Das wird das James-Webb-Weltraumteleskop als nächstes beobachten

Die Welt kam letzte Woche in einer seltenen Demonstration internationaler Einheit zusammen, um staunend auf die Welt zu starren erste wissenschaftliche Bilder Produziert vom James Webb Space Telescope. Jahrzehntelange Entwicklung und das Ergebnis der Bemühungen Tausender Menschen aus der ganzen Welt Das Teleskop wird die Astronomie revolutionieren, indem es uns ermöglicht, tiefer als je zuvor in den Kosmos zu blicken Vor.

Webb verfügt über den größten Spiegel, der jemals ins All geschossen wurde, sowie über die größte Sonnenblende und ist das leistungsstärkste jemals gebaute Weltraumteleskop. Die ersten Bilder sind nur ein Vorgeschmack darauf, wozu dieses bemerkenswerte Stück Technologie fähig ist. Um mehr darüber zu erfahren, welche zukünftige wissenschaftliche Forschung dieser Gigant ermöglichen wird, haben wir mit Mark McCaughrean, interdisziplinärem Webb-Wissenschaftler bei der Europäischen Weltraumorganisation, gesprochen.

McCaughrean wird einer der ersten Forscher sein, der Webb für seine Arbeit in den USA nutzt Orionnebel, und er ist seit mehr als 20 Jahren an der Planung des Teleskops beteiligt. Er erzählte uns alles darüber, wie Webb die Grenzen der Astronomie erweitern und Entdeckungen ermöglichen wird, die wir uns noch nicht einmal ansatzweise vorstellen konnten.

Das Universum im Infrarot sehen

Als Astronomen in den 1980er-Jahren begannen, sich Webb vorzustellen, hatten sie einen konkreten Plan vor Augen: Sie wollten ein kosmologisches Forschungsinstrument, um auf die frühesten Galaxien im Universum zurückzublicken.

Wissenschaftler wussten, dass diese frühen Galaxien da draußen waren und kurz davor standen, für uns zugänglich zu sein, weil das Hubble-Weltraumteleskop einige ziemlich frühe Galaxien beobachtet hatte. Beim Blick in die Wellenlänge des sichtbaren Lichts konnte Hubble Hunderte dieser Galaxien identifizieren, die sich innerhalb weniger hundert Millionen Jahre nach dem Urknall bildeten. Aber diese Galaxien hatten sich bereits gebildet, und die Forscher wollten noch weiter zurückblicken, um zu sehen, wie sie sich tatsächlich bildeten.

Dazu brauchten sie ein Werkzeug, das im infraroten Wellenlängenbereich jenseits des sichtbaren Lichts schauen konnte. Das liegt daran, dass die frühesten Galaxien genauso sichtbares Licht ausstrahlten wie heutige Galaxien. Aber das Universum dehnt sich mit der Zeit aus, und das bedeutet, dass sich die Galaxien, die wir am Himmel sehen, von uns entfernen. Je älter die Galaxie ist, desto weiter ist sie entfernt. Und dieser Abstand verursacht ein Phänomen namens Rotverschiebung.

Ähnlich dem Doppler-Effekt, bei dem Töne ihre wahrgenommene Tonhöhe mit dem Abstand zwischen ihnen ändern Die Quelle und der Beobachter ändern sich, die Wellenlänge des Lichts ändert sich, wenn sich seine Quelle entfernt uns. Dieses Licht wird zum röteren Ende des Spektrums verschoben, daher der Name Rotverschiebung.

Das Licht der allerältesten Galaxien ist also so stark rotverschoben, dass es nicht mehr als sichtbares Licht beobachtet werden kann. Stattdessen ist es als Infrarot sichtbar – und das ist die Wellenlänge, in der Webb arbeitet.

Auf diese Weise ist Webb in der Lage, die allerersten Galaxien zu entdecken und zu identifizieren. Wenn Webb eine Galaxie sehen kann, die im Infrarotbereich hell leuchtet, für Teleskope, die hauptsächlich auf sichtbarem Licht basieren, jedoch schwach oder unsichtbar ist Wie Hubble können Forscher sicher sein, dass sie eine Galaxie gefunden haben, die extrem rotverschoben ist – was bedeutet, dass sie sehr weit und daher sehr weit entfernt ist alt.

