Järgmisena jälgib James Webbi kosmoseteleskoop järgmist

Maailm tuli eelmisel nädalal kokku haruldasel rahvusvahelise ühtsuse etendusel, et imestusega silmitseda esimesed teaduslikud pildid toodetud James Webbi kosmoseteleskoobi poolt. Aastakümneid kestnud loomine ja tuhandete inimeste jõupingutuste tulemus kogu maailmast teleskoop on seatud astronoomiast revolutsiooniliselt muutma, võimaldades meil vaadata kosmosesse sügavamale kui kunagi varem enne.

Webbil on suurim peegel, mis kunagi kosmosesse lastud, ja ka suurim päikesekaitse ning see on võimsaim kosmoseteleskoop, mis eales ehitatud. Esimesed pildid on vaid maitse sellest, mida see tähelepanuväärne tehnoloogia suudab teha. Nii et selleks, et saada rohkem teavet selle kohta, milliseid tulevasi teadusuuringuid see behemot võimaldab, rääkisime Mark McCaughreaniga, Webbi interdistsiplinaarse teadlasega Euroopa Kosmoseagentuurist.

McCaughrean on üks esimesi teadlasi, kes kasutab Webbi oma töös Orioni udukogu, ja ta on teleskoobi kavandamisel osalenud üle 20 aasta. Ta rääkis meile kõike, kuidas Webb nihutab astronoomia piire ja võimaldab avastusi, mida me pole isegi ette kujutanud.

Universumi nägemine infrapunas

Kui astronoomid hakkasid 1980. aastatel Webbi ette kujutama, pidasid nad silmas konkreetset plaani: nad tahtsid kosmoloogia uurimisvahendit, mis vaataks tagasi universumi kõige varasematele galaktikatele.

Teadlased teadsid, et need varajased galaktikad on olemas ja meile ligipääsetavad, sest Hubble'i kosmoseteleskoop oli vaatlenud mõningaid üsna varaseid galaktikaid. Vaadates nähtava valguse lainepikkust, suutis Hubble tuvastada sadu neid galaktikaid, mis tekkisid mõnesaja miljoni aasta jooksul pärast Suurest Paugust. Kuid need galaktikad olid juba moodustunud ja teadlased tahtsid vaadata veelgi kaugemale tagasi, et näha nende tegelikku moodustumist.

Selleks vajasid nad tööriista, mis võiks vaadata infrapuna lainepikkust kaugemale nähtavast valgusest. Selle põhjuseks on asjaolu, et varaseimad galaktikad eraldasid nähtavat valgust, nagu galaktikad tänapäeval. Kuid universum laieneb aja jooksul ja see tähendab, et galaktikad, mida me taevas näeme, liiguvad meist eemale. Mida vanem on galaktika, seda kaugemal see on. Ja see kaugus põhjustab nähtuse, mida nimetatakse punanihkeks.

Sarnaselt Doppleri efektiga, mille puhul helid muudavad nende tajutavat helikõrgust vahekaugusena allikas ja vaatleja muutuvad, valguse lainepikkus muutub selle allikast eemaldudes meie. See valgus nihutatakse spektri punasemasse otsa, sellest ka nimi punanihe.

Kõige vanemates galaktikates on valgus, mis on punanihke nii palju, et seda ei saa enam nähtava valgusena vaadelda. Selle asemel on see nähtav infrapuna- ja see on lainepikkus, milles Webb töötab.

Nii suudab Webb tuvastada ja tuvastada kõige varasemaid galaktikaid. Kui Webb näeb galaktikat, mis särab eredalt infrapunas, kuid mis on hämar või nähtamatu peamiselt nähtavale valgusel põhinevatele teleskoopidele nagu Hubble, võivad teadlased olla kindlad, et nad on leidnud galaktika, mis on äärmiselt punanihkega – see tähendab, et see on väga kaugel ja seega väga vana.

Isegi aastal esimene süvavälja pilt Webbist näete mõnda äärmiselt vanu galaktikaid. Pildi fookuses olev galaktikaparv on 4,6 miljardit aastat vana, kuid oma massi tõttu painutab see enda ümber aegruumi. See tähendab, et selle parve taga asuvatest galaktikatest tulev valgus on samuti painutatud, nii et parv toimib gravitatsiooniläätse efektis nagu suurendusklaas. Mõned galaktikad sellel sügaval väljal nähtud on umbes 13 miljardit aastat vanad, mis tähendab, et need tekkisid universumi esimesel miljardil aastal.

