Tässä on mitä James Webb -avaruusteleskooppi tarkkailee seuraavaksi

Maailma kokoontui viime viikolla harvinaiseen kansainvälisen yhtenäisyyden esitykseen katsomaan ihmeissään ensimmäiset tieteelliset kuvat tuottanut James Webb Space Telescope. Vuosikymmeniä tehty ja tuhansien ihmisten ponnistelujen tulos ympäri maailmaa teleskooppi on asetettu mullistamaan tähtitiede sallimalla meidän kurkistaa syvemmälle kosmokseen kuin koskaan ennen.

Webbillä on suurin koskaan avaruuteen laukaistu peili sekä suurin aurinkosuoja, ja se on tehokkain koskaan rakennettu avaruusteleskooppi. Ensimmäiset kuvat ovat vain esimakua siitä, mihin tämä merkittävä tekniikka pystyy. Joten saadaksemme lisätietoja siitä, mitä tulevaa tieteellistä tutkimusta tämä behemoti mahdollistaa, keskustelimme Mark McCaughreanin, Webbin monitieteisen tutkijan kanssa Euroopan avaruusjärjestöstä.

McCaughrean on yksi ensimmäisistä tutkijoista, joka käyttää Webbia työssään Orionin sumu, ja hän on ollut mukana kaukoputken suunnittelussa yli 20 vuotta. Hän kertoi meille kaiken siitä, kuinka Webb työntää tähtitieteen rajoja ja mahdollistaa löytöjä, joita emme ole edes alkaneet kuvitella.

Universumin näkeminen infrapunalla

Kun tähtitieteilijät alkoivat kuvitella Webbia 1980-luvulla, heillä oli erityinen suunnitelma mielessään: he halusivat kosmologian tutkimustyökalun, joka katsoisi taaksepäin maailmankaikkeuden varhaisimpiin galakseihin.

Tiedemiehet tiesivät, että nämä varhaiset galaksit olivat olemassa ja olivat lähellä meitä, koska Hubble-avaruusteleskooppi oli havainnut joitain melko varhaisia ​​galakseja. Kun tarkastellaan näkyvän valon aallonpituutta, Hubble pystyi tunnistamaan satoja näitä galakseja, jotka muodostuivat muutaman sadan miljoonan vuoden sisällä alkuräjähdyksestä. Mutta nämä galaksit olivat jo muodostuneet, ja tutkijat halusivat katsoa taaksepäin vielä pidemmälle nähdäkseen niiden muodostuvan.

Tätä varten he tarvitsivat työkalun, joka pystyi katsomaan infrapuna-aallonpituuteen näkyvän valon ulkopuolelle. Tämä johtuu siitä, että varhaisimmat galaksit antoivat näkyvää valoa aivan kuten galaksit nykyään. Mutta maailmankaikkeus laajenee ajan myötä, ja tämä tarkoittaa, että taivaalla näkemämme galaksit ovat siirtymässä pois meistä. Mitä vanhempi galaksi, sitä kauempana se on. Ja tämä etäisyys aiheuttaa ilmiön nimeltä punasiirtymä.

Samanlainen kuin Doppler-efekti, jossa äänet muuttavat havaittua sävelkorkeutta etäisyydeksi lähde ja havainnoija vaihtuvat, valon aallonpituus muuttuu lähteen poistuessa meille. Tämä valo siirtyy spektrin punaisempaan päähän, mistä johtuu nimi punasiirtymä.

Vanhimmissa galakseissa on siis valoa, joka on punasiirtynyt niin paljon, ettei sitä enää voida havaita näkyvänä valona. Sen sijaan se näkyy infrapunana - ja tämä on aallonpituus, jolla Webb toimii.

Näin Webb pystyy havaitsemaan ja tunnistamaan varhaisimmat galaksit. Jos Webb näkee galaksin, joka paistaa kirkkaasti infrapunassa, mutta joka on himmeä tai näkymätön ensisijaisesti näkyvään valoon perustuville teleskoopeille Kuten Hubble, tutkijat voivat luottaa siihen, että he ovat löytäneet galaksin, joka on erittäin punasiirtymässä – eli se on hyvin kaukana ja siksi hyvin vanha.

