Ecco cosa osserverà prossimamente il telescopio spaziale James Webb

Il mondo si è riunito la scorsa settimana in una rara dimostrazione di unità internazionale per guardare con meraviglia prime immagini scientifiche prodotto dal telescopio spaziale James Webb. Decenni di lavoro e il risultato degli sforzi di migliaia di persone provenienti da tutto il mondo, il Il telescopio è destinato a rivoluzionare l'astronomia permettendoci di scrutare più profondamente che mai il cosmo Prima.

Webb possiede lo specchio più grande mai lanciato nello spazio, nonché il più grande schermo solare, ed è il telescopio spaziale più potente mai costruito. Le prime immagini sono solo un assaggio di ciò che è capace di fare questo straordinario pezzo di tecnologia. Quindi, per saperne di più su quale futura ricerca scientifica sarà resa possibile da questo colosso, abbiamo parlato con Mark McCaughrean, scienziato interdisciplinare Webb presso l'Agenzia spaziale europea.

McCaughrean sarà uno dei primi ricercatori a utilizzare Webb per il suo lavoro sull' Nebulosa di Orione, ed è stato coinvolto nella progettazione del telescopio per più di 20 anni. Ci ha raccontato tutto su come Webb spingerà le frontiere dell’astronomia e consentirà scoperte che non abbiamo nemmeno iniziato a immaginare.

Vedere l'universo a infrarossi

Quando gli astronomi iniziarono a immaginare Webb per la prima volta negli anni '80, avevano in mente un piano specifico: volevano uno strumento di ricerca cosmologica per osservare le prime galassie dell'universo.

Gli scienziati sapevano che queste galassie primordiali esistevano ed erano prossime a diventare accessibili a noi perché il telescopio spaziale Hubble aveva osservato alcune galassie piuttosto precoci. Osservando la lunghezza d'onda della luce visibile, Hubble ha potuto identificare centinaia di queste galassie, che si sono formate entro poche centinaia di milioni di anni dal Big Bang. Ma queste galassie si erano già formate e i ricercatori volevano guardare ancora più indietro, per vederne la reale formazione.

Per fare ciò, avevano bisogno di uno strumento in grado di guardare nella lunghezza d’onda dell’infrarosso, oltre la luce visibile. Questo perché le prime galassie emettevano luce visibile proprio come fanno le galassie oggi. Ma l’universo si sta espandendo nel tempo e ciò significa che le galassie che vediamo nel cielo si stanno allontanando da noi. Più vecchia è la galassia, più è lontana. E questa distanza provoca un fenomeno chiamato redshift.

Simile all'effetto Doppler, in cui i suoni cambiano la loro altezza percepita in base alla distanza tra loro la sorgente e l'osservatore cambiano, la lunghezza d'onda della luce cambia man mano che la sorgente si allontana noi. Questa luce viene spostata verso l'estremità più rossa dello spettro, da qui il nome redshift.

Le galassie più antiche, quindi, hanno una luce talmente spostata verso il rosso da non essere più osservabile come luce visibile. Invece, è visibile come infrarosso – e questa è la lunghezza d’onda in cui opera Webb.

È così che Webb è in grado di rilevare e identificare le primissime galassie. Se Webb riesce a vedere una galassia che brilla intensamente nell'infrarosso, ma che è debole o invisibile ai telescopi basati principalmente sulla luce visibile come Hubble, i ricercatori possono essere sicuri di aver trovato una galassia estremamente spostata verso il rosso, il che significa che è molto lontana, e quindi molto vecchio.

Anche nel prima immagine in campo profondo da Webb puoi vedere alcune galassie estremamente antiche. L’ammasso di galassie al centro dell’immagine ha 4,6 miliardi di anni, ma a causa della sua massa piega lo spaziotempo attorno a sé. Ciò significa che anche la luce proveniente dalle galassie dietro questo ammasso viene piegata, quindi l’ammasso agisce come una lente d’ingrandimento in un effetto chiamato lente gravitazionale. Alcune delle galassie osservati in questo campo profondo hanno circa 13 miliardi di anni, il che significa che si sono formati nel primo miliardo di anni dell'universo.