Auch im erstes Deep-Field-Bild Von Webb aus kann man einige extrem alte Galaxien sehen. Der Galaxienhaufen, der im Mittelpunkt des Bildes steht, ist 4,6 Milliarden Jahre alt, aber aufgrund seiner Masse krümmt er die Raumzeit um ihn herum. Das bedeutet, dass auch das Licht von Galaxien hinter diesem Haufen gebeugt wird, sodass der Haufen durch einen Effekt namens Gravitationslinsenwirkung wie eine Lupe wirkt. Einige der Galaxien Die in diesem Tiefenfeld beobachteten Objekte sind etwa 13 Milliarden Jahre alt, was bedeutet, dass sie in der ersten Milliarde Jahre des Universums entstanden sind.

Erweitern, um mehr zu tun

Obwohl Webb ursprünglich als kosmologisches Werkzeug konzipiert war, weitete es sich bald zu weit mehr als dem aus.

Im Laufe der jahrzehntelangen Planung für Webb erkannten die Designer, dass das von ihnen entwickelte Werkzeug für weitaus vielfältigere Bereiche als nur die Kosmologie eingesetzt werden konnte. Sie fügten neue Instrumente hinzu, wie MIRI, das eher im mittleren Infrarot als im nahen Infrarot arbeitet und sich eher für die Untersuchung der Sternen- und Planetenentstehung als für die Kosmologie eignet. Dieser Unterschied bringt seine eigene Herausforderung mit sich, wie es bei diesem Instrument der Fall ist verschiedene Detektoren von den anderen Instrumenten und erfordert dessen eigener Kühler. Aber zusammen mit anderen Instrumenten erweitert es die Möglichkeiten von Webb um eine ganze Reihe von Möglichkeiten.

„Der ursprüngliche Fokus des Teleskops lag viel mehr auf dem Universum mit hoher Rotverschiebung“, fasste McCaughrean zusammen. „Das war das höchste Ziel, diese ersten Sterne und Galaxien zu finden, die nach dem Urknall entstanden sind. Alles andere danach ist „nice to have“. Aber im Laufe des Projekts ist es uns gelungen, daraus vier Themen zu machen: Kosmologie, Sternentstehung, Planetenwissenschaft und Galaxienentwicklung. Und wir haben dafür gesorgt, dass das Observatorium all das leisten kann.“

Kameras und Spektrographen

Webb hat vier Instrumente an Bord: die Nahinfrarotkamera oder NIRCam, den Nahinfrarotspektrographen oder NIRSpec, der Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph oder NIRISS, und das Mid-Infrared Instrument oder MIRI. Es gibt auch einen Sensor namens Fine Guidance Sensor (FGS), der dabei hilft, das Teleskop in die richtige Richtung auszurichten.

Bei den Instrumenten handelt es sich um eine Mischung aus Kameras und Spektrographen, bei denen es sich um Instrumente zur Aufspaltung von Licht in verschiedene Wellenlängen handelt, sodass Sie sehen können, welche Wellenlängen absorbiert wurden. Dadurch können Sie erkennen, woraus ein Objekt besteht, indem Sie das von ihm abgegebene Licht betrachten.

Während die von den Kameras aufgenommenen Bilder die größte öffentliche Aufmerksamkeit erregen, sollten die Spektrographen als wissenschaftliches Werkzeug nicht unterschätzt werden. Etwa die Hälfte der derzeit zur Verfügung stehenden Beobachtungszeit wird der Spektroskopie gewidmet, beispielsweise für die Analyse der Zusammensetzung der Atmosphären von Exoplaneten. Das liegt zum Teil daran, dass die Aufnahme eines Spektrums eines Objekts mehr Zeit in Anspruch nimmt als für die Aufnahme eines Bildes davon, und zum Teil liegt das daran, dass die Spektroskopie Dinge leisten kann, die mit der Bildgebung nicht möglich sind.

Kameras und Spektrographen arbeiten ebenfalls zusammen, da die bei der Bildgebung verwendeten Filter nützlich sind, um Objekte auszuwählen, die mit den Spektrographen untersucht werden sollen.

