הנה מה שטלסקופ החלל ג'יימס ווב יצפה בהמשך

העולם התכנס בשבוע שעבר במופע נדיר של אחדות בינלאומית כדי לבהות בפליאה תמונות מדעיות ראשונות מיוצר על ידי טלסקופ החלל ג'יימס ווב. עשרות שנים בהתהוות ותוצאה של מאמציהם של אלפי אנשים מרחבי העולם, ה הטלסקופ אמור לחולל מהפכה באסטרונומיה בכך שיאפשר לנו להציץ עמוק יותר לתוך הקוסמוס מאי פעם לפני.

לווב יש את המראה הגדולה ביותר ששוגרה אי פעם לחלל, כמו גם את מגן השמש הגדול ביותר, וזהו טלסקופ החלל החזק ביותר שנבנה אי פעם. התמונות הראשונות הן רק טעימה ממה שפיסת הטכנולוגיה המדהימה הזו מסוגלת לעשות. אז כדי לגלות יותר על איזה מחקר מדעי עתידי יתאפשר על ידי הכוכב הזה, שוחחנו עם מארק מק'קאוגרין, מדען בינתחומי ווב בסוכנות החלל האירופית.

מקאוגרין יהיה אחד החוקרים הראשונים שהשתמשו בווב לצורך עבודתו בתחום ערפילית אוריון, והוא מעורב בתכנון הטלסקופ כבר יותר מ-20 שנה. הוא סיפר לנו הכל על איך ווב ידחוף את גבולות האסטרונומיה ויאפשר תגליות שאפילו לא התחלנו לדמיין.

לראות את היקום באינפרא אדום

כשהאסטרונומים התחילו לדמיין את ווב לראשונה בשנות ה-80, הייתה להם תוכנית ספציפית בראש: הם רצו כלי מחקר קוסמולוגי שיסתכל אחורה על הגלקסיות המוקדמות ביותר ביקום.

מדענים ידעו שהגלקסיות המוקדמות הללו נמצאות בחוץ והיו קרובות להיות נגישות לנו מכיוון שטלסקופ החלל האבל צפה בכמה גלקסיות די מוקדמות. כאשר הסתכל באורך הגל של האור הנראה, האבל יכול לזהות מאות מהגלקסיות הללו, שנוצרו בתוך כמה מאות מיליוני שנים מהמפץ הגדול. אבל הגלקסיות האלה כבר נוצרו, וחוקרים רצו להסתכל עוד יותר אחורה, כדי לראות אותן נוצרות בפועל.

לשם כך, הם היו צריכים כלי שיוכל להסתכל באורך הגל האינפרא אדום, מעבר לאור הנראה. הסיבה לכך היא שהגלקסיות המוקדמות ביותר הפיקו אור נראה בדיוק כמו שגלקסיות עושות היום. אבל היקום מתרחב עם הזמן, וזה אומר שהגלקסיות שאנו רואים בשמיים מתרחקות מאיתנו. ככל שהגלקסיה ישנה יותר, כך היא רחוקה יותר. והמרחק הזה גורם לתופעה שנקראת היסט לאדום.

בדומה לאפקט הדופלר, שבו צלילים משנים את הגובה הנתפס שלהם כמרחק ביניהם המקור והצופה משתנה, אורך הגל של האור משתנה ככל שהמקור שלו מתרחק לָנוּ. האור הזה מוסט לקצה האדום יותר של הספקטרום, ומכאן השם הסחה לאדום.

לגלקסיות העתיקות ביותר, אם כן, יש אור שהוסט לאדום עד כדי כך שלא ניתן לצפות בו עוד כאור נראה. במקום זאת, הוא נראה כאינפרא אדום - וזהו אורך הגל שבו פועל ווב.

כך ווב מסוגל לזהות ולזהות את הגלקסיות המוקדמות ביותר. אם ווב יכול לראות גלקסיה שזורחת בבהירות באינפרא אדום, אך היא עמומה או בלתי נראית לטלסקופים מבוססי אור גלוי בעיקר כמו האבל, אז החוקרים יכולים להיות בטוחים שהם מצאו גלקסיה שהוסטה מאוד לאדום - כלומר היא רחוקה מאוד, ומכאן מאוד ישן.

