Íme, mit fog legközelebb megfigyelni a James Webb Űrteleszkóp

A világ a múlt héten összejött a nemzetközi egység ritka show-jában, hogy csodálkozva bámulja a világot első tudományos képek a James Webb Űrteleszkóp készítette. Évtizedek óta készül, és több ezer ember erőfeszítéseinek eredménye a világ minden tájáról, a a teleszkóp forradalmasítani fogja a csillagászatot azáltal, hogy lehetővé teszi számunkra, hogy minden eddiginél mélyebbre tekintsünk a kozmoszba előtt.

A Webb rendelkezik a világűrbe valaha felbocsátott legnagyobb tükörrel, valamint a legnagyobb napvédővel, és ez a valaha épített legerősebb űrteleszkóp. Az első képek csak ízelítők abból, hogy mire képes ez a figyelemre méltó technológia. Ezért, hogy többet megtudjunk arról, hogy a jövőben milyen tudományos kutatásokat tesz lehetővé ez a behemót, Mark McCaughrean-nel, az Európai Űrügynökség interdiszciplináris tudósával, Webb-vel beszélgettünk.

McCaughrean lesz az egyik első kutató, aki Webb-t felhasználja munkájához Orion-köd, és több mint 20 éve vesz részt a távcső tervezésében. Mindent elmesélt nekünk arról, hogy Webb hogyan fogja kitolni a csillagászat határait, és olyan felfedezéseket tesz lehetővé, amelyeket el sem kezdtünk képzelni.

Az univerzum infravörös sugárzása

Amikor a csillagászok az 1980-as években először elkezdték elképzelni Webbet, egy konkrét terv volt a fejükben: egy kozmológiai kutatóeszközt szerettek volna visszatekinteni a világegyetem legkorábbi galaxisaira.

A tudósok tudták, hogy ezek a korai galaxisok odakint vannak, és közel álltak ahhoz, hogy elérjük őket, mert a Hubble Űrteleszkóp megfigyelt néhány meglehetősen korai galaxist. Ha a látható fény hullámhosszát nézi, a Hubble több száz galaxist tudott azonosítani, amelyek az ősrobbanás után néhány százmillió éven belül alakultak ki. De ezek a galaxisok már kialakultak, és a kutatók még távolabbra akartak tekinteni, hogy lássák, hogyan alakulnak ki.

Ehhez szükségük volt egy olyan eszközre, amely az infravörös hullámhosszon, a látható fényen túl tud nézni. Ennek az az oka, hogy a legkorábbi galaxisok látható fényt bocsátottak ki, akárcsak a mai galaxisok. De az univerzum idővel tágul, és ez azt jelenti, hogy az égen látott galaxisok távolodnak tőlünk. Minél idősebb a galaxis, annál távolabb van. Ez a távolság pedig a vöröseltolódásnak nevezett jelenséget idézi elő.

Hasonló a Doppler-effektushoz, amelyben a hangok az észlelt hangmagasságukat a köztük lévő távolságként változtatják meg a forrás és a megfigyelő változik, a fény hullámhossza változik, ahogy a forrás távolodik tőle minket. Ez a fény a spektrum vörösebb végére tolódik el, innen ered a vöröseltolódás elnevezés.

A legrégebbi galaxisokban tehát van olyan fény, amely annyira vöröseltolódott, hogy már nem látható fényként. Ehelyett infravörösként látható – és ez az a hullámhossz, amelyen a Webb működik.

Webb így képes észlelni és azonosítani a legkorábbi galaxisokat. Ha Webb lát egy galaxist, amely fényesen világít az infravörösben, de homályos vagy láthatatlan az elsősorban látható fény alapú teleszkópok számára mint a Hubble, akkor a kutatók biztosak lehetnek abban, hogy találtak egy olyan galaxist, amely rendkívül vöröseltolódású – ami azt jelenti, hogy nagyon távol van, és ezért nagyon régi.

Még a első mélymezős kép Webb-től láthat néhány rendkívül régi galaxist. A kép fókuszában lévő galaxishalmaz 4,6 milliárd éves, de tömege miatt meggörbíti maga körül a téridőt. Ez azt jelenti, hogy a halmaz mögötti galaxisokból érkező fény is meghajlik, így a halmaz nagyítóként működik a gravitációs lencséknek nevezett hatásban. Néhány galaxis ebben a mélymezőben láthatók körülbelül 13 milliárd évesek, vagyis az univerzum első milliárd évében keletkeztek.