„Stellen Sie sich vor, Sie machen ein Tiefenfeld und machen mit NIRCam einige Tiefenbilder“, erklärte McCaughrean. „Dann verwendet man verschiedene Filter, um Kandidaten auszuwählen, weil es in diesem Bereich viel zu viele Dinge geben wird, die man mit der Spektroskopie einzeln betrachten kann. Man braucht also die Bildgebung, um die Kandidaten zu finden“, indem man beispielsweise die Farben in einem Bild betrachtet, um zu entscheiden, dass es sich bei einem bestimmten Objekt beispielsweise um eine Galaxie mit hoher Rotverschiebung und nicht um einen schwachen Stern in der Nähe handelt.

Dies wurde bereits in der Praxis bewiesen, mit Webbs erstes Deep-Field-Bild. Die Aufnahme erfolgte mit der NIRCam-Kamera, die in einem atemberaubenden Bild eine große Anzahl naher und ferner Galaxien erfassen konnte. Dann bestimmte Ziele, wie z Galaxie über 13 Milliarden Jahre alt, wurden mit dem NIRSpec-Spektrographen ausgewählt und beobachtet und sammelten Daten über die Zusammensetzung und Temperatur dieser frühen Galaxie.

„Es ist so ein wunderschönes, klares Spektrum“, sagte McCaughrean. „So etwas hat noch nie jemand irgendwo gesehen. Wir wissen also jetzt, dass diese Maschine unglaublich leistungsstark arbeitet.“

Mehrere Modi

Um die vollen Fähigkeiten von Webb zu verstehen, sollten Sie wissen, dass die vier Instrumente nicht nur jeweils über einen Modus verfügen – sie können auf verschiedene Arten verwendet werden, um verschiedene Ziele zu betrachten. Insgesamt gibt es 17 Modi zwischen den vier Instrumenten, und jedes dieser Instrumente musste getestet und verifiziert werden, bevor das Teleskop für bereit erklärt wurde, den wissenschaftlichen Betrieb aufzunehmen.

Nehmen Sie zum Beispiel das NIRSpec-Instrument. Es kann verschiedene Arten der Spektroskopie durchführen, einschließlich der Festspaltspektroskopie, einem hochempfindlichen Modus zur Untersuchung einzelner Ziele (z. B. die Analyse des Lichts, das von verschmelzenden Neutronensternen, sogenannten Kilonovas, abgegeben wird) oder die Feldeinheitenspektroskopie, bei der Spektren auf mehrere Arten untersucht werden Pixel über einen kleinen Bereich, um Kontextinformationen über ein Ziel zu erhalten (z. B. die Betrachtung einer extrem weit entfernten Galaxie, die durch die Gravitation verzerrt wurde). Linseneffekt).

Die dritte Art der Spektroskopie, die NIRSpec durchführt, ist etwas ganz Besonderes, die sogenannte Mehrobjektspektroskopie. Es verwendet winzige fensterartige Fensterläden, die in einem Format angeordnet sind, das als Mikroverschluss-Array bezeichnet wird. „Im Grunde handelt es sich um kleine Geräte mit einem Durchmesser von ein paar Zentimetern, von denen wir vier haben. In jedem dieser Geräte gibt es 65.000 kleine Einzelverschlüsse“, sagte McCaughrean.

Jeder dieser Fensterläden kann einzeln gesteuert werden, um sich zu öffnen oder zu schließen, sodass Forscher auswählen können, welche Teile eines Feldes sie betrachten. Um diese Mikroverschlüsse zu verwenden, nehmen Forscher zunächst ein Bild mit einem anderen Instrument wie NIRCam auf, um die gewünschten Objekte auszuwählen. Dann befehlen sie den Fensterläden, die diesen Objekten von Interesse entsprechen, sich zu öffnen, während die anderen geschlossen bleiben.