Jopa vuonna ensimmäinen syväkenttäkuva Webbistä voit nähdä erittäin vanhoja galakseja. Kuvan keskipisteenä oleva galaksijoukko on 4,6 miljardia vuotta vanha, mutta massansa vuoksi se taipuu ympärilleen avaruus-aikaa. Tämä tarkoittaa, että tämän joukon takana olevista galakseista tuleva valo on myös taipunut, joten tähtijoukko toimii kuin suurennuslasi efektissä, jota kutsutaan gravitaatiolinssiksi. Jotkut galakseista tällä syvällä kentällä havaitut ovat noin 13 miljardia vuotta vanhoja, mikä tarkoittaa, että ne muodostuivat maailmankaikkeuden ensimmäisen miljardin vuoden aikana.

Laajenna tehdäksesi enemmän

Jos Webb ajateltiin alun perin kosmologiseksi työkaluksi, se kuitenkin laajeni pian paljon enemmän.

Webbin vuosikymmenten suunnittelun aikana suunnittelijat ymmärsivät, että heidän rakentamaansa työkalua voidaan käyttää paljon monimuotoisemmilla aloilla kuin vain kosmologia. He lisäsivät uusia instrumentteja, kuten MIRI: n, joka näyttää keski-infrapuna-aallonpituudesta lähi-infrapunan sijaan ja on hyödyllisempi tähtien ja planeettojen muodostumisen tutkimiseen kuin kosmologiaan. Tämä ero tuo oman haasteensa, kuten tälläkin instrumentilla erilaisia ​​ilmaisimia muista välineistä ja vaatii sen oma jäähdytin. Mutta muiden instrumenttien ohella se laajentaa Webbin mahdollisuuksia moniin mahdollisuuksiin.

"Kaukoputken alkuperäinen painopiste oli paljon enemmän korkean punasiirtymän universumissa", McCaughrean tiivisti. "Se oli korkein tavoite, löytää nämä ensimmäiset tähdet ja galaksit, jotka muodostuivat alkuräjähdyksen jälkeen. Kaikki muu sen jälkeen on "kiva saada". Mutta projektin edistyessä onnistuimme kääntämään sen neljäksi teemaksi: kosmologia, tähtien muodostuminen, planeettatiede ja galaksien evoluutio. Ja varmistimme, että observatorio kykenee kaikkiin näihin."

Kamerat ja spektrografit

Webbillä on neljä instrumenttia: lähi-infrapunakamera tai NIRCam, lähi-infrapunaspektrografi tai NIRSpec, lähi-infrapunakamera ja rakoton spektrografi tai NIRISS sekä keski-infrapunainstrumentti tai MIRI. Siellä on myös Fine Guidance Sensor (FGS) -anturi, joka auttaa osoittamaan kaukoputken oikeaan suuntaan.

Instrumentit ovat sekoitus kameroita ja spektrografeja, jotka ovat välineitä valon jakamiseen eri aallonpituuksille, jotta näet, mitkä aallonpituudet ovat absorboituneet. Näin voit nähdä, mistä esine koostuu, katsomalla sen lähettämää valoa.

Vaikka kameroilla otetut kuvat keräävät eniten julkista huomiota, spektrografeja ei pidä aliarvioida tieteellisenä työkaluna. Noin puolet tällä hetkellä varatusta havainnointiajasta on omistettu spektroskopialle, esimerkiksi eksoplaneettojen ilmakehän koostumuksen analysointiin. Osittain tämä johtuu siitä, että kohteen spektrin ottaminen vie enemmän aikaa kuin kuvan ottaminen siitä, ja osittain siksi, että spektroskopialla voidaan tehdä asioita, joita kuvantaminen ei pysty.

Kamerat ja spektrografit toimivat myös yhdessä, sillä kuvantamisessa käytetyt suodattimet ovat hyödyllisiä spektrografien kanssa tutkittavien kohteiden valinnassa.