אפילו ב תמונת שדה עמוק ראשונה מ-Webb, אתה יכול לראות כמה גלקסיות ישנות במיוחד. צביר הגלקסיות שהוא המוקד של התמונה הוא בן 4.6 מיליארד שנים, אבל בגלל המסה שלו הוא מכופף סביבו את המרחב בזמן. משמעות הדבר היא שאור המגיע מגלקסיות שמאחורי הצביר הזה מכופף גם כן, ולכן הצביר פועל כמו זכוכית מגדלת באפקט הנקרא עדשת כבידה. חלק מהגלקסיות הנראים בשדה העמוק הזה הם בני כ-13 מיליארד שנים, כלומר נוצרו במיליארד השנים הראשונות של היקום.

מתרחב כדי לעשות יותר

אם ווב הומשג במקור ככלי קוסמולוגי, הוא התרחב עד מהרה והפך להרבה יותר מזה.

במשך עשרות שנים של תכנון עבור ווב, המעצבים הבינו שהכלי שהם בונים יכול לשמש לתחומים הרבה יותר מגוונים מאשר רק קוסמולוגיה. הם הוסיפו מכשירים חדשים, כמו MIRI, שנראה באורך הגל האמצעי של האינפרא אדום ולא באינפרא אדום הקרוב, והוא שימושי יותר לחקר היווצרות כוכבים וכוכבי לכת מאשר קוסמולוגיה. ההבדל הזה מביא אתגר משלו כפי שיש למכשיר הזה גלאים שונים מהמכשירים האחרים ודורש את זה מצנן משלו. אבל, יחד עם מכשירים אחרים, זה מרחיב את מה ש-Webb יכול לעשות למגוון שלם של אפשרויות.

"ההתמקדות המקורית של הטלסקופ הייתה הרבה יותר ביקום ההיסט האדום הגבוה", סיכם מק'קוגרין. "זו הייתה המטרה הגבוהה ביותר, למצוא את הכוכבים והגלקסיות הראשונים הללו שנוצרו לאחר המפץ הגדול. כל השאר אחר כך הוא 'נחמד שיש'. אבל במהלך התקדמות הפרויקט, הצלחנו להפוך את זה לארבעה נושאים: קוסמולוגיה, היווצרות כוכבים, מדע פלנטרי והתפתחות הגלקסיות. ודאגנו שהמצפה יהיה מסוגל לכל אלה".

מצלמות וספקטרוגרפים

ל-Webb יש ארבעה מכשירים על הסיפון: מצלמה קרובה לאינפרא אדום או NIRCam, ספקטרוגרף אינפרא אדום קרוב או NIRSpec, ה-Nar Infra Red Imager ו-Slitless Spectrograph או NIRISS, והמכשיר באמצע אינפרא אדום או מירי. יש גם חיישן שנקרא Fine Guidance Sensor (FGS), שעוזר לכוון את הטלסקופ בכיוון הנכון.

המכשירים הם שילוב של מצלמות וספקטרוגרפים, שהם מכשירים לפיצול אור לאורכי גל שונים כדי שתוכלו לראות אילו אורכי גל נספגו. זה מאפשר לך לראות ממה מורכב אובייקט על ידי התבוננות באור שהוא פולט.

בעוד שהתמונות שצולמו על ידי המצלמות זוכות לתשומת לב רבה ביותר, אין לזלזל בספקטרוגרפים ככלי מדעי. כמחצית מזמן התצפית המוקצה כיום מוקדש לספקטרוסקופיה, עבור משימות כמו ניתוח הרכב האטמוספרות של כוכבי לכת. חלקית, זה בגלל שלוקח יותר זמן לקחת ספקטרום של אובייקט מאשר לצלם תמונה שלו, וחלקית זה בגלל שספקטרוסקופיה יכולה לעשות דברים שהדמיה לא יכולה.

גם מצלמות וספקטרוגרפים פועלים יחד, שכן המסננים המשמשים בהדמיה שימושיים לבחירת אובייקטים ללימוד עם הספקטרוגרפים.