Dadurch kann das Licht der Ziele, beispielsweise bestimmter Galaxien, auf die Detektoren des Teleskops durchscheinen, ohne dass auch Licht aus dem Hintergrund durchdringt. „Indem man nur dann die Tür öffnet, in der sich die Galaxie befindet, und alle anderen Türen schließt, wenn das Licht durchkommt Bei diesem Objekt breitet es sich in ein Spektrum aus, und das gesamte andere Licht kommt nicht durch“, sagte McCaughrean sagte. „Das macht es empfindlicher.“

Mit dieser Multiobjektspektroskopie können bestimmte Galaxien in Tieffeldbildern betrachtet werden, was besonders für die Untersuchung der frühesten Galaxien mit starker Rotverschiebung nützlich ist. Und diese Methode ist in der Lage, Spektren von bis zu 100 Objekten gleichzeitig zu erfassen – was sie zu einer sehr effizienten Methode zur Datenerfassung macht.

Umgang mit zu viel Licht

Wie die Mikroverschlüsse zeigen, ist der Umgang mit zu viel Licht ein heikler Teil der Arbeit mit hochempfindlichen Instrumenten. Nehmen Sie die Arbeit von James Webb wird auf Jupiter reichen In den ersten Betriebsmonaten ist es tatsächlich sehr schwierig, sich die Ringe und Monde um Jupiter vorzustellen, weil der Planet selbst so hell ist. Wenn das schwache Objekt, das Sie beobachten möchten, neben einem sehr hellen Objekt liegt, kann dies Ihre Messwerte verfälschen, sodass Sie nur noch das Licht des helleren Objekts sehen.

Ein ähnliches Problem entsteht, wenn man versucht, entfernte Exoplaneten zu beobachten, die im Vergleich zu den Sternen, die sie umkreisen, sehr dunkel sind. Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat James Webb einen weiteren Trick im Ärmel: die Koronographie.

Sowohl NIRCam als auch MIRI verfügen über Koronographiemodi. Die einfachste Form besteht darin, eine kleine Metallscheibe vor das helle Objekt zu legen, um dessen Licht auszublenden. Dann können Sie die anderen, schwächeren Lichtquellen um ihn herum besser beobachten. Doch dieser Ansatz hat seine Grenzen: Bewegt sich das helle Objekt hinter der Scheibe, kann sein Licht über die Ränder ausstrahlen und die Beobachtungen ruinieren. Sie könnten die Scheibe verkleinern, sodass sie nur den zentralen, hellsten Punkt des Objekts ausblendet, aber dann müssten Sie immer noch mit viel überschüssigem Licht umgehen. Sie könnten die Scheibe vergrößern, aber dann würden andere Objekte, die sich in der Nähe des hellen Objekts befinden, ausgeblendet.

Es gibt also eine andere Form dieses Koronographiemodus, die Hardware verwendet, die als Vierquadranten-Phasenmaske bezeichnet wird. „Das ist ein sehr cleveres Stück Optik“, sagte McCaughrean. „Es hat keine Metallscheibe, sondern vier verschiedene Glasstücke, die dem einfallenden Licht unterschiedliche Phasen verleihen. Wenn wir Licht als Welle und nicht als Photonen betrachten, hat Licht eine Phase. Wenn Sie die helle Quelle genau an dem Kreuz platzieren, an dem sich diese vier verschiedenen Phasenplatten treffen, ist das möglich Berechnen Sie es so, dass sich das Licht aufgrund der Welleninterferenz tatsächlich vom Stern auslöscht Wirkung."

Das heißt, wenn Sie es genau so ausrichten, dass sich das helle Objekt genau in der Mitte dieser Quadranten befindet, Das Licht des Sterns wird ausgelöscht, das Licht anderer Objekte wie Planeten jedoch weiterhin sichtbar. Das macht es ideal für die Beobachtung von Exoplaneten, die in der Nähe ihrer Muttersterne kreisen und sonst möglicherweise nicht zu sehen wären.

Zeit nutzen

Eine weitere Möglichkeit, mit einer Mischung aus hellen und dunklen Objekten umzugehen, besteht darin, im Laufe der Zeit mehrere Messungen vorzunehmen. Im Gegensatz zu etwas wie Ihrem Telefon, das ein Bild aufnimmt und sich dann sofort zurücksetzt, können die Detektoren in Webb mehrere Messungen ohne Zurücksetzen durchführen.