Espansione per fare di più

Se Webb era stato originariamente concepito come uno strumento cosmologico, tuttavia, presto si espanse fino a diventare molto più di questo.

Dopo decenni di pianificazione per Webb, i progettisti si sono resi conto che lo strumento che stavano costruendo poteva essere utilizzato per campi molto più diversi della semplice cosmologia. Hanno aggiunto nuovi strumenti, come il MIRI, che osserva la lunghezza d’onda del medio infrarosso piuttosto che quella del vicino infrarosso ed è più utile per studiare la formazione di stelle e pianeti che per la cosmologia. Questa differenza comporta una sfida, come ha fatto questo strumento rilevatori diversi dagli altri strumenti e ne richiede la proprio frigorifero. Ma, insieme ad altri strumenti, espande ciò che Webb può fare in un’intera gamma di possibilità.

"Il focus originale del telescopio era molto più focalizzato sull'universo ad alto spostamento verso il rosso", ha riassunto McCaughrean. “Quello era l’obiettivo più alto, trovare le prime stelle e galassie che si sono formate dopo il Big Bang. Tutto il resto dopo è "bello da avere". Ma nel corso del progetto, siamo riusciti a trasformarlo in quattro temi: cosmologia, formazione stellare, scienza planetaria ed evoluzione delle galassie. E ci siamo assicurati che l’osservatorio fosse capace di tutto ciò”.

Telecamere e spettrografi

Webb ha a bordo quattro strumenti: la Near-Infrared Camera o NIRCam, lo spettrografo del vicino infrarosso o NIRSpec, l'imager del vicino infrarosso e lo spettrografo senza fessura o NIRISS, e lo strumento del medio infrarosso o MIRI. C'è anche un sensore chiamato Fine Guidance Sensor (FGS), che aiuta a puntare il telescopio nella giusta direzione.

Gli strumenti sono un mix di fotocamere e spettrografi, che sono strumenti per dividere la luce in diverse lunghezze d'onda in modo da poter vedere quali lunghezze d'onda sono state assorbite. Ciò ti consente di vedere di cosa è composto un oggetto osservando la luce che emette.

Anche se le immagini scattate dalle telecamere attirano maggiormente l’attenzione del pubblico, gli spettrografi non dovrebbero essere sottovalutati come strumento scientifico. Circa la metà del tempo di osservazione attualmente assegnato è dedicato alla spettroscopia, per compiti come l’analisi della composizione delle atmosfere degli esopianeti. In parte, ciò è dovuto al fatto che ci vuole più tempo per acquisire lo spettro di un oggetto che a catturarne un’immagine, e in parte perché la spettroscopia può fare cose che l’imaging non può fare.

Anche le fotocamere e gli spettrografi lavorano insieme, poiché i filtri utilizzati nell'imaging sono utili per selezionare gli oggetti da studiare con gli spettrografi.

"Immagina di fare un campo profondo, scattando alcune immagini profonde con NIRCam", ha spiegato McCaughrean. “Quindi usi diversi filtri per selezionare i candidati, perché ci saranno troppe cose da guardare in quel campo una per una con la spettroscopia. Quindi è necessaria l’imaging per trovare i candidati”, ad esempio osservando i colori in un’immagine per decidere che un dato oggetto è, ad esempio, una galassia ad alto spostamento verso il rosso e non una debole stella vicina.

Ciò è già stato dimostrato nella pratica, con La prima immagine in campo profondo di Webb. L'imaging è stato realizzato con la fotocamera NIRCam, che è stata in grado di riprendere un gran numero di galassie sia vicine che lontane in un'unica straordinaria immagine. Quindi obiettivi particolari, come a galassia di oltre 13 miliardi di anni, sono stati selezionati e osservati con lo spettrografo NIRSpec, raccogliendo dati sulla composizione e sulla temperatura di questa galassia primordiale.

“È uno spettro così bello e pulito”, ha detto McCaughrean. “Nessuno ha mai visto niente di simile prima da nessuna parte. Quindi ora sappiamo che questa macchina funziona in modo incredibilmente potente”.

