Evo što će svemirski teleskop James Webb sljedeće promatrati

Svijet se prošlog tjedna okupio u rijetkoj predstavi međunarodnog jedinstva kako bi u čudu zurio u to prve znanstvene slike proizveden od strane svemirskog teleskopa James Webb. Desetljećima u izradi i rezultat je truda tisuća ljudi iz cijeloga svijeta, the teleskop je spreman napraviti revoluciju u astronomiji dopuštajući nam da zavirimo u kozmos dublje nego ikada prije.

Webb ima najveće zrcalo ikad lansirano u svemir, kao i najveći štitnik za sunce, a to je i najmoćniji svemirski teleskop ikada napravljen. Prve slike samo su nagovještaj onoga što je ovaj izvanredan komad tehnologije sposoban učiniti. Kako bismo saznali više o tome koja će buduća znanstvena istraživanja omogućiti ovaj div, razgovarali smo s Markom McCaughreanom, Webbovim interdisciplinarnim znanstvenikom u Europskoj svemirskoj agenciji.

McCaughrean će biti jedan od prvih istraživača koji će koristiti Webba za svoj rad u Orionova maglica, au planiranju teleskopa sudjeluje više od 20 godina. Ispričao nam je sve o tome kako će Webb pomaknuti granice astronomije i omogućiti otkrića kakva nismo ni zamišljali.

Gledanje svemira u infracrvenom svjetlu

Kada su astronomi prvi put počeli zamišljati Webba 1980-ih, imali su određeni plan na umu: željeli su kozmološki istraživački alat za osvrt na najranije galaksije u svemiru.

Znanstvenici su znali da su te rane galaksije bile vani i da su bile blizu toga da nam budu dostupne jer je svemirski teleskop Hubble promatrao neke prilično rane galaksije. Gledajući u valnoj duljini vidljive svjetlosti, Hubble je mogao identificirati stotine ovih galaksija, koje su nastale unutar nekoliko stotina milijuna godina nakon Velikog praska. Ali te su galaksije već bile formirane, a istraživači su željeli pogledati još dalje unatrag, kako bi vidjeli kako se stvarno formiraju.

Da bi to učinili, trebao im je alat koji može gledati u infracrvenoj valnoj duljini, izvan vidljive svjetlosti. To je zato što su najranije galaksije odašiljale vidljivu svjetlost baš kao što to čine galaksije danas. Ali svemir se s vremenom širi, a to znači da se galaksije koje vidimo na nebu udaljavaju od nas. Što je galaksija starija, to je udaljenija. A ta udaljenost uzrokuje fenomen koji se zove crveni pomak.

Slično Dopplerovom efektu, u kojem zvukovi mijenjaju svoju percipiranu visinu s udaljenošću između izvor i promatrač se mijenjaju, valna duljina svjetlosti se mijenja kako se njen izvor udaljava od nas. Ova svjetlost je pomaknuta na crveniji kraj spektra, otuda i naziv crveni pomak.

Najstarije galaksije, dakle, imaju svjetlost koja je toliko pomaknuta u crveno da se više ne može promatrati kao vidljiva svjetlost. Umjesto toga, vidljiv je kao infracrveno - a to je valna duljina na kojoj Webb radi.

Ovo je način na koji Webb može otkriti i identificirati najranije galaksije. Ako Webb može vidjeti galaksiju koja jako svijetli u infracrvenom zračenju, ali koja je prigušena ili nevidljiva teleskopima koji se temelje na primarno vidljivom svjetlu poput Hubblea, istraživači mogu biti uvjereni da su pronašli galaksiju koja ima izrazito crveni pomak – što znači da je vrlo daleko, a time i vrlo star.

Čak iu prva slika dubokog polja iz Webba, možete vidjeti neke izuzetno stare galaksije. Jato galaksija koje je u fokusu slike staro je 4,6 milijardi godina, ali zbog svoje mase savija prostor-vrijeme oko sebe. To znači da je svjetlost koja dolazi iz galaksija iza ovog klastera također savijena, pa se klaster ponaša poput povećala u efektu koji se naziva gravitacijska leća. Neke od galaksija viđeni u ovom dubokom polju stari su oko 13 milijardi godina, što znači da su nastali u prvih milijardu godina svemira.