"Kuvittele, että teet syvän kentän ja otat syviä kuvia NIRCamilla", McCaughrean selitti. ”Sitten valitset ehdokkaita eri suodattimilla, koska spektroskopialla tulee olemaan aivan liian monta asiaa yksitellen tarkasteltavaksi. Tarvitset siis kuvantamisen ehdokkaiden löytämiseen”, esimerkiksi katsomalla kuvan värejä päättääksesi, että tietty kohde on esimerkiksi korkea punasiirtymägalaksi eikä himmeä lähellä oleva tähti.

Tämä on jo todistettu käytännössä, mm Webbin ensimmäinen syväkenttäkuva. Kuvaus tehtiin NIRCam-kameralla, joka pystyi poimimaan suuren määrän galakseja sekä läheltä että kaukaa yhdellä upealla kuvalla. Sitten tietyt kohteet, kuten a yli 13 miljardia vuotta vanha galaksi, poimittiin ja tarkkailtiin NIRSpec-spektrografilla, joka kerää tietoa tämän varhaisen galaksin koostumuksesta ja lämpötilasta.

"Se on niin kaunis, puhdas spektri", McCaughrean sanoi. "Kukaan ei ole koskaan ennen nähnyt mitään vastaavaa mistään. Joten tiedämme nyt, että tämä kone toimii uskomattoman tehokkaasti."

Useita tiloja

Ymmärtääksesi Webbin kaikki ominaisuudet, sinun pitäisi tietää, että näillä neljällä instrumentilla ei ole vain yhtä tilaa kullakin – niitä voidaan käyttää useilla tavoilla tarkastelemaan eri kohteita. Kaiken kaikkiaan niitä on 17 tilaa neljän instrumentin välillä, ja jokainen näistä oli testattava ja varmennettava ennen kuin teleskooppi julistettiin valmiiksi tieteellisten toimintojen aloittamiseen.

Otetaan esimerkiksi NIRSpec-instrumentti. Se voi suorittaa useita erilaisia ​​spektroskopiatyyppejä, mukaan lukien kiinteän rakospektroskopian, joka on erittäin herkkä tila yksittäisten kohteiden tutkimiseen. (kuten neutronitähtien, joita kutsutaan kilonovaksi, lähettämän valon analysointi) tai kenttäyksikköspektroskopia, joka tarkastelee spektrejä useille pikseleitä pienellä alueella saadaksesi asiayhteyteen liittyvää tietoa kohteesta (kuten tarkastella erittäin kaukaista galaksia, jota gravitaatio on vääntänyt linssi).

Kolmas spektroskopiatyyppi, jota NIRSpec tekee, on jotain todella erikoista, jota kutsutaan moniobjektispektroskopiaksi. Se käyttää pieniä ikkunamaisia ​​ikkunaluukkuja, jotka on järjestetty muotoon, jota kutsutaan mikrosuljinryhmäksi. "Ne ovat pohjimmiltaan pieniä, muutaman senttimetrin halkaisijaisia ​​laitteita, joita meillä on neljä. Jokaisessa laitteessa on 65 000 pientä yksittäistä ikkunaluukkua", McCaughrean sanoi.

Jokainen näistä ikkunaluukkuista voidaan ohjata erikseen avautumaan tai sulkeutumaan, jolloin tutkijat voivat valita, mitä kentän osia he katsovat. Käyttääkseen näitä mikrosulkimia tutkijat ottavat ensin kuvan käyttämällä toista instrumenttia, kuten NIRCam, valitakseen kiinnostavat kohteet. Sitten he käskevät näitä kiinnostavia kohteita vastaavat ikkunaluukut avautumaan, kun taas muut pysyvät kiinni.

Tämä sallii kohteiden, kuten tiettyjen galaksien, tulevan valon loistaa kaukoputken ilmaisimien läpi ilman, että myös taustalla tuleva valo pääsee vuotamaan läpi. "Avaa vain ovi, jossa galaksi on, ja sulkemalla kaikki muut ovet, kun valo tulee sisään tuo esine, se leviää spektriksi, eikä kaikkea muuta valoa tule läpi", McCaughrean sanoi. "Se tekee siitä herkemmän."