Laienemine, et teha rohkem

Kui Webb oli algselt mõistetud kosmoloogiatööriistana, laienes see peagi, et saada palju enamaks.

Webbi kavandamise aastakümnete jooksul mõistsid disainerid, et nende loodud tööriista saab kasutada palju mitmekesisemates valdkondades kui ainult kosmoloogia. Nad lisasid uusi instrumente, nagu MIRI, mis vaatab pigem keskmise infrapuna lainepikkuse kui lähi-infrapuna lainepikkusega ja on kasulikum tähtede ja planeetide tekke uurimiseks kui kosmoloogia. See erinevus toob kaasa oma väljakutse, nagu see vahend on erinevad detektorid muudest instrumentidest ja nõuab seda oma jahuti. Kuid koos teiste instrumentidega laiendab see Webbi võimalusi paljudeks võimalusteks.

"Teleskoobi algne fookus oli palju rohkem suure punase nihkega universumil," võttis McCaughrean kokku. "See oli kõrgeim eesmärk, leida need esimesed tähed ja galaktikad, mis tekkisid pärast Suurt Pauku. Kõik muu pärast seda on "tore omada". Kuid projekti edenedes õnnestus meil muuta see neljaks teemaks: kosmoloogia, tähtede teke, planeediteadus ja galaktikate evolutsioon. Ja me tegime kindlaks, et observatoorium on nende kõigi jaoks võimeline.

Kaamerad ja spektrograafid

Webbil on neli instrumenti: lähiinfrapunakaamera ehk NIRCam, lähiinfrapunaspektrograaf või NIRSpec, lähiinfrapunakaamera ja piludeta spektrograaf või NIRISS ning keskmise infrapuna instrument või MIRI. Seal on ka andur nimega Fine Guidance Sensor (FGS), mis aitab suunata teleskoopi õiges suunas.

Instrumendid on segu kaameratest ja spektrograafidest, mis on vahendid valguse jagamiseks erinevateks lainepikkusteks, et saaksite näha, millised lainepikkused on neeldunud. See võimaldab teil näha, millest objekt koosneb, vaadates selle valgust.

Kuigi kaamerate tehtud pildid koguvad enim avalikku tähelepanu, ei tohiks spektrograafi kui teaduslikku tööriista alahinnata. Umbes pool praegu eraldatud vaatlusajast on pühendatud spektroskoopiale, näiteks eksoplaneedi atmosfääri koostise analüüsimiseks. Osaliselt on põhjuseks see, et objekti spektri võtmiseks kulub rohkem aega kui selle pildistamiseks, ja osaliselt seetõttu, et spektroskoopia suudab teha asju, mida pildistamine ei suuda.

Kaamerad ja spektrograafid töötavad ka koos, kuna pildistamisel kasutatavad filtrid on kasulikud spektrograafidega uuritavate objektide valimiseks.

"Kujutage ette, et teete sügavat välja ja teete NIRCamiga sügavaid pilte," selgitas McCaughrean. "Siis kasutate kandidaatide välja valimiseks erinevaid filtreid, sest spektroskoopia abil on selles valdkonnas liiga palju asju, mida ükshaaval vaadata. Seega on kandidaatide leidmiseks vaja pildistamist, näiteks pildil olevaid värve vaadates otsustamaks, et antud objekt on näiteks suure punase nihkega galaktika, mitte lähedal asuv nõrk täht.

Seda on praktikas juba tõestatud Webbi esimene süvavälja pilt. Pildistamine tehti NIRCami kaameraga, mis suutis ühe vapustava pildiga hõivata suure hulga galaktikaid nii lähedalt kui kaugelt. Seejärel konkreetsed sihtmärgid, nagu a üle 13 miljardi aasta vana galaktika, valiti välja ja vaadeldi NIRSpec spektrograafiga, kogudes andmeid selle varajase galaktika koostise ja temperatuuri kohta.

"See on nii ilus ja puhas spekter, " ütles McCaughrean. "Keegi pole midagi sellist varem kuskilt näinud. Seega teame nüüd, et see masin töötab uskumatult võimsalt.