Bővítés, hogy többet tegyen

Ha azonban Webb-et eredetileg kozmológiai eszközként képzelték el, hamarosan kibővült, és sokkal több lett ennél.

A Webb több évtizedes tervezése során a tervezők rájöttek, hogy az általuk épített eszköz sokkal sokrétűbb területen is használható, mint a kozmológia. Új műszereket adtak hozzá, például a MIRI-t, amely a közeli infravörös helyett a közép-infravörös hullámhosszban néz, és hasznosabb a csillagok és bolygók kialakulásának tanulmányozására, mint a kozmológiára. Ez a különbség meghozza a maga kihívását, ahogy ez az eszköz is különböző detektorok a többi eszköztől, és megköveteli annak saját hűtő. Más eszközökkel együtt azonban számos lehetőséggé bővíti azt, amit Webb tud.

„A teleszkóp eredeti fókusza sokkal inkább a nagy vöröseltolódású univerzumra irányult” – összegezte McCaughrean. „Ez volt a legmagasabb cél, hogy megtaláljuk ezeket az első csillagokat és galaxisokat, amelyek az Ősrobbanás után keletkeztek. Ezt követően minden más „szép, ha megvan”. A projekt előrehaladása során azonban sikerült ezt négy témára fordítanunk: kozmológia, csillagkeletkezés, bolygótudomány és galaxisfejlődés. És gondoskodtunk arról, hogy az obszervatórium mindezekre képes legyen.”

Kamerák és spektrográfok

A Webb fedélzetén négy műszer található: a közeli infravörös kamera vagy NIRCam, a közeli infravörös spektrográf vagy NIRSpec, a közeli infravörös képalkotó és rés nélküli spektrográf vagy NIRISS, valamint a középső infravörös műszer ill. MIRI. Van egy Fine Guidance Sensor (FGS) nevű érzékelő is, amely segít a teleszkópot a megfelelő irányba irányítani.

A műszerek kamerák és spektrográfok keverékei, amelyek a fényt különböző hullámhosszokra osztják, így láthatja, hogy milyen hullámhosszakat nyeltek el. Ez lehetővé teszi, hogy az általa kibocsátott fényre nézve megnézze, miből áll egy tárgy.

Míg a kamerák által készített képek keltik fel a legtöbb közfigyelmet, a spektrográfokat nem szabad alábecsülni, mint tudományos eszközt. A jelenleg rendelkezésre álló megfigyelési idő körülbelül felét spektroszkópiára fordítják, olyan feladatokra, mint az exobolygó légköreinek összetételének elemzése. Részben azért, mert több időbe telik egy objektum spektrumának felvétele, mint leképezése, részben pedig azért, mert a spektroszkópia olyan dolgokat tud megtenni, amire a képalkotás nem.

A kamerák és a spektrográfok együtt is működnek, mivel a képalkotásban használt szűrők hasznosak a spektrográfokkal vizsgálandó objektumok kiválasztásához.

„Képzeld el, hogy mélymezőt csinálsz, és mély képeket készítesz a NIRCammal” – magyarázta McCaughrean. „Ezután különböző szűrőket használ a jelöltek kiválasztásához, mert túl sok mindent kell majd egyenként megvizsgálni ezen a területen a spektroszkópiával. Tehát szükség van a képalkotásra a jelöltek megtalálásához”, például a kép színeinek megtekintésével eldönthetjük, hogy egy adott objektum mondjuk egy nagy vöröseltolódású galaxis, és nem egy halvány közeli csillag.

Ezt már a gyakorlatban is bebizonyították, azzal Webb első mélymezős képe. A képalkotás a NIRCam kamerával készült, amely képes volt nagyszámú galaxist felvenni közel és távol egy lenyűgöző képen. Ezután bizonyos célokat, például a több mint 13 milliárd éves galaxisKiválasztották, és a NIRSpec spektrográf segítségével figyelték meg, adatokat gyűjtve a korai galaxis összetételéről és hőmérsékletéről.

„Olyan szép, tiszta spektrum” – mondta McCaughrean. „Ilyet még soha senki nem látott sehonnan. Tehát most már tudjuk, hogy ez a gép hihetetlenül erősen működik.”

Több mód

A Webb teljes képességeinek megértéséhez tudnia kell, hogy a négy műszernek nem csak egy üzemmódja van – többféleképpen is használhatók különböző célpontok megtekintésére. Összességében vannak 17 mód a négy műszer között, és mindegyiket tesztelni és ellenőrizni kellett, mielőtt a távcsövet készen állították a tudományos műveletek megkezdésére.

