, hvad den er i stand til. Inden for sit første år vil den arbejde på programmer, der er blevet udvalgt til Cyklus 1, herunder forskning i exoplaneter, sorte huller, dybe felter og meget mere.

Ud over det er det fremtidige arbejde, der skal udføres med Webb, dog stort set åbent. Forskere indsender forslag til, hvilke data de ønsker at indsamle ved hjælp af Webb, og disse forslag bliver peer-reviewet for at udvælge dem, der er mest videnskabeligt interessante. "Samfundet bestemmer, hvad der bliver gjort med observatoriet," sagde McCaughrean.

Denne samfundsengagement har allerede ændret måden Webb bruges på - for eksempel optager exoplanetforskning i øjeblikket omkring en tredjedel af tilgængelig observationstid i den første forskningsrunde. Da McCaughrean og hans kolleger planlagde, hvordan Webb kunne bruges i begyndelsen af ​​2000'erne, forestillede de sig ikke der ville være i nærheden af ​​så meget exoplanetforskning, der blev udført, fordi så få exoplaneter var blevet opdaget på det tidspunkt tid.

Dette gør Webb anderledes end missioner med et meget specifikt formål, som ESAs Gaia-observatorium, som er designet specifikt til at lave et 3D-kort over galaksen, og mere som Hubble, som blev designet til at møde mange forskningsbehov. "Det er helt sikkert et observatorium til almene formål," sagde McCaughrean. “Du skal kun se på Hubble, og hvordan den har udviklet sig gennem årene. Dels ved at sætte nye instrumenter på, men mest gennem det videnskabelige samfund, der beslutter, at der er forskellige prioriteter og forskellige områder, der skal gøres.”

Denne fleksibilitet er mulig, fordi Webb er designet til at være nyttig til forskning inden for en lang række områder - inklusive applikationer, vi ikke har tænkt på endnu. Webb er forventes at holde mindst 20 år, og vi er knap begyndt at udforske, hvad det kunne gøre i den tid.

»Det er det spændende. Hvis du bygger et meget kraftfuldt, meget dygtigt observatorium til almene formål, er det på mange måder begrænset kun af samfundets kreativitet, sagde McCaughrean. "Webb er, hvad vi gør det til nu."

Redaktørens anbefalinger

• James Webb opdager gammelt støv, der kunne være fra de tidligste supernovaer
• Zoom ind på det fantastiske James Webb-billede for at se en galakse dannet for 13,4 milliarder år siden
• James Webb får øje på det fjerneste aktive supermassive sorte hul, der nogensinde er opdaget
• James Webb får øje på ledetråde til universets struktur i stor skala
• James Webb opdager vigtigt molekyle i den fantastiske Orion-tåge