Mitu režiimi

Webbi kõigi võimaluste mõistmiseks peaksite teadma, et kõigil neljal instrumendil ei ole ainult üks režiim – neid saab erinevate sihtmärkide vaatamiseks kasutada mitmel viisil. Kokku on neid 17 režiimi nelja instrumendi vahel ning kõiki neid tuli testida ja kontrollida enne, kui teleskoop oli teadustööde alustamiseks valmis.

Võtke näiteks NIRSpec instrument. See võib teostada mitut tüüpi spektroskoopiat, sealhulgas fikseeritud piluspektroskoopiat, mis on ülitundlik režiim üksikute sihtmärkide uurimiseks. (näiteks neutrontähtede, mida nimetatakse kilonovaks, eralduva valguse analüüs) või väljaühiku spektroskoopia, mis vaatleb spektreid mitme piksleid väikesel alal, et saada sihtmärgi kohta kontekstuaalset teavet (nt vaadelda ülikauget galaktikat, mida gravitatsioon on moonutanud lääts).

Kolmas spektroskoopiatüüp, mida NIRSpec teeb, on midagi tõeliselt erilist, mida nimetatakse mitme objekti spektroskoopiaks. See kasutab pisikesi aknataolisi aknaluuke, mis on paigutatud vormingusse, mida nimetatakse mikrokatiku massiiviks. "Need on põhimõtteliselt väikesed paarisentimeetrised seadmed, mida meil on neli. Igas neist seadmetest on 65 000 väikest individuaalset aknaluugi," ütles McCaughrean.

Kõiki neid aknaluuke saab avamiseks või sulgemiseks eraldi juhtida, võimaldades teadlastel valida, milliseid välja osi nad vaatavad. Nende mikroluukide kasutamiseks teevad teadlased esmalt pildi, kasutades huvipakkuvate objektide valimiseks teist instrumenti, nagu NIRCam. Seejärel käsivad nad neile huvipakkuvatele objektidele vastavatel aknaluugidel avada, teised aga jäävad suletuks.

See võimaldab sihtmärkide (nt teatud galaktikate) valgusel paista läbi teleskoobi detektoritele, ilma et ka taustavalgus läbi lekiks. "Avades ainult selle ukse, kus asub galaktika, ja sulgedes kõik teised uksed, kui valgus tuleb läbi see objekt levib spektriks ja kogu muu valgus ei pääse sellest läbi," McCaughrean ütles. "See muudab selle tundlikumaks."

Seda mitmeobjektilist spektroskoopiat saab kasutada konkreetsete galaktikate vaatlemiseks süvaväljapiltidel, mis on eriti kasulik kõige varasemate suure punanihkega galaktikate uurimiseks. Ja see meetod on võimeline koguma spektreid kuni 100 objektilt korraga – muutes selle väga tõhusaks andmete kogumiseks.

Liiga suure valgusega tegelemine

Nagu mikroluugid näitavad, on ülitundlike instrumentidega töötamise üks keeruline osa liiga palju valgust. Võtke töö James Webb teeb seda Jupiteril selle esimestel töökuudel – tegelikult on väga raske kujutada Jupiteri ümber olevaid rõngaid ja kuud, sest planeet ise on nii hele. Kui nõrk objekt, mida proovite jälgida, on väga heleda objekti kõrval, võib see teie näidud välja puhuda, nii et näete ainult heledama objekti valgust.

Sarnane probleem tekib siis, kui proovite vaadelda kaugeid eksoplaneete, mis on nende ümber tiirlevate tähtedega võrreldes väga hämarad. Selle väljakutsega toimetulemiseks on James Webbil veel üks nipp, mida nimetatakse koronagraafiaks.

Nii NIRCamil kui ka MIRI-l on koronagraafiarežiimid, mille lihtsaim vorm on asetada ereda objekti ette väike metallketas, et selle valgust varjata. Siis saate hõlpsamini jälgida teisi, hämaramaid valgusallikaid selle ümber. Kuid sellel lähenemisviisil on oma piirangud: kui hele objekt liigub ketta taga, võib selle valgus valguda üle servade ja rikkuda vaatlused. Võite ketta väiksemaks muuta, nii et see varjab objekti kõige heledama keskpunkti, kuid siis oleks teil siiski palju üleliigset valgust, millega toime tulla. Sa võid ketta suuremaks teha, kuid siis blokeeriks see muud objektid, mis on heleda objekti lähedal.