Molteplici modalità

Per comprendere tutte le capacità di Webb, dovresti sapere che i quattro strumenti non hanno una sola modalità ciascuno: possono essere utilizzati in più modi per osservare obiettivi diversi. In totale, ci sono 17 modalità tra i quattro strumenti, e ciascuno di questi doveva essere testato e verificato prima che il telescopio fosse dichiarato pronto per iniziare le operazioni scientifiche.

Ad esempio, prendi lo strumento NIRSpec. Può eseguire diversi tipi di spettroscopia, inclusa la spettroscopia a fessura fissa, che è una modalità altamente sensibile per indagare singoli target (come l'analisi della luce emessa dalla fusione di stelle di neutroni chiamate kilonova), o la spettroscopia con unità di campo, che esamina gli spettri per più pixel su una piccola area per ottenere informazioni contestuali su un bersaglio (come guardare una galassia estremamente distante che è stata deformata dall'attrazione gravitazionale lente).

Il terzo tipo di spettroscopia che NIRSpec fa è qualcosa di veramente speciale chiamato spettroscopia multi-oggetto. Utilizza minuscole persiane simili a finestre disposte in un formato chiamato array di microotturatori. “Sono fondamentalmente piccoli dispositivi di un paio di centimetri di diametro, di cui ne abbiamo quattro. In ognuno di questi dispositivi ci sono 65.000 piccoli otturatori individuali”, ha detto McCaughrean.

Ciascuno di questi otturatori può essere controllato individualmente per aprirsi o chiudersi, consentendo ai ricercatori di selezionare quali parti di un campo stanno guardando. Per utilizzare questi microotturatori, i ricercatori prima scattano un’immagine utilizzando un altro strumento come NIRCam per selezionare gli oggetti di interesse. Quindi comandano l'apertura delle persiane corrispondenti a questi oggetti di interesse, mentre le altre rimangono chiuse.

Ciò consente alla luce proveniente dai target, come particolari galassie, di risplendere sui rilevatori del telescopio, senza consentire la fuoriuscita anche della luce dallo sfondo. “Aprendo solo la porta dove si trova la galassia e chiudendo tutte le altre porte, da dove arriva la luce quell'oggetto, si espande in uno spettro e non si ha tutta l'altra luce che passa attraverso", McCaughrean disse. "Questo lo rende più sensibile."

Questa spettroscopia multi-oggetto può essere utilizzata per osservare particolari galassie in immagini in campo profondo, il che è particolarmente utile per studiare le prime galassie che presentano un elevato spostamento verso il rosso. E questo metodo è in grado di ottenere spettri da un massimo di 100 oggetti contemporaneamente, rendendolo un modo molto efficiente per raccogliere dati.

Gestire troppa luce

Come dimostrano i micro-otturatori, una parte difficile del lavoro con strumenti altamente sensibili è gestire troppa luce. Prendi il lavoro James Webb farà su Giove nei suoi primi mesi di funzionamento – in realtà è molto difficile immaginare gli anelli e le lune attorno a Giove perché il pianeta stesso è così luminoso. Se l'oggetto debole che stai cercando di osservare è vicino a uno molto luminoso, può alterare le tue letture, quindi tutto ciò che vedi è la luce proveniente dall'oggetto più luminoso.

Un problema simile sorge quando si tenta di osservare esopianeti distanti, che sono molto deboli rispetto alle stelle attorno alle quali orbitano. Per affrontare questa sfida, James Webb ha un altro asso nella manica chiamato coronagrafia.

Sia NIRCam che MIRI dispongono di modalità coronagrafia, la cui forma più semplice consiste nel posizionare un piccolo disco metallico davanti all'oggetto luminoso per bloccarne la luce. Quindi puoi osservare più facilmente le altre fonti di luce più fioche attorno ad esso. Ma questo approccio ha i suoi limiti: se l’oggetto luminoso si muove dietro il disco, la sua luce può fuoriuscire dai bordi e rovinare le osservazioni. Potresti rimpicciolire il disco in modo da bloccare solo il punto centrale più luminoso dell'oggetto, ma avresti comunque molta luce in eccesso da gestire. Potresti ingrandire il disco, ma bloccherebbe altri oggetti vicini all'oggetto luminoso.