"דמיין שאתה עושה שדה עמוק, מצלם כמה תמונות עמוקות עם NIRCam," הסביר מק'קוגרין. "אז אתה משתמש במסננים שונים כדי לבחור מועמדים, כי יהיו יותר מדי דברים להסתכל עליהם בתחום הזה אחד אחד עם ספקטרוסקופיה. אז אתה צריך את ההדמיה כדי למצוא את המועמדים", למשל על ידי התבוננות בצבעים בתמונה כדי להחליט שעצם נתון הוא, נניח, גלקסיה בהיסט לאדום גבוה ולא כוכב סמוך חלש.

זה כבר הוכח בפועל, עם תמונת השדה העמוק הראשונה של ווב. ההדמיה בוצעה עם מצלמת NIRCam, שהצליחה לקלוט מספר עצום של גלקסיות הן קרובות והן רחוקות בתמונה מדהימה אחת. ואז מטרות מסוימות, כמו א גלקסיה בת מעל 13 מיליארד שנים, נבחרו ונצפו באמצעות הספקטרוגרף NIRSpec, תוך איסוף נתונים על הרכבה וטמפרטורת הגלקסיה המוקדמת הזו.

"זה ספקטרום כל כך יפה ונקי", אמר מק'קוגרין. "אף אחד מעולם לא ראה דבר כזה משום מקום. אז עכשיו אנחנו יודעים שהמכונה הזו עובדת בצורה עוצמתית להפליא."

מצבים מרובים

כדי להבין את היכולות המלאות של Webb, עליך לדעת שלארבעת המכשירים אין רק מצב אחד לכל אחד - ניתן להשתמש בהם במספר דרכים כדי להסתכל על יעדים שונים. בסך הכל, יש 17 מצבים בין ארבעת המכשירים, וכל אחד מהם היה צריך להיבדק ולאמת לפני שהטלסקופ הוכרז מוכן להתחיל בפעולות מדעיות.

לדוגמה, קח את המכשיר NIRSpec. הוא יכול לבצע מספר סוגים של ספקטרוסקופיה, כולל ספקטרוסקופיה של חריץ קבוע, שהוא מצב רגיש ביותר לחקירת מטרות בודדות (כגון ניתוח האור המופץ על ידי מיזוג כוכבי נויטרונים הנקראים קילנובה), או ספקטרוסקופיה של יחידת שדה, אשר בוחנת ספקטרום עבור מספר רב של פיקסלים על פני שטח קטן כדי לקבל מידע הקשרי על מטרה (כמו התבוננות בגלקסיה רחוקה ביותר שעוותה על ידי כבידה עדשות).

הסוג השלישי של ספקטרוסקופיה NIRSpec עושה הוא משהו מיוחד באמת שנקרא ספקטרוסקופיה מרובה אובייקטים. הוא משתמש בתריסים זעירים דמויי חלונות המסודרים בפורמט הנקרא מערך מיקרו-תריס. "אלה בעצם מכשירים קטנים בקוטר של כמה סנטימטרים, מתוכם יש לנו ארבעה. בכל אחד מהמכשירים האלה, יש 65,000 תריסים בודדים קטנים", אמר מק'קוגרין.

ניתן לשלוט על כל אחד מהתריסים הללו בנפרד כדי לפתוח או לסגור, מה שמאפשר לחוקרים לבחור באילו חלקים בשדה הם מסתכלים. כדי להשתמש בתריסים אלה, החוקרים מצלמים תחילה תמונה באמצעות מכשיר אחר כמו NIRCam כדי לבחור את האובייקטים המעניינים. אחר כך הם מצווים על פתיחת התריסים המתאימים לאובייקטים המעניינים הללו, בעוד האחרים נשארים סגורים.

זה מאפשר לאור מהמטרות, כמו גלקסיות מסוימות, לזרוח אל הגלאים של הטלסקופ, מבלי לאפשר לאור מהרקע לדלוף גם כן. "רק על ידי פתיחת הדלת במקום בו נמצאת הגלקסיה וסגירת כל שאר הדלתות, כאשר האור מגיע מ האובייקט הזה, הוא מתפזר לתוך ספקטרום, ואין לך את כל האור האחר שמגיע", "מקאוגרין אמר. "זה עושה את זה יותר רגיש."