Vegyük például a NIRSpec műszert. Többféle spektroszkópiát tud végrehajtani, beleértve a fix rés spektroszkópiát is, amely rendkívül érzékeny mód az egyes célpontok vizsgálatára. (például a kilonovának nevezett neutroncsillagok összeolvadása által kibocsátott fény elemzése), vagy téregység-spektroszkópia, amely több spektrumot vizsgál pixelek egy kis területen, hogy kontextuális információkat kapjanak a célpontról (például egy rendkívül távoli galaxist nézzenek meg, amelyet a gravitáció elvetemített lencsézés).

A NIRSpec harmadik típusú spektroszkópiája egy igazán különleges, többobjektumú spektroszkópia. Apró ablakszerű redőnyöket használ, amelyeket mikroredőny-tömbnek nevezett formátumba rendeznek. „Alapvetően kisméretű, pár centiméter átmérőjű eszközökről van szó, amelyekből négyünk van. Mindegyik eszközben 65 000 kis egyedi redőny van” – mondta McCaughrean.

Ezen redőnyök mindegyike külön-külön vezérelhető a nyitáshoz vagy záráshoz, lehetővé téve a kutatók számára, hogy kiválasszák a mező mely részeit nézzék. Ezeknek a mikroredőnyöknek a használatához a kutatók először egy másik műszerrel, például a NIRCam segítségével képet készítenek, hogy kiválasszák az érdeklődésre számot tartó objektumokat. Ezután parancsot adnak az ezeknek az érdekes tárgyaknak megfelelő redőnyök kinyitására, míg a többi zárva marad.

Ez lehetővé teszi, hogy a célpontok, például bizonyos galaxisok fénye átsüljön a távcső detektoraira, anélkül, hogy a háttérből származó fény is átszivárogna. „Csak akkor nyitjuk ki az ajtót, ahol a galaxis van, és zárjuk be az összes többi ajtót, amikor bejön a fény az a tárgy, szétszóródik egy spektrumban, és nem jut át ​​rajtad az összes többi fény.” McCaughrean mondott. – Ez érzékenyebbé teszi.

Ez a több objektumból álló spektroszkópia bizonyos galaxisok mélymezős felvételeken történő megtekintésére használható, ami különösen hasznos a legkorábbi, erősen vöröseltolódású galaxisok tanulmányozásához. Ez a módszer pedig akár 100 objektumból is képes egyszerre spektrumot venni – így nagyon hatékony adatgyűjtési mód.

Túl sok fénnyel való bánásmód

Ahogy a mikroredőnyök is mutatják, a rendkívül érzékeny műszerekkel végzett munka egyik trükkös része a túl sok fény kezelése. Vegyük a munkát James Webb megteszi a Jupiteren működésének első néhány hónapjában – valójában nagyon nehéz leképezni a Jupiter körüli gyűrűket és holdakat, mert maga a bolygó olyan fényes. Ha a megfigyelni kívánt halvány tárgy egy nagyon fényes objektum mellett van, akkor kifújhatja a mért értékeket, így csak a fényesebb tárgy fényét látja.

Hasonló probléma merül fel, amikor távoli exobolygókat próbálunk megfigyelni, amelyek nagyon halványak az általuk keringő csillagokhoz képest. Ennek a kihívásnak a megbirkózása érdekében James Webb egy másik trükköt is kidolgozott, a koronagráfiát.

A NIRCam és a MIRI is rendelkezik koronagráfiai móddal, melynek legegyszerűbb formája, ha egy kis fémkorongot helyezünk a fényes tárgy elé, hogy elzárjuk a fényét. Ezután könnyebben megfigyelheti a körülötte lévő többi, halványabb fényforrást. Ennek a megközelítésnek azonban megvannak a korlátai: ha a fényes tárgy a lemez mögött mozog, fénye kiszóródhat a széleken, és tönkreteheti a megfigyeléseket. A lemezt kicsinyítheti, hogy csak az objektum középső legfényesebb pontját takarja el, de akkor még mindig sok felesleges fénnyel kell megbirkóznia. Megnövelheti a lemezt, de akkor blokkolja a többi objektumot, amelyek közel vannak a fényes objektumhoz.

Tehát van ennek a koronagráfiai módnak egy másik formája, amely hardvert használ, az úgynevezett négykvadráns fázismaszkot. „Ez egy nagyon okos optika” – mondta McCaughrean. „Nincs benne fémkorong, de van benne négy különböző üvegdarab, amelyek különböző fázisokat adnak a beérkező fénynek. Amikor a fényre mint hullámra gondolunk, nem mint fotonokra, a fénynek van fázisa. Ha a fényforrást közvetlenül a keresztre helyezi, ahol a négy különböző fázislemez találkozik, megteheti dolgozza ki úgy, hogy a fény a hullám interferenciája miatt ténylegesen megszűnjön a csillagból hatás."