Esiste quindi un’altra forma di questa modalità coronagrafica che utilizza l’hardware chiamato maschera di fase a quattro quadranti. "Questo è un pezzo di ottica molto intelligente", ha detto McCaughrean. “Non ha un disco di metallo, ma ha quattro diversi pezzi di vetro che conferiscono fasi diverse alla luce che entra. Quando pensiamo alla luce come ad un'onda, piuttosto che come ai fotoni, la luce ha una fase. Se metti la sorgente luminosa proprio sulla croce dove si incontrano le quattro diverse piastre di fase, puoi farlo elaboralo in modo tale che la luce venga effettivamente cancellata dalla stella, a causa dell'interferenza delle onde effetto."

Ciò significa che se lo allinei esattamente in modo che l'oggetto luminoso sia esattamente al centro di questi quadranti, la luce della stella verrà cancellata, ma la luce di altri oggetti come i pianeti lo sarà ancora visibile. Ciò lo rende ideale per osservare gli esopianeti in orbita vicino alle loro stelle ospiti che altrimenti sarebbero impossibili da vedere.

Sfruttare il tempo

Ancora un altro modo per gestire una combinazione di oggetti luminosi e fioci è eseguire più letture nel tempo. A differenza di qualcosa come il tuo telefono, che scatta una foto e poi si reimposta immediatamente, i rilevatori di Webb possono eseguire più letture senza reimpostare.

"Quindi possiamo scattare una serie di immagini nel tempo con lo stesso rilevatore, mentre accumula la luce dalle fonti deboli", spiega McCaughrean. “Ma quando guardiamo i dati, possiamo usare le prime immagini per le fonti luminose prima che si saturino, e poi continuare ad accumulare luce dalle fonti deboli e ottenere la sensibilità. Estende efficacemente la gamma dinamica leggendo i rilevatori più volte.

Un'altra modalità in cui gli strumenti possono operare è chiamata osservazione di serie temporali, che fondamentalmente consiste semplicemente nel prendere molte letture una dopo l'altra per catturare oggetti che cambiano nel tempo. Ciò è utile per catturare oggetti che lampeggiano, come stelle di neutroni pulsanti chiamate magnetar, o per osservare gli esopianeti che si muovono attraverso la faccia della loro stella ospite in un movimento chiamato transito.

"Quando un pianeta transita davanti alla stella, vuoi catturarlo ai margini del transito così come nel mezzo del transito", ha detto McCaughrean. "Quindi continui a guardarlo e continui a prendere dati."

Una sfida con questo metodo è che richiede che il telescopio rimanga in un allineamento quasi perfetto perché se si muovesse anche leggermente, introdurrebbe rumore nei dati. Ma la buona notizia è che il telescopio funziona molto bene in termini di puntamento su un oggetto e permanenza all'interno posto, grazie al sensore di guida fine che blocca le stelle vicine e si adatta a eventuali disturbi come quello solare venti.

Sfide nel lavorare con Webb

Come per ogni strumento tecnologico, ci sono limitazioni su ciò che Webb può fare. Uno dei grandi limiti pratici per gli scienziati che utilizzano Webb è la quantità di dati che possono raccogliere dal telescopio. A differenza di Hubble, che orbita attorno alla Terra, Webb orbita attorno al sole a posizione chiamata L2.

Si tratta di circa 1 milione di miglia di distanza dalla Terra, quindi Webb è dotato di a potente antenna radio che può inviare dati sulla Terra a una velocità di 28 megabit al secondo. È davvero impressionante: come ha sottolineato McCaughrean, è sostanzialmente più veloce del Wi-Fi del suo hotel che stavamo utilizzando parlare, anche su una distanza molto maggiore, ma non si avvicina alla quantità totale di dati che gli strumenti possono acquisire per secondo.