ניתן להשתמש בספקטרוסקופיה מרובת אובייקטים זו כדי להסתכל על גלקסיות מסוימות בתמונות שדה עמוקות, דבר שימושי במיוחד לחקר הגלקסיות המוקדמות ביותר שהסטות לאדום גבוהות. ושיטה זו מסוגלת לקבל ספקטרום של עד 100 אובייקטים בבת אחת - מה שהופך אותה לדרך יעילה מאוד לאסוף נתונים.

התמודדות עם יותר מדי אור

כפי שהמיקרו-תריסים מדגימים, חלק מסובך אחד בעבודה עם מכשירים רגישים ביותר הוא התמודדות עם יותר מדי אור. קח את העבודה ג'יימס ווב יעשה על צדק בחודשי הפעילות הראשונים שלו - למעשה קשה מאוד לדמיין את הטבעות והירחים סביב צדק מכיוון שהכוכב עצמו כל כך בהיר. אם האובייקט הקלוש שאתה מנסה לראות נמצא ליד אובייקט בהיר מאוד, הוא יכול לפוצץ את הקריאות שלך כך שכל מה שאתה רואה הוא אור מהאובייקט הבהיר יותר.

בעיה דומה מתעוררת כאשר מנסים לצפות בכוכבי לכת רחוקים, שהם עמומים מאוד בהשוואה לכוכבים שהם מקיפים אותם. כדי להתמודד עם האתגר הזה, לג'יימס ווב יש עוד טריק בשרוול שנקרא קורונוגרפיה.

גם ל-NIRCam וגם ל-MIRI יש מצבי קורונוגרפיה, שהצורה הפשוטה ביותר שלהם היא הנחת דיסק מתכתי קטן לפני האובייקט הבהיר כדי לחסום את האור שלו. לאחר מכן תוכל להתבונן במקורות האור האחרים והעמומים סביבו ביתר קלות. אבל לגישה הזו יש מגבלות: אם האובייקט הבהיר נע מאחורי הדיסק, האור שלו יכול להישפך החוצה אל הקצוות ולהרוס את התצפיות. אתה יכול להקטין את הדיסק כך שהוא יחסום רק את הנקודה הבהירה המרכזית של האובייקט, אבל אז עדיין יהיה לך עודף אור להתמודד איתו. אתה יכול להגדיל את הדיסק, אבל אז הוא יחסום אובייקטים אחרים שקרובים לאובייקט הבהיר.

אז יש צורה אחרת של מצב קורונוגרפיה זה שמשתמשת בחומרה הנקראת מסכת פאזה ארבעת הרבעונים. "זו חתיכת אופטיקה חכמה מאוד", אמר מק'קוגרין. "אין לו דיסק מתכת, אבל יש לו ארבע חתיכות זכוכית שונות שמעניקות שלבים שונים לאור הנכנס. כאשר אנו חושבים על אור כגל, ולא כפוטונים, לאור יש פאזה. אם תשים את המקור הבהיר ממש על הצלב שבו ארבעת לוחות הפאזה השונים נפגשים, אתה יכול עבדו את זה כך שהאור למעשה יתבטל מהכוכב, בגלל הפרעות הגל השפעה."

זה אומר שאם אתה מסדר אותו בדיוק כך שהאובייקט הבהיר יהיה בדיוק באמצע הרביעים האלה, האור מהכוכב יתבטל, אבל האור מעצמים אחרים כמו כוכבי לכת עדיין יהיה גלוי. זה הופך אותו לאידיאלי לתצפית על כוכבי לכת שמסתובבים קרוב לכוכבים המארח שלהם, שאם לא כן יהיה בלתי אפשרי לראות.

ניצול זמן

דרך נוספת להתמודד עם שילוב של אובייקטים בהירים ואפלוליים היא לבצע קריאות מרובות לאורך זמן. שלא כמו משהו כמו הטלפון שלך, שמצלם תמונה ואז מתאפס מיד, הגלאים ב-Webb יכולים לבצע קריאות מרובות מבלי להתאפס.