Tämän moniobjektispektroskopian avulla voidaan tarkastella tiettyjä galakseja syväkentän kuvissa, mikä on erityisen hyödyllistä tutkittaessa varhaisimpia galakseja, jotka ovat voimakkaasti punasiirtyneitä. Ja tällä menetelmällä voidaan saada spektrejä jopa 100 kohteesta kerralla – mikä tekee siitä erittäin tehokkaan tavan kerätä tietoja.

Liian suuren valon käsittely

Kuten mikrosulkimet osoittavat, yksi hankala osa erittäin herkkien instrumenttien kanssa työskentelyä on liian suuren valon käsittely. Ota työ James Webb tekee Jupiterilla sen ensimmäisten kuukausien aikana – Jupiterin ympärillä olevien renkaiden ja kuuiden kuvaaminen on itse asiassa erittäin vaikeaa, koska planeetta itsessään on niin kirkas. Jos haalea kohde, jota yrität tarkkailla, on erittäin kirkkaan kohteen vieressä, se voi puhaltaa lukemasi pois niin, että näet vain valoa kirkkaammasta kohteesta.

Samanlainen ongelma syntyy, kun yrität tarkkailla kaukaisia ​​eksoplaneettoja, jotka ovat hyvin himmeitä verrattuna niiden kiertämiin tähtiin. Tämän haasteen ratkaisemiseksi James Webbillä on toinen temppu, nimeltään koronagrafia.

Sekä NIRCamissa että MIRI: ssä on koronagrafiatilat, joista yksinkertaisin on asettaa pieni metallilevy kirkkaan esineen eteen sen valon peittämiseksi. Sitten voit helpommin tarkkailla muita, himmeämpiä valonlähteitä sen ympärillä. Mutta tällä lähestymistavalla on rajoituksensa: jos kirkas esine liikkuu levyn takana, sen valo voi valua reunojen yli ja pilata havainnot. Voit pienentää levyä niin, että se peittää vain kohteen kirkkaimman pisteen, mutta silloin sinulla olisi silti paljon ylimääräistä valoa käsiteltävänä. Voit tehdä levystä isomman, mutta silloin se peittäisi muut kohteet, jotka ovat lähellä kirkasta kohdetta.

Joten tässä koronagrafiatilassa on toinen muoto, joka käyttää laitteistoa, jota kutsutaan neljän neljänneksen vaihemaskiksi. "Tämä on erittäin näppärä optiikka", McCaughrean sanoi. "Sillä ei ole metallilevyä, mutta siinä on neljä erilaista lasinpalaa, jotka välittävät eri vaiheita sisään tulevalle valolle. Kun ajattelemme valoa aaltona, ei fotoneina, valolla on vaihe. Jos asetat kirkkaan lähteen suoraan ristiin, jossa nämä neljä erilaista vaihelevyä kohtaavat, voit tee se niin, että valo todella sammuu tähdestä aaltohäiriön vuoksi vaikutus."

Tämä tarkoittaa, että jos asetat sen juuri oikeaan riviin niin, että kirkas kohde on täsmälleen näiden neljännesten keskellä, tähden valo sammuu, mutta muista kohteista, kuten planeetoista, tuleva valo on edelleen näkyvissä. Tämä tekee siitä ihanteellisen tarkkailemaan eksoplaneettoja, jotka kiertävät lähellä isäntätähtiään, joita voisi muuten olla mahdoton nähdä.

Ajan hyödyntäminen

Vielä yksi tapa käsitellä kirkkaita ja himmeitä kohteita on ottaa useita lukemia ajan mittaan. Toisin kuin puhelimesi, joka ottaa kuvan ja sitten nollautuu välittömästi, Webbin ilmaisimet voivat ottaa useita lukemia nollaamatta.