Proširujemo se kako bismo učinili više

Iako je Webb izvorno zamišljen kao kozmološki alat, ubrzo se proširio i postao mnogo više od toga.

Tijekom desetljeća planiranja za Webb, dizajneri su shvatili da se alat koji su izrađivali može koristiti za mnogo više različitih područja od samo kozmologije. Dodali su nove instrumente, poput MIRI-ja, koji gleda u srednjoj infracrvenoj valnoj duljini, a ne u bliskoj infracrvenoj, te je korisniji za proučavanje formiranja zvijezda i planeta nego za kozmologiju. Ta različitost nosi svoj izazov kao i ovaj instrument različite detektore od ostalih instrumenata i zahtijeva svoje vlastiti hladnjak. No, zajedno s drugim instrumentima, proširuje ono što Webb može učiniti na cijeli niz mogućnosti.

"Izvorni fokus teleskopa bio je mnogo više na visokom crvenom pomaku svemira", sažeo je McCaughrean. “To je bio najviši cilj, pronaći te prve zvijezde i galaksije koje su nastale nakon Velikog praska. Sve ostalo nakon toga je 'lijepo imati'. Ali tijekom napretka projekta uspjeli smo to pretvoriti u četiri teme: kozmologiju, formiranje zvijezda, planetarnu znanost i evoluciju galaksije. I pobrinuli smo se da zvjezdarnica bude sposobna za sve to.”

Kamere i spektrografi

Webb ima četiri instrumenta na brodu: blisku infracrvenu kameru ili NIRCam, bliski infracrveni spektrograf ili NIRSpec, Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph ili NIRISS, i Mid-Infrared Instrument ili MIRI. Tu je i senzor nazvan Fine Guidance Sensor (FGS), koji pomaže usmjeriti teleskop u pravom smjeru.

Instrumenti su kombinacija kamera i spektrografa, koji su instrumenti za dijeljenje svjetlosti na različite valne duljine tako da možete vidjeti koje su valne duljine apsorbirane. To vam omogućuje da vidite od čega je objekt sastavljen gledajući svjetlost koju emitira.

Dok slike snimljene kamerama izazivaju najveću pozornost javnosti, spektrografe ne treba podcijeniti kao znanstveni alat. Oko polovice trenutno dodijeljenog vremena promatranja posvećeno je spektroskopiji, za zadatke poput analize sastava atmosfere egzoplaneta. Djelomično je to zato što je potrebno više vremena za snimanje spektra objekta nego za snimanje njegove slike, a djelomično zato što spektroskopija može učiniti stvari koje snimanje ne može.

Kamere i spektrografi također rade zajedno, budući da su filtri koji se koriste u slikanju korisni za odabir objekata za proučavanje pomoću spektrografa.

"Zamislite da radite duboko polje, snimate duboke slike s NIRCamom", objasnio je McCaughrean. “Onda koristite različite filtre za odabir kandidata, jer će biti previše stvari koje treba promatrati u tom polju jednu po jednu pomoću spektroskopije. Dakle, potrebna vam je slika da biste pronašli kandidate,” kao što je gledanje boja na slici da biste odlučili da je određeni objekt, recimo, galaksija s velikim crvenim pomakom, a ne blijeda obližnja zvijezda.

To se već pokazalo u praksi, sa Webbova prva duboka slika. Snimanje je napravljeno kamerom NIRCam, koja je uspjela uhvatiti ogroman broj galaksija, kako blizu tako i daleko, u jednoj zadivljujućoj slici. Zatim određene mete, poput a galaksija stara preko 13 milijardi godina, odabrani su i promatrani NIRSpec spektrografom, prikupljajući podatke o sastavu i temperaturi ove rane galaksije.

"To je tako lijep, čist spektar", rekao je McCaughrean. “Nitko nikada nigdje nije vidio tako nešto. Dakle, sada znamo da ovaj stroj radi nevjerojatno snažno.”

Više načina

Da biste razumjeli sve Webbove mogućnosti, trebali biste znati da četiri instrumenta nemaju svaki samo jedan način rada – mogu se koristiti na više načina za promatranje različitih ciljeva. Ukupno ih ima 17 načina između četiri instrumenta, a svaki od njih morao je biti testiran i verificiran prije nego što je teleskop proglašen spremnim za početak znanstvenih operacija.