"אז אנחנו יכולים לצלם סדרה של תמונות לאורך זמן עם אותו גלאי, שכן הוא בונה את האור מהמקורות הקלושים", מסביר מק'קוגרין. "אבל כשאנחנו מסתכלים על הנתונים, אנחנו יכולים להשתמש בתמונות הראשונות עבור המקורות הבהירים לפני שהם רוויים, ואז להמשיך לבנות אור מהמקורות הקלושים ולקבל את הרגישות. זה למעשה מרחיב את הטווח הדינמי על ידי קריאת הגלאים מספר פעמים".

מצב נוסף שהמכשירים יכולים לפעול בו נקרא תצפיות בסדרות זמן, שבעצם ביצוע קריאות רבות בזו אחר זו כדי ללכוד אובייקטים המשתנים עם הזמן. זה שימושי ללכידת עצמים מהבהבים, כמו כוכבי נויטרונים פועמים הנקראים מגנטרים, או להסתכלות על כוכבי לכת חיצוניים שנעים על פני הכוכב המארח שלהם בתנועה הנקראת מעבר.

"כאשר כוכב לכת עובר מול הכוכב, אתה רוצה לתפוס אותו בקצוות המעבר כמו גם באמצע המעבר", אמר מק'קוגרין. "אז אתה פשוט ממשיך לצפות בזה, ואתה ממשיך לקחת נתונים."

אתגר אחד בשיטה זו הוא שהיא מחייבת את הטלסקופ להישאר ביישור כמעט מושלם מכיוון שאם הוא זז אפילו מעט, הוא יכניס רעש לנתונים. אבל החדשות הטובות הן שהטלסקופ מתפקד טוב מאוד מבחינת הצבעה על עצם ושהייה בו מקום, הודות לחיישן הנחייה העדינה שננעל על כוכבים סמוכים ומתכוונן לכל הפרעות כגון שמש רוחות.

אתגרים בעבודה עם ווב

כמו בכל פיסת טכנולוגיה, יש מגבלות על מה ווב יכול לעשות. אחת המגבלות המעשיות הגדולות של מדענים המשתמשים בווב היא כמות הנתונים שהם יכולים לאסוף מהטלסקופ. שלא כמו האבל, שמסתובב סביב כדור הארץ, ווב מקיף את השמש ב-a עמדה שנקראת L2.

זה נמצא במרחק של כמיליון מייל מכדור הארץ, כך ש-Webb מצויד ב-a אנטנת רדיו חזקה שיכול לשלוח נתונים חזרה לכדור הארץ בקצב של 28 מגה-ביט לשנייה. זה די מרשים - כפי שציין מק'קוגרין, זה מהיר יותר באופן משמעותי מה-Wi-Fi במלון שלו בו השתמשנו לדבר, אפילו על פני מרחק הרבה יותר גדול - אבל זה לא קרוב לכמות הנתונים הכוללת שהמכשירים יכולים לקחת לכל שְׁנִיָה.

למצפה יש כמות קטנה של אחסון מצב מוצק, בסביבות 60 GB, אשר יכול להקליט נתונים לזמן קצר אם המכשירים אוספים יותר נתונים ממה שניתן לשלוח בחזרה, ופועלים כמאגר. זה אולי לא נשמע הרבה בהשוואה לסוג האחסון שאתה מקבל בדרך כלל בטלפון או מחשב נייד, אבל הדרישות של חומרה בטוחה מפני קרינה ויכולה לעמוד בעשרות שנים של שימוש שונות למדי.

מגבלה זו פירושה שהחוקרים צריכים להיות סלקטיביים לגבי הנתונים שהם מתעדפים בקישורים למטה מהטלסקופ, ולבחור רק את הנתונים החיוניים ביותר לצרכיהם. אתה עשוי לתהות מדוע ווב אינו ממוקם קרוב יותר לכדור הארץ במקרה זה, אבל מסלול ה-L2 חיוני לאופן פעולתו - והסיבה נובעת מטמפרטורות.

"אנשים חושבים שהחלל קר, ובכן, לא אם אתה ליד חפץ גדול שמחמם אותך כל יום כמו כדור הארץ או השמש", אמר מק'קוגרין. "אז אם אתה רוצה להסתכל באינפרא אדום, אתה צריך לוודא שהטלסקופ שלך קר להפליא, כך שהוא לא פולט באורכי הגל שאתה מנסה לזהות." זו הסיבה שלוב יש מגן שמש עצום כדי לשמור עליו קריר, ומדוע הוא נמצא ב-L2 כך שמגן השמש יכול לחסום חום הן מהשמש והן מהשמש. כדור הארץ.