Seega on sellel koronagraafiarežiimil veel üks vorm, mis kasutab riistvara, mida nimetatakse neljakvadrandi faasimaskiks. "See on väga nutikas optikatükk, " ütles McCaughrean. "Sellel pole metallketast, kuid sellel on neli erinevat klaasitükki, mis annavad sissetulevale valgusele erinevad faasid. Kui me mõtleme valgusest kui lainest, mitte kui footonitest, on valgusel faas. Kui asetate ereda allika otse ristile, kus need neli erinevat faasiplaati kohtuvad, saate seda teha töötage välja nii, et lainehäirete tõttu kaob valgus tegelikult tähest mõju."

See tähendab, et kui joondate selle täpselt nii, et hele objekt oleks täpselt nende kvadrantide keskel, tähe valgus kustutatakse, kuid muude objektide, näiteks planeetide, valgus jääb endiselt alles nähtav. See muudab selle ideaalseks nende peremeestähtede lähedal tiirlevate eksoplaneetide vaatlemiseks, mida muidu oleks võimatu näha.

Aja kasutamine

Veel üks viis heledate ja hämarate objektide käsitlemiseks on aja jooksul mitu näitu. Erinevalt telefonist, mis pildistab ja seejärel kohe lähtestab, saavad Webbi detektorid võtta mitu näitu ilma lähtestamata.

"Nii et saame teha aja jooksul sama detektoriga pilte, kuna see kogub nõrgatest allikatest valgust," selgitab McCaughrean. "Kuid kui me vaatame andmeid, saame kasutada esimesi kujutisi eredate allikate jaoks, enne kui need küllastuvad, ja seejärel jätkata nõrkade allikate valguse kogumist ja saada tundlikkust. See laiendab tõhusalt dünaamilist ulatust, lugedes detektoreid mitu korda.

Teist režiimi, milles instrumendid saavad töötada, nimetatakse aegridade vaatlusteks, mis põhimõtteliselt on lihtsalt paljude näitude võtmine üksteise järel, et jäädvustada ajas muutuvaid objekte. See on kasulik välkuvate objektide, näiteks pulseerivate neutrontähtede, mida nimetatakse magnetaarideks, jäädvustamiseks või eksoplaneetide vaatamiseks, mis liiguvad üle oma peremeestähe näo liikumisel, mida nimetatakse transiidiks.

"Kuna planeet liigub tähe ees, tahate seda tabada nii transiidi servadest kui ka transiidi keskel," ütles McCaughrean. "Nii et te lihtsalt vaatate seda ja kogute andmeid."

Selle meetodi üheks väljakutseks on see, et teleskoop peab jääma peaaegu ideaalsesse joondusse, sest kui see kasvõi veidi liiguks, tooks see andmetesse müra. Kuid hea uudis on see, et teleskoop toimib objektile osutamise ja selles püsimise osas väga hästi. koht tänu peenjuhtimisandurile, mis lukustub lähedalasuvate tähtede külge ja kohandub mis tahes häiretega, nagu päikeseenergia tuuled.

Väljakutsed Webbiga töötamisel

Nagu iga tehnoloogia puhul, on ka Webbi tegemisel piirangud. Webbi kasutavate teadlaste üks suuri praktilisi piiranguid on andmete hulk, mida nad saavad teleskoobist koguda. Erinevalt Hubble'ist, mis tiirleb ümber Maa, tiirleb Webb ümber Päikese kell a positsioon nimega L2.

See asub Maast umbes 1 miljoni miili kaugusel, nii et Webb on varustatud a võimas raadioantenn mis suudab andmeid Maale tagasi saata kiirusega 28 megabitti sekundis. See on päris muljetavaldav – nagu McCaughrean märkis, on see oluliselt kiirem kui tema hotelli Wi-Fi, mida kasutasime. rääkida isegi palju suurema vahemaa tagant – kuid see ei ole ligilähedane andmehulgale, mida instrumendid võivad võtta teiseks.

Observatooriumis on väike kogus tahkismälu, umbes 60 GB, mis suudab andmeid lühiajaliselt salvestada, kui instrumendid koguvad rohkem andmeid kui tagasi saata, toimides puhvrina. See ei pruugi tunduda palju võrreldes telefoni või sülearvuti tavapärase salvestusruumiga, kuid nõuded riistvarale, mis on kiirguse eest ohutu ja talub aastakümneid kasutust, on üsna erinevad.