Na primjer, uzmite instrument NIRSpec. Može izvoditi nekoliko vrsta spektroskopije, uključujući spektroskopiju s fiksnim prorezom, što je vrlo osjetljiv način za istraživanje pojedinačnih ciljeva (kao što je analiza svjetlosti koju emitiraju spajanje neutronskih zvijezda zvanih kilonova), ili spektroskopija jedinice polja, koja promatra spektre za više piksela na malom području da biste dobili kontekstualne informacije o meti (poput gledanja iznimno daleke galaksije koja je iskrivljena gravitacijskim leća).

Treća vrsta spektroskopije koju radi NIRSpec je nešto stvarno posebno što se zove multi-object spektroskopija. Koristi malene kapke poput prozora raspoređene u format koji se naziva niz mikrozatvarača. “Oni su u osnovi mali uređaji od nekoliko centimetara u promjeru, a mi ih imamo četiri. U svakom od tih uređaja nalazi se 65.000 malih pojedinačnih kapaka,” rekao je McCaughrean.

Svakim od ovih kapaka može se zasebno kontrolirati da se otvore ili zatvore, omogućujući istraživačima da odaberu koje dijelove polja gledaju. Kako bi upotrijebili ove mikrozatvarače, istraživači prvo snime sliku pomoću drugog instrumenta kao što je NIRCam kako bi odabrali objekte od interesa. Zatim zapovijedaju kapcima koji odgovaraju tim predmetima da se otvore, dok ostali ostaju zatvoreni.

To omogućuje svjetlosti iz ciljeva, kao što su određene galaksije, da prođe kroz detektore teleskopa, bez dopuštanja propuštanja svjetlosti iz pozadine. "Otvaranjem samo vrata gdje je galaksija i zatvaranjem svih ostalih vrata, kada svjetlost dolazi iz taj objekt se raširi u spektar i nemate svu drugu svjetlost koja prolazi", McCaughrean rekao je. "To ga čini osjetljivijim."

Ova višeobjektna spektroskopija može se koristiti za gledanje određenih galaksija na slikama dubokog polja, što je posebno korisno za proučavanje najranijih galaksija koje imaju veliki crveni pomak. A ova metoda može dobiti spektre od do 100 objekata odjednom – što je čini vrlo učinkovitim načinom prikupljanja podataka.

Suočavanje s previše svjetla

Kao što mikrozatvarači pokazuju, jedan nezgodan dio rada s vrlo osjetljivim instrumentima je suočavanje s previše svjetla. Uzmimo rad Jamesa Webba učinit će na Jupiteru u prvih nekoliko mjeseci rada – zapravo je vrlo teško zamisliti prstenove i mjesece oko Jupitera jer je sam planet tako svijetao. Ako se blijedi objekt koji pokušavate promatrati nalazi pokraj vrlo svijetlog, može pokvariti vaša očitanja pa sve što vidite je svjetlost svjetlijeg objekta.

Sličan problem javlja se kada pokušavate promatrati udaljene egzoplanete, koji su vrlo mutni u usporedbi sa zvijezdama oko kojih kruže. Kako bi se nosio s ovim izazovom, James Webb ima još jedan trik u rukavu koji se zove koronagrafija.

I NIRCam i MIRI imaju načine rada koronarografije, čiji je najjednostavniji oblik postavljanje malog metalnog diska ispred svijetlog objekta kako bi se blokiralo njegovo svjetlo. Tada možete lakše promatrati druge, slabije izvore svjetlosti oko njega. Ali ovaj pristup ima svoja ograničenja: ako se svijetli objekt kreće iza diska, njegovo se svjetlo može preliti preko rubova i pokvariti opažanja. Mogli biste smanjiti disk tako da blokira samo središnju najsvjetliju točku objekta, ali tada biste i dalje imali mnogo viška svjetla s kojim se morate nositi. Mogli biste povećati disk, ali tada bi blokirao druge objekte koji su blizu svijetlog objekta.