„So können wir mit demselben Detektor im Laufe der Zeit eine Reihe von Bildern aufnehmen, während er das Licht der schwachen Quellen aufbaut“, erklärt McCaughrean. „Aber wenn wir uns die Daten ansehen, können wir die ersten Bilder für die hellen Quellen verwenden, bevor sie in die Sättigung gehen, und dann das Licht der schwachen Quellen weiter aufbauen und die Empfindlichkeit ermitteln.“ Durch das mehrfache Auslesen der Detektoren wird der Dynamikbereich effektiv erweitert.“

Ein anderer Modus, in dem die Instrumente arbeiten können, ist die sogenannte Zeitreihenbeobachtung. Dabei werden im Grunde nur viele Messwerte nacheinander erfasst, um Objekte zu erfassen, die sich im Laufe der Zeit ändern. Das ist nützlich für die Aufnahme von Objekten, die aufblitzen, etwa pulsierende Neutronensterne, sogenannte Magnetare, oder für die Beobachtung von Exoplaneten, die sich in einer Bewegung namens Transit über die Oberfläche ihres Wirtssterns bewegen.

„Wenn ein Planet vor dem Stern vorbeizieht, möchte man ihn sowohl an den Rändern des Transits als auch in der Mitte des Transits einfangen“, sagte McCaughrean. „Also schauen Sie es sich einfach weiter an und nehmen Sie weiterhin Daten auf.“

Eine Herausforderung bei dieser Methode besteht darin, dass das Teleskop nahezu perfekt ausgerichtet bleiben muss, da bereits eine geringfügige Bewegung zu Rauschen in den Daten führen würde. Aber die gute Nachricht ist, dass das Teleskop hinsichtlich der Ausrichtung auf ein Objekt und dem Verbleib darin äußerst gut funktioniert Ort, dank des Fine Guidance Sensors, der sich auf nahegelegene Sterne konzentriert und sich an etwaige Störungen wie Sonneneinstrahlung anpasst Winde.

Herausforderungen bei der Arbeit mit Webb

Wie bei jeder Technologie gibt es Einschränkungen hinsichtlich der Möglichkeiten von Webb. Eine der großen praktischen Einschränkungen für Wissenschaftler, die Webb verwenden, ist die Datenmenge, die sie mit dem Teleskop sammeln können. Im Gegensatz zu Hubble, das die Erde umkreist, umkreist Webb die Sonne mit einer Geschwindigkeit von a Position namens L2.

Das ist etwa 1 Million Meilen von der Erde entfernt, also ist Webb mit einem ausgestattet leistungsstarke Funkantenne Das kann Daten mit einer Geschwindigkeit von 28 Megabit pro Sekunde zur Erde zurücksenden. Das ist ziemlich beeindruckend – wie McCaughrean betonte, ist das wesentlich schneller als das WLAN in seinem Hotel, das wir nutzten zu sprechen, sogar über eine viel größere Distanz – aber es ist nicht annähernd die Gesamtdatenmenge, die die Instrumente pro Sekunde aufnehmen können zweite.

Das Observatorium verfügt über eine kleine Menge Festkörperspeicher, rund 60 GB, das Daten für kurze Zeit aufzeichnen kann, wenn die Instrumente mehr Daten sammeln, als zurückgesendet werden können, und als Puffer fungiert. Das klingt vielleicht nicht nach viel im Vergleich zu der Art von Speicher, die man normalerweise auf einem Telefon oder Laptop hat, aber das Die Anforderungen an Hardware, die strahlungssicher ist und jahrzehntelangem Einsatz standhält, sind sehr unterschiedlich.

Diese Einschränkung bedeutet, dass Forscher selektiv entscheiden müssen, welche Daten sie in Downlinks vom Teleskop priorisieren, und nur die für ihre Bedürfnisse wichtigsten Daten auswählen müssen. Sie fragen sich vielleicht, warum Webb in diesem Fall nicht näher an der Erde positioniert ist, aber die L2-Umlaufbahn ist für seine Funktionsweise von entscheidender Bedeutung – und der Grund liegt in den Temperaturen.