"Joten voimme ottaa sarjan kuvia ajan mittaan samalla tunnistimella, koska se kerää valoa heikoista lähteistä", McCaughrean selittää. "Mutta kun tarkastelemme tietoja, voimme käyttää ensimmäisiä kuvia kirkkaille lähteille ennen kuin ne kyllästyvät, ja sitten jatkaa valon rakentamista heikoista lähteistä ja saada herkkyys. Se laajentaa tehokkaasti dynaamista aluetta lukemalla ilmaisimet useita kertoja."

Toinen tila, jossa instrumentit voivat toimia, on nimeltään aikasarjahavainnot, mikä tarkoittaa periaatteessa vain useiden lukemien ottamista peräkkäin ajan myötä muuttuvien kohteiden vangitsemiseksi. Siitä on hyötyä välkkyvien kohteiden, kuten magnetareiksi kutsuttujen sykkivien neutronitähtien, kaappaamiseen tai eksoplaneettojen tarkastelussa, jotka liikkuvat isäntätähtensä pinnan poikki liikkeessä, jota kutsutaan transitiksi.

"Kun planeetta kulkee tähden edessä, haluat saada sen kiinni läpikulun reunoista sekä läpikulun keskeltä", McCaughrean sanoi. "Joten jatkat vain sen katsomista ja otat dataa."

Yksi tämän menetelmän haasteista on, että se vaatii kaukoputken pysymään lähes täydellisessä linjassa, koska jos se liikkuisi edes vähän, se toisi dataan kohinaa. Mutta hyvä uutinen on, että kaukoputki toimii erittäin hyvin kohteen osoittamisessa ja siinä pysymisessä. paikka, kiitos Fine Guidance Sensorin, joka lukittuu lähellä oleviin tähtiin ja mukautuu mahdollisiin häiriöihin, kuten aurinko tuulet.

Webbin kanssa työskentelyn haasteita

Kuten kaikilla tekniikoilla, Webbillä on rajoituksia. Yksi Webbia käyttävien tutkijoiden suurista käytännön rajoituksista on datan määrä, jonka he voivat kerätä kaukoputkesta. Toisin kuin Hubble, joka kiertää maata, Webb kiertää aurinkoa pisteessä a asema nimeltä L2.

Se on noin miljoonan mailin päässä Maasta, joten Webb on varustettu a tehokas radioantenni joka voi lähettää dataa takaisin Maahan nopeudella 28 megabittiä sekunnissa. Se on melko vaikuttavaa - kuten McCaughrean huomautti, se on huomattavasti nopeampi kuin hänen hotellin Wi-Fi, jota käytimme. puhua jopa paljon suuremman etäisyyden päästä – mutta se ei ole lähellä sitä datan kokonaismäärää, jonka instrumentit voivat ottaa toinen.

Observatoriossa on pieni määrä kiinteää olomuotoa, noin 60GB, joka voi tallentaa tietoja lyhyen aikaa, jos instrumentit keräävät enemmän dataa kuin voidaan lähettää takaisin, mikä toimii puskurina. Se ei ehkä kuulosta paljolta verrattuna puhelimen tai kannettavan tietokoneen tyypilliseen tallennustilaan, mutta Vaatimukset säteilyltä turvallisille ja vuosikymmeniä kestävälle laitteistolle ovat melko erilaisia.

Tämä rajoitus tarkoittaa, että tutkijoiden on oltava valikoivia sen suhteen, mitä dataa he priorisoivat kaukoputken alaslinkeissä, ja valittava vain tärkeimmät tiedot tarpeisiinsa. Saatat ihmetellä, miksi Webb ei ole siinä tapauksessa sijoitettu lähemmäs Maata, mutta L2-kiertorata on välttämätön sen toiminnalle – ja syy johtuu lämpötiloista.

"Ihmiset ajattelevat, että avaruus on kylmää, ei, jos olet suuren esineen vieressä, joka lämmittää sinua joka päivä, kuten maa tai aurinko", McCaughrean sanoi. "Joten jos haluat katsoa infrapunaan, sinun on varmistettava, että kaukoputkesi on uskomattoman kylmä, jotta se ei lähetä aallonpituuksilla, joita yrität havaita." Siksi Webbissä on valtava aurinkosuoja, joka auttaa pitämään sen viileänä, ja miksi se on L2:ssa, jotta aurinkosuoja voi estää lämmön sekä auringosta että Maapallo.