"בנינו מצפה כוכבים שצריך להיות ב-L2, הוא צריך להיות שם כדי להתקרר, כדי שיוכל לספק את המדע הזה. ומכיוון שזה ב-L2, יש לנו רק רוחב פס מסוים", הסביר מק'קוגרין. "אין דבר כזה ארוחת צהריים חינם, בוא נגיד את זה ככה."

הקהילה מחליטה

השנה הראשונה של תצפיות ווב מתוכננות בקפידה. בחמשת החודשים הראשונים של הפעילות המדעית, זה יעבוד תוכניות מדעיות לשחרור מוקדם, שהם אלה שנועדו לדחוף את גבולות החומרה של Webb ולראות למה היא מסוגלת. במהלך שנתו הראשונה, היא תעבוד על תוכניות שנבחרו אליהן מחזור 1, כולל מחקר על כוכבי לכת, חורים שחורים, שדות עמוקים ועוד.

עם זאת, מעבר לכך, העבודה העתידית שתעשה באמצעות Webb פתוחה ברובה. חוקרים מגישים הצעות לאילו נתונים הם רוצים לאסוף באמצעות Webb, וההצעות הללו עוברות ביקורת עמיתים כדי לבחור את אלו שהן המעניינות ביותר מבחינה מדעית. "הקהילה מחליטה מה נעשה עם מצפה הכוכבים", אמר מק'קוגרין.

מעורבות קהילתית זו כבר שינתה את אופן השימוש בווב - לדוגמה, מחקר כוכבי הלכת תופס כיום כשליש מזמן התצפית הזמין בסבב הראשון של המחקר. כשמקאוגרין ועמיתיו תכננו כיצד ניתן להשתמש בווב בתחילת שנות ה-2000, הם לא תיארו לעצמם יהיה קרוב למחקר של כוכבי לכת אקסו-פלנטים רבים כל כך, כי כל כך מעט כוכבי לכת אקזו-כוכבים התגלו באותו זמן זְמַן.

זה עושה את ווב שונה ממשימות עם מטרה מאוד ספציפית, כמו מצפה הכוכבים Gaia של ESA, כלומר תוכנן במיוחד כדי ליצור מפה תלת מימדית של הגלקסיה, ועוד כמו האבל, שתוכננה לפגוש רבים צרכי מחקר. "זה בהחלט מצפה כוכבים למטרות כלליות", אמר מק'קוגרין. "אתה רק צריך להסתכל על האבל ואיך זה התפתח עם השנים. חלקית באמצעות הצבת מכשירים חדשים, אך בעיקר באמצעות החלטה של ​​הקהילה המדעית שיש סדרי עדיפויות שונים ותחומים שונים שצריך לעשות".

הגמישות הזו אפשרית מכיוון ש-Webb נועד להיות שימושי למחקר בהרבה תחומים - כולל יישומים שעדיין לא חשבנו עליהם. ווב הוא צפוי להימשך לפחות 20 שנה, ובקושי התחלנו לחקור מה זה יכול לעשות בזמן הזה.

"זה הדבר המרגש. אם אתה בונה מצפה כוכבים מאוד עוצמתי ומסוגל מאוד למטרות כלליות, הוא מוגבל במובנים רבים רק על ידי היצירתיות של הקהילה", אמר מק'קוגרין. "ווב הוא מה שאנחנו עושים מזה עכשיו."

המלצות עורכים

• ג'יימס ווב מבחין באבק עתיק שיכול להיות מהסופרנובות המוקדמות ביותר
• התקרב לתמונה המדהימה של ג'יימס ווב כדי לראות גלקסיה שנוצרה לפני 13.4 מיליארד שנים
• ג'יימס ווב מזהה את החור השחור הסופר-מאסיבי הפעיל הרחוק ביותר שהתגלה אי פעם
• ג'יימס ווב מזהה רמזים למבנה בקנה מידה גדול של היקום
• ג'יימס ווב מזהה מולקולה חשובה בערפילית אוריון המדהימה