See piirang tähendab, et teadlased peavad valima, milliseid andmeid nad teleskoobi allalülides eelistavad, valides oma vajaduste jaoks ainult kõige olulisemad andmed. Võite küsida, miks Webb pole sel juhul Maale lähemal, kuid L2 orbiit on selle toimimise jaoks hädavajalik – ja põhjus on temperatuuride tõttu.

"Inimesed arvavad, et ruum on külm, noh, mitte siis, kui olete suure objekti kõrval, mis soojendab teid iga päev nagu Maa või päike," ütles McCaughrean. "Nii et kui soovite vaadata infrapunakiirgust, peate veenduma, et teie teleskoop on uskumatult külm, et see ei kiirgaks lainepikkustel, mida proovite tuvastada." Sellepärast on Webbil tohutu päikesekaitse, mis aitab seda jahedana hoida, ja miks see asub L2 juures, nii et päikesekaitse võib blokeerida nii päikese kui ka Maa.

„Oleme ehitanud observatooriumi, mis peab asuma teisel tasemel, see peab olema seal, et külmuda, et see saaks seda teadust edastada. Ja kuna see on L2-s, on meil ainult teatud ribalaius, ”selgitas McCaughrean. "Tasuta lõunasööki pole olemas, ütleme nii."

Kogukond otsustab

Webbi vaatluste esimene aasta on hoolikalt planeeritud. Teadustegevuse esimese viie kuu jooksul töötab see edasi varajase vabastamise teadusprogrammid, mis on loodud Webbi riistvara piire ületama ja vaatama, milleks see võimeline on. Esimesel aastal töötab see programmidega, mis on valitud 1. tsükkel, sealhulgas eksoplaneetide, mustade aukude, sügavate väljade ja muu uurimine.

Lisaks sellele on Webbi abil tehtav tulevane töö suures osas avatud. Teadlased esitavad ettepanekuid selle kohta, milliseid andmeid nad soovivad Webbi abil koguda, ja need ettepanekud vaadatakse läbi, et valida need, mis on teaduslikult kõige huvitavamad. "Kogukond otsustab, mida vaatluskeskusega tehakse," ütles McCaughrean.

See kogukonna kaasamine on juba muutnud seda, kuidas Webbi kasutatakse - näiteks võtab eksoplaneetide uurimine praegu esimeses uurimisvoorus umbes kolmandiku olemasolevast vaatlusajast. Kui McCaughrean ja tema kolleegid kavandasid, kuidas Webbi saaks 2000. aastate alguses kasutada, ei kujutanud nad ette eksoplaneetide uurimist tehakse nii palju lähedal, sest selleks ajaks oli avastatud nii vähe eksoplaneete aega.

See eristab Webbi väga konkreetse eesmärgiga missioonidest, nagu ESA Gaia observatoorium, mis on loodud spetsiaalselt galaktika 3D-kaardi koostamiseks ja rohkem nagu Hubble, mis oli loodud vastama paljudele uurimisvajadused. "See on kindlasti üldotstarbeline vaatluskeskus, " ütles McCaughrean. "Peate vaid vaatama Hubble'i ja seda, kuidas see on aastate jooksul arenenud. Osaliselt uute instrumentide kasutuselevõtu kaudu, kuid enamasti läbi teadlaskonna otsustades, et tegemist on erinevate prioriteetide ja erinevate valdkondadega.

See paindlikkus on võimalik, kuna Webb on loodud olema kasulik paljude valdkondade uurimisel, sealhulgas rakendustes, millele me pole veel mõelnud. Webb on prognoositakse kestma vähemalt 20 aastat ja me oleme vaevu hakanud uurima, mida see selle aja jooksul teha võiks.

"See on põnev asi. Kui ehitada väga võimas, väga võimekas üldotstarbeline vaatluskeskus, piirab seda paljuski ainult kogukonna loovus, ”ütles McCaughrean. "Web on see, mida me sellest praegu teeme."

Toimetajate soovitused

• James Webb märkab iidset tolmu, mis võis pärineda kõige varasematest supernoovadest
• Suumige vapustavat James Webbi pilti, et näha galaktikat, mis tekkis 13,4 miljardit aastat tagasi
• James Webb märkab kõige kaugema aktiivse supermassiivse musta augu, mis eales avastatud
• James Webb leiab vihjeid universumi suuremahulisele struktuurile
• James Webb tuvastab vapustavas Orioni udukogus olulise molekuli