L'osservatorio ha una piccola quantità di memoria a stato solido, circa 60GB, che può registrare i dati per un breve periodo se gli strumenti raccolgono più dati di quelli che possono essere rinviati, fungendo da buffer. Potrebbe non sembrare molto rispetto al tipo di spazio di archiviazione che di solito si ottiene su un telefono o un laptop, ma il i requisiti di un hardware che sia sicuro contro le radiazioni e che possa resistere a decenni di utilizzo sono piuttosto diversi.

Questa limitazione significa che i ricercatori devono essere selettivi riguardo a quali dati dare priorità nei downlink dal telescopio, scegliendo solo i dati più vitali per le loro esigenze. Potresti chiederti perché Webb non è posizionato più vicino alla Terra in questo caso, ma l’orbita L2 è essenziale per il modo in cui funziona – e il motivo è dovuto alle temperature.

"La gente pensa che lo spazio sia freddo, beh, non se sei vicino a un grande oggetto che ti riscalda ogni giorno come la Terra o il sole", ha detto McCaughrean. "Quindi, se vuoi guardare nell'infrarosso, devi assicurarti che il tuo telescopio sia incredibilmente freddo, in modo che non emetta alle lunghezze d'onda che stai cercando di osservare." rilevare." Ecco perché Webb ha un enorme parasole per mantenerlo fresco, e perché è a L2 in modo che il parasole possa bloccare il calore sia del sole che dell'aria. Terra.

“Abbiamo costruito un osservatorio che deve essere a L2, deve essere lì per fare freddo, in modo da poter fornire questa scienza. E poiché è su L2, abbiamo solo una certa larghezza di banda”, ha spiegato McCaughrean. “Non esiste il pranzo gratis, mettiamola così”.

La comunità decide

Il primo anno di osservazioni di Webb è stato attentamente pianificato. Nei primi cinque mesi di operazioni scientifiche, lavorerà programmi scientifici a rilascio anticipato, che sono quelli progettati per spingere i limiti dell'hardware di Webb e vedere di cosa è capace. Nel corso del primo anno lavorerà sui programmi selezionati Ciclo 1, compresa la ricerca su esopianeti, buchi neri, campi profondi e altro ancora.

Oltre a ciò, però, il lavoro futuro da svolgere utilizzando Webb è in gran parte aperto. I ricercatori presentano proposte sui dati che desiderano raccogliere utilizzando Webb e queste proposte vengono sottoposte a revisione paritaria per selezionare quelle scientificamente più interessanti. "La comunità decide cosa viene fatto con l'osservatorio", ha detto McCaughrean.

Questo coinvolgimento della comunità ha già cambiato il modo in cui viene utilizzato Webb: ad esempio, la ricerca sugli esopianeti attualmente richiede circa un terzo del tempo di osservazione disponibile nel primo ciclo di ricerca. Quando McCaughrean e i suoi colleghi stavano progettando come utilizzare Webb all’inizio degli anni 2000, non immaginavano ci sarebbe stata una tale quantità di ricerche sugli esopianeti in corso perché erano stati scoperti così pochi esopianeti tempo.

Ciò rende Webb diverso dalle missioni con uno scopo molto specifico, come l’osservatorio Gaia dell’ESA progettato specificamente per creare una mappa 3D della galassia, e più simile a Hubble, progettato per soddisfare molti esigenze di ricerca. "È sicuramente un osservatorio per scopi generali", ha detto McCaughrean. “Basta guardare Hubble e come si è evoluto nel corso degli anni. In parte attraverso l’implementazione di nuovi strumenti, ma soprattutto attraverso la comunità scientifica che decide che ci sono diverse priorità e diverse aree che devono essere affrontate”.

Questa flessibilità è possibile perché Webb è progettato per essere utile per la ricerca in moltissimi campi, comprese le applicazioni a cui non abbiamo ancora pensato. Webb lo è destinato a durare almeno 20 anni e abbiamo appena iniziato a esplorare cosa potrebbe fare in quel lasso di tempo.

“Questa è la cosa emozionante. Se costruisci un osservatorio generale molto potente e molto capace, per molti versi sarà limitato solo dalla creatività della comunità”, ha detto McCaughrean. "Webb è ciò che ne facciamo adesso."

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