Ez azt jelenti, hogy ha pontosan úgy rendezi be, hogy a fényes tárgy pontosan ezeknek a kvadránsoknak a közepén legyen, a csillag fénye megszűnik, de más objektumok, például bolygók fénye továbbra is megmarad látható. Ez ideálissá teszi a gazdacsillagok közelében keringő exobolygók megfigyelésére, amelyeket egyébként lehetetlen lenne látni.

Az idő kihasználása

A világos és halvány tárgyak keverékének egy másik módja az, hogy idővel többször is leolvassuk. Ellentétben az olyan dolgokkal, mint például a telefon, amely képet készít, majd azonnal visszaáll, a Webb érzékelői több leolvasást is képesek végezni alaphelyzetbe állítás nélkül.

„Így egy sor képet készíthetünk az idő múlásával ugyanazzal a detektorral, mivel a halvány forrásokból származó fényt építi fel” – magyarázza McCaughrean. „De ha megnézzük az adatokat, használhatjuk az első képeket a fényes forrásokhoz, mielőtt azok telítődnének, majd tovább építhetjük a fényt a halvány forrásokból, és megkaphatjuk az érzékenységet. Hatékonyan kiterjeszti a dinamikatartományt azáltal, hogy többször leolvassa a detektorokat.”

Egy másik mód, amelyben a műszerek működhetnek, az idősoros megfigyelés, ami alapvetően csak sok leolvasást vesz egymás után, hogy rögzítse az idővel változó objektumokat. Ez hasznos villogó objektumok, például pulzáló neutroncsillagok, úgynevezett magnetárok rögzítéséhez, vagy olyan exobolygók megtekintésére, amelyek a gazdacsillag felületén áthaladó mozgásban mozognak.

„Ahogy egy bolygó áthalad a csillag előtt, meg akarjuk fogni a tranzit szélein és a tranzit közepén is” – mondta McCaughrean. "Tehát csak nézed, és folyamatosan adatokat veszel."

Az egyik kihívás ezzel a módszerrel, hogy megköveteli, hogy a teleszkóp csaknem tökéletes beállításban maradjon, mert ha csak kicsit is elmozdulna, az zajt visz be az adatokba. De a jó hír az, hogy a teleszkóp rendkívül jól teljesít a tárgyra mutatás és a bennmaradás szempontjából. helyen, köszönhetően a Fine Guidance Sensornak, amely a közeli csillagokra rögzül, és alkalmazkodik az olyan zavarokhoz, mint például a napsugárzás. szelek.

Kihívások a Webb-vel való együttműködés során

Mint minden technológia esetében, a Webbnek is vannak korlátai. A Webb-t használó tudósok egyik nagy gyakorlati korlátja a teleszkópból gyűjthető adatok mennyisége. Ellentétben a Hubble-lel, amely a Föld körül kering, Webb a Nap körül kering a L2 nevű pozíció.

Ez körülbelül 1 millió mérföldre van a Földtől, tehát Webb fel van szerelve a erős rádióantenna amely 28 megabit/s sebességgel képes visszaküldeni az adatokat a Földre. Ez elég lenyűgöző – ahogy McCaughrean rámutatott, ez lényegesen gyorsabb, mint a szállodájában használt Wi-Fi. beszélni, még sokkal nagyobb távolságról is – de ez közel sem éri el azt a teljes adatmennyiséget, amelyet a műszerek képesek felvenni. második.

Az obszervatóriumnak van kis mennyiségű szilárdtest-tárolója, 60 GB körül, amely rövid ideig tud adatot rögzíteni, ha a műszerek több adatot gyűjtenek, mint amennyit vissza lehet küldeni, pufferként működik. Lehet, hogy ez nem hangzik soknak ahhoz a fajta tárhelyhez képest, amelyet egy telefon vagy laptop általában kap, de a A sugárzás ellen biztonságos és akár több évtizedes használatot is kibíró hardver követelményei meglehetősen eltérőek.

Ez a korlátozás azt jelenti, hogy a kutatóknak meg kell válogatniuk, hogy milyen adatokat részesítenek előnyben a teleszkópból érkező lefelé irányuló kapcsolatok során, és csak a leglényegesebb adatokat választják ki igényeik szerint. Csodálkozhat, hogy Webb ebben az esetben miért nincs közelebb a Földhöz, de az L2 pálya elengedhetetlen a működéséhez – és ennek oka a hőmérséklet.