Dakle, postoji još jedan oblik ovog načina koronagrafije koji koristi hardver koji se zove fazna maska ​​četiri kvadranta. "Ovo je vrlo pametan dio optike", rekao je McCaughrean. “Nema metalni disk, ali ima četiri različita komada stakla koji daju različite faze svjetlu koje ulazi. Kada o svjetlosti razmišljamo kao o valu, a ne kao o fotonu, svjetlost ima fazu. Ako postavite svijetli izvor točno na križ gdje se susreću te četiri različite fazne ploče, možete odredite to tako da će svjetlost zapravo poništiti zvijezdu, zbog interferencije valova posljedica."

To znači da ako ga poravnate kako treba tako da svijetli objekt bude točno u sredini ovih kvadranata, svjetlost od zvijezde će biti poništena, ali će svjetlost od drugih objekata poput planeta i dalje biti vidljivo. To ga čini idealnim za promatranje egzoplaneta koji kruže blizu svojih zvijezda domaćina koje bi inače bilo nemoguće vidjeti.

Iskorištavanje vremena

Još jedan način za rukovanje mješavinom svijetlih i zatamnjenih objekata je višestruko očitavanje tijekom vremena. Za razliku od nečega poput vašeg telefona, koji snima sliku i odmah se resetira, detektori u Webbu mogu uzeti više očitanja bez resetiranja.

"Tako da možemo snimiti niz slika tijekom vremena s istim detektorom, jer on stvara svjetlost iz slabih izvora", objašnjava McCaughrean. „Ali kada pogledamo podatke, možemo koristiti prve slike za svijetle izvore prije nego što se zasiti, a zatim nastaviti stvarati svjetlost iz slabih izvora i dobiti osjetljivost. Učinkovito proširuje dinamički raspon očitavanjem detektora više puta.”

Drugi način na koji instrumenti mogu raditi naziva se promatranje vremenskih nizova, što je u osnovi samo uzimanje mnogih očitanja jedno za drugim kako bi se uhvatili objekti koji se mijenjaju tijekom vremena. To je korisno za snimanje bljeskajućih objekata, kao što su pulsirajuće neutronske zvijezde zvane magnetari, ili za gledanje egzoplaneta koji se kreću preko lica svoje zvijezde domaćina u pokretu koji se naziva tranzit.

"Dok planet prolazi ispred zvijezde, želite ga uhvatiti na rubovima tranzita kao iu sredini tranzita", rekao je McCaughrean. "Dakle, samo ga gledaš i nastavljaš uzimati podatke."

Jedan od izazova s ​​ovom metodom je to što zahtijeva da teleskop ostane u gotovo savršenoj poravnatosti jer ako bi se čak i malo pomaknuo, to bi unijelo šum u podatke. Ali dobra vijest je da teleskop ima izuzetno dobre rezultate u pogledu usmjeravanja na objekt i zadržavanja u mjesto, zahvaljujući senzoru za fino navođenje koji bilježi obližnje zvijezde i prilagođava se svim smetnjama poput sunčeve vjetrovi.

Izazovi u radu s Webbom

Kao i sa svakim dijelom tehnologije, postoje ograničenja onoga što Webb može učiniti. Jedno od velikih praktičnih ograničenja za znanstvenike koji koriste Webb je količina podataka koje mogu prikupiti s teleskopa. Za razliku od Hubblea, koji kruži oko Zemlje, Webb kruži oko Sunca na a položaj nazvan L2.

To je oko 1 milijun milja daleko od Zemlje, tako da je Webb opremljen s snažna radio antena koji može poslati podatke natrag na Zemlju brzinom od 28 megabita u sekundi. To je prilično impresivno - kao što je McCaughrean istaknuo, to je znatno brže od Wi-Fi-ja u njegovom hotelu koji smo koristili razgovarati, čak i na mnogo većoj udaljenosti — ali to nije blizu ukupne količine podataka koju instrumenti mogu primiti po drugi.

Zvjezdarnica ima malu količinu pohrane u čvrstom stanju, oko 60 GB, koji može bilježiti podatke na kratko vrijeme ako instrumenti prikupljaju više podataka nego što se može poslati natrag, djelujući kao međuspremnik. To možda ne zvuči kao puno u usporedbi s vrstom pohrane koju obično imate na telefonu ili prijenosnom računalu, ali Zahtjevi hardvera koji je siguran od zračenja i može izdržati desetljeća uporabe prilično su različiti.