"Olemme rakentaneet observatorion, jonka on oltava L2:ssa, sen on oltava siellä kylmessään, jotta se voi tarjota tätä tiedettä. Ja koska se on L2:ssa, meillä on vain tietty kaistanleveys", McCaughrean selitti. "Ilmaista lounasta ei ole olemassa, sanotaanpa se niin."

Yhteiskunta päättää

Webb-havaintojen ensimmäinen vuosi suunnitellaan huolellisesti. Tiedetoiminnan viiden ensimmäisen kuukauden aikana se toimii varhaisen julkaisun tiedeohjelmat, jotka on suunniteltu ylittämään Webbin laitteiston rajoja ja katsomaan, mihin se pystyy. Ensimmäisen vuoden aikana se työskentelee ohjelmien parissa, joihin on valittu Kierto 1mukaan lukien eksoplaneettojen, mustien aukkojen, syvien kenttien ja muiden tutkimusten.

Tämän lisäksi Webbin tuleva työ on kuitenkin pitkälti avoin. Tutkijat esittävät ehdotuksia siitä, mitä tietoja he haluavat kerätä Webbin avulla, ja nämä ehdotukset vertaisarvioitiin, jotta voidaan valita ne, jotka ovat tieteellisesti mielenkiintoisimpia. "Yhteisö päättää, mitä observatorion kanssa tehdään", McCaughrean sanoi.

Tämä yhteisön osallistuminen on jo muuttanut tapaa, jolla Webb käytetään – esimerkiksi eksoplaneettojen tutkimus vie tällä hetkellä noin kolmanneksen käytettävissä olevasta havainnointiajasta ensimmäisellä tutkimuskierroksella. Kun McCaughrean ja hänen kollegansa suunnittelivat, kuinka Webbia voitaisiin käyttää 2000-luvun alussa, he eivät kuvitelleet eksoplaneettojen tutkimusta tehtäisiin läheskään näin paljon, koska silloin oli löydetty niin vähän eksoplaneettoja aika.

Tämä tekee Webbistä erilaisen kuin tehtävät, joilla on hyvin tietty tarkoitus, kuten ESAn Gaia-observatorio, joka on suunniteltu erityisesti galaksin 3D-kartan tekemiseen, ja enemmänkin kuin Hubble, joka on suunniteltu täyttämään monia tutkimustarpeita. "Se on ehdottomasti yleiskäyttöinen observatorio", McCaughrean sanoi. "Sinun tarvitsee vain katsoa Hubblea ja sitä, miten se on kehittynyt vuosien varrella. Osittain ottamalla käyttöön uusia välineitä, mutta enimmäkseen tiedeyhteisön päättämällä, että on tehtävä erilaisia ​​prioriteetteja ja eri aloja."

Tämä joustavuus on mahdollista, koska Webb on suunniteltu hyödylliseksi monien alojen tutkimukseen – mukaan lukien sovellukset, joita emme ole vielä ajatelleet. Webb on ennustetaan kestävän vähintään 20 vuotta, ja olemme tuskin alkaneet tutkia, mitä se voisi tehdä tuona aikana.

"Se on se jännittävä asia. Jos rakennat erittäin tehokkaan, erittäin kykenevän yleiskäyttöisen observatorion, sitä rajoittaa monin tavoin vain yhteisön luovuus", McCaughrean sanoi. "Web on se, mitä teemme siitä nyt."

Toimittajien suositukset

• James Webb havaitsee muinaisen pölyn, joka saattoi olla varhaisimmista supernovoista
• Zoomaa upeaan James Webb -kuvaan nähdäksesi galaksin, joka muodostui 13,4 miljardia vuotta sitten
• James Webb havaitsee kaukaisimman koskaan löydetyn aktiivisen supermassiivisen mustan aukon
• James Webb havaitsee vihjeitä maailmankaikkeuden laajamittaisesta rakenteesta
• James Webb havaitsee tärkeän molekyylin upeasta Orion-sumusta