„Die Leute denken, der Weltraum sei kalt, aber nicht, wenn man sich in der Nähe eines großen Objekts befindet, das einen jeden Tag aufheizt, wie die Erde oder die Sonne“, sagte McCaughrean. „Wenn Sie also im Infrarotbereich schauen möchten, müssen Sie sicherstellen, dass Ihr Teleskop unglaublich kalt ist, damit es nicht bei den Wellenlängen sendet, die Sie anstreben erkennen.“ Aus diesem Grund verfügt Webb über ein riesiges Sonnenschutzdach, das dabei hilft, es kühl zu halten, und es ist auf L2 ausgelegt, sodass das Sonnenschutzdach die Hitze sowohl von der Sonne als auch von außen abschirmen kann Erde.

„Wir haben ein Observatorium gebaut, das auf L2 sein muss, es muss dort sein, um kalt zu werden, damit es diese Wissenschaft liefern kann. Und weil es auf L2 liegt, haben wir nur eine bestimmte Bandbreite“, erklärte McCaughrean. „So etwas wie ein kostenloses Mittagessen gibt es nicht, sagen wir mal so.“

Die Gemeinde entscheidet

Das erste Jahr der Webb-Beobachtungen ist sorgfältig geplant. In den ersten fünf Monaten des Wissenschaftsbetriebs wird daran gearbeitet Frühzeitige wissenschaftliche Programme, die darauf ausgelegt sind, die Grenzen der Webb-Hardware auszutesten und zu sehen, wozu sie fähig ist. Innerhalb seines ersten Jahres wird es an Programmen arbeiten, für die es ausgewählt wurde Zyklus 1, einschließlich der Erforschung von Exoplaneten, Schwarzen Löchern, Tiefenfeldern und mehr.

Darüber hinaus ist die zukünftige Arbeit mit Webb jedoch weitgehend offen. Forscher reichen Vorschläge für die Daten ein, die sie mit Webb sammeln möchten, und diese Vorschläge werden von Experten begutachtet, um diejenigen auszuwählen, die wissenschaftlich am interessantesten sind. „Die Gemeinde entscheidet, was mit der Sternwarte geschieht“, sagte McCaughrean.

Diese Beteiligung der Gemeinschaft hat die Art und Weise, wie Webb verwendet wird, bereits verändert – beispielsweise nimmt die Exoplanetenforschung derzeit etwa ein Drittel der verfügbaren Beobachtungszeit in der ersten Forschungsrunde ein. Als McCaughrean und seine Kollegen Anfang der 2000er Jahre planten, wie Webb eingesetzt werden könnte, konnten sie sich das nicht vorstellen Es würde auch nur annähernd so viel Exoplanetenforschung geben, weil zu diesem Zeitpunkt so wenige Exoplaneten entdeckt worden waren Zeit.

Dies unterscheidet Webb von Missionen mit einem ganz bestimmten Zweck, wie zum Beispiel dem Gaia-Observatorium der ESA Es wurde speziell entwickelt, um eine 3D-Karte der Galaxie zu erstellen, und ähnelt eher Hubble, das für viele Menschen konzipiert wurde Forschungsbedarf. „Es ist definitiv ein Allzweck-Observatorium“, sagte McCaughrean. „Man muss sich nur Hubble ansehen und wie es sich im Laufe der Jahre entwickelt hat. Teilweise durch den Einsatz neuer Instrumente, aber vor allem durch die Entscheidung der wissenschaftlichen Gemeinschaft, dass es unterschiedliche Prioritäten und unterschiedliche Bereiche gibt, die getan werden müssen.“

Diese Flexibilität ist möglich, weil Webb so konzipiert ist, dass es für die Forschung in vielen Bereichen nützlich ist – einschließlich Anwendungen, an die wir noch nicht gedacht haben. Webb ist voraussichtlich von Dauer sein mindestens 20 Jahre, und wir haben gerade erst begonnen zu erforschen, was es in dieser Zeit leisten könnte.

„Das ist das Spannende. „Wenn man ein sehr leistungsstarkes, sehr leistungsfähiges Allzweck-Observatorium baut, wird es in vielerlei Hinsicht allein durch die Kreativität der Community begrenzt“, sagte McCaughrean. „Webb ist das, was wir jetzt daraus machen.“

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