"Az emberek azt hiszik, hogy az űr hideg, nos, nem akkor, ha egy nagy tárgy mellett vagy, amely minden nap felmelegít, mint a Föld vagy a Nap" - mondta McCaughrean. „Ha tehát az infravörösbe akar nézni, meg kell győződnie arról, hogy a teleszkópja hihetetlenül hideg-e, hogy ne azon a hullámhosszon sugározzon, amelyet megpróbál. felismerni." Ez az oka annak, hogy a Webb hatalmas napellenzővel rendelkezik, amely segít megőrizni a hideget, és ezért van az L2-nél, így a napvédő elzárhatja a hőt a napból és a Föld.

„Olyan obszervatóriumot építettünk, amelynek az L2-ben kell lennie, ott kell lennie, hogy lehűljön, hogy továbbadhassa ezt a tudományt. És mivel az L2-nél van, csak egy bizonyos sávszélességünk van” – magyarázta McCaughrean. "Nincs olyan, hogy ingyen ebéd, mondjuk így."

A közösség dönt

A Webb-megfigyelések első évét alaposan megtervezték. A tudományos műveletek első öt hónapjában tovább fog működni korai kiadású tudományos programok, amelyek célja a Webb hardverének határait feszegetni, és megnézni, mire képes. Az első évben olyan programokon fog dolgozni, amelyekbe beválogatták 1. ciklus, beleértve az exobolygók, fekete lyukak, mélymezők és egyebek kutatását.

Ezen túlmenően azonban a Webb használatával végzendő jövőbeli munka nagyrészt nyitott. A kutatók javaslatokat nyújtanak be arra vonatkozóan, hogy milyen adatokat szeretnének gyűjteni a Webb segítségével, és ezeket a javaslatokat szakértői felülvizsgálatnak vetik alá, hogy kiválaszthassák azokat, amelyek tudományosan a legérdekesebbek. „A közösség dönti el, hogy mi lesz az obszervatóriummal” – mondta McCaughrean.

Ez a közösségi részvétel már megváltoztatta a Webb használatának módját – például az exobolygó-kutatás jelenleg a rendelkezésre álló megfigyelési idő körülbelül egyharmadát foglalja el a kutatás első körében. Amikor McCaughrean és kollégái azt tervezték, hogyan lehetne használni a Webbet a 2000-es évek elején, nem gondolták közel ennyi exobolygó-kutatás folyik majd, mert olyan kevés exobolygót fedeztek fel akkor idő.

Ez különbözteti meg Webb-et a nagyon konkrét célú küldetésektől, mint például az ESA Gaia obszervatóriuma, amely kifejezetten a galaxis 3D-s térképének elkészítésére tervezték, és inkább a Hubble-hoz, amelyet úgy terveztek, hogy megfeleljen sok kutatási igényeket. „Nagyon határozottan egy általános célú obszervatórium” – mondta McCaughrean. „Csak meg kell nézni a Hubble-t és azt, hogy hogyan fejlődött az évek során. Részben azáltal, hogy új eszközöket vezetünk be, de leginkább azáltal, hogy a tudományos közösség úgy dönt, hogy különböző prioritásokat és különböző területeket kell tenni.”

Ez a rugalmasság azért lehetséges, mert a Webb-t úgy tervezték, hogy hasznos legyen számos terület kutatásában – beleértve az olyan alkalmazásokat is, amelyekre még nem gondoltunk. Webb az az előrejelzések szerint tartós lesz legalább 20 éve, és még alig kezdtük el feltárni, mire képes ez idő alatt.

„Ez az izgalmas. Ha egy nagyon erős, nagyon hatékony általános célú obszervatóriumot építesz, annak sok szempontból csak a közösség kreativitása korlátozza” – mondta McCaughrean. "A Webb az, amit most csinálunk."

Szerkesztői ajánlások

• James Webb ősi port fedez fel, amely a legkorábbi szupernóvákból származhat
• Nagyítson rá a lenyűgöző James Webb képre, és lásson egy 13,4 milliárd évvel ezelőtt keletkezett galaxist
• James Webb felfedezi a valaha felfedezett legtávolabbi aktív szupermasszív fekete lyukat
• James Webb nyomokat fedez fel az univerzum nagyszabású szerkezetére
• James Webb fontos molekulát észlel a lenyűgöző Orion-ködben