Ovo ograničenje znači da istraživači moraju biti selektivni u pogledu toga kojim podacima daju prioritet u vezama s teleskopa, odabirući samo najbitnije podatke za svoje potrebe. Možda se pitate zašto Webb nije postavljen bliže Zemlji u tom slučaju, ali L2 orbita je ključna za način na koji radi - a razlog su temperature.

"Ljudi misle da je svemir hladan, dobro, ne ako ste pored velikog objekta koji vas svaki dan grije poput Zemlje ili Sunca", rekao je McCaughrean. "Dakle, ako želite gledati u infracrveno, morate biti sigurni da je vaš teleskop nevjerojatno hladan, tako da ne emitira na valnim duljinama koje pokušavate otkriti." Zato Webb ima ogromnu zaštitu od sunca koja mu pomaže da se ohladi i zašto je na L2 tako da zaštita od sunca može blokirati toplinu od sunca i Zemlja.

“Izgradili smo zvjezdarnicu koja mora biti na L2, mora biti tamo da se ohladi kako bi mogla isporučiti ovu znanost. A budući da je na L2, imamo samo određenu propusnost”, objasnio je McCaughrean. “Ne postoji takva stvar kao što je besplatan ručak, recimo to tako.”

Zajednica odlučuje

Prva godina Webbovih promatranja pažljivo je isplanirana. U prvih pet mjeseci znanstvenih operacija, to će raditi znanstveni programi ranog otpuštanja, koji su dizajnirani da pomaknu granice Webbovog hardvera i vide za što je sposoban. U prvoj godini radit će na programima koji su odabrani ciklus 1, uključujući istraživanje egzoplaneta, crnih rupa, dubokih polja i više.

Osim toga, budući rad koji će se obaviti korištenjem Webba uvelike je otvoren. Istraživači podnose prijedloge o tome koje podatke žele prikupiti pomoću Webba, a ti se prijedlozi recenziraju kako bi se odabrali oni koji su znanstveno najzanimljiviji. "Zajednica odlučuje što će se učiniti sa zvjezdarnicom", rekao je McCaughrean.

Ova uključenost zajednice već je promijenila način na koji se Webb koristi - na primjer, istraživanje egzoplaneta trenutno zauzima oko jedne trećine dostupnog vremena za promatranje u prvom krugu istraživanja. Kad su McCaughrean i njegovi kolege početkom 2000-ih planirali kako bi Webb mogao biti korišten, nisu zamišljali bilo bi blizu toliko istraživanja egzoplaneta jer je u to vrijeme otkriveno tako malo egzoplaneta vrijeme.

Ovo Webb čini drugačijim od misija s vrlo specifičnom svrhom, poput ESA-ine zvjezdarnice Gaia, koja je dizajniran posebno za izradu 3D karte galaksije, i više poput Hubblea, koji je dizajniran da zadovolji mnoge istraživačke potrebe. "To je definitivno zvjezdarnica opće namjene", rekao je McCaughrean. “Morate samo pogledati Hubble i kako se razvijao tijekom godina. Djelomično kroz postavljanje novih instrumenata, ali uglavnom kroz odluku znanstvene zajednice da postoje različiti prioriteti i različita područja koja treba učiniti."

Ta je fleksibilnost moguća jer je Webb dizajniran da bude koristan za istraživanje u velikom broju područja — uključujući aplikacije kojih se još nismo sjetili. Webb je predviđeno da traje najmanje 20 godina, a mi jedva da smo počeli istraživati ​​što bi mogao učiniti u tom vremenu.

“To je ono uzbudljivo. Ako izgradite vrlo moćnu, vrlo sposobnu zvjezdarnicu opće namjene, ona je na mnogo načina ograničena samo kreativnošću zajednice,” rekao je McCaughrean. "Webb je ono što sada od njega radimo."

Preporuke urednika

• James Webb uočava drevnu prašinu koja bi mogla biti iz najranijih supernova
• Zumirajte zadivljujuću sliku Jamesa Webba da vidite galaksiju formiranu prije 13,4 milijarde godina
• James Webb uočava najudaljeniju aktivnu supermasivnu crnu rupu ikada otkrivenu
• James Webb pronalazi tragove velike strukture svemira
• James Webb otkriva važnu molekulu u zapanjujućoj Orionovoj maglici