James Webb 우주 망원경이 다음에 관찰할 내용은 다음과 같습니다.

지난주 세계는 보기 드문 국제 단결의 쇼에 함께 모여 최초의 과학적 이미지 제임스 웹 우주 망원경이 제작한 것입니다. 수십 년에 걸쳐 전 세계 수천 명의 사람들이 노력한 결과, 망원경은 우리가 그 어느 때보다 우주를 더 깊이 들여다볼 수 있게 함으로써 천문학에 혁명을 일으킬 것입니다. 전에.

Webb은 지금까지 우주로 발사된 거울 중 가장 큰 거울과 가장 큰 선실드를 보유하고 있으며 지금까지 제작된 우주 망원경 중 가장 강력한 것입니다. 첫 번째 이미지는 이 놀라운 기술이 무엇을 할 수 있는지 맛보기에 불과합니다. 따라서 이 거대 괴물이 어떤 미래 과학 연구를 가능하게 할지 자세히 알아보기 위해 우리는 유럽 우주국(European Space Agency)의 Webb 학제간 과학자인 Mark McCaughrean과 이야기를 나눴습니다.

McCaughrean은 자신의 연구에 Webb을 사용한 최초의 연구원 중 한 명입니다. 오리온 성운, 그는 20년 넘게 망원경 기획에 참여해 왔습니다. 그는 Webb이 어떻게 천문학의 한계를 뛰어넘고 우리가 상상조차 하지 못했던 발견을 가능하게 하는지에 대해 모두 이야기했습니다.

적외선으로 우주를 보다

천문학자들이 1980년대에 Webb을 처음 상상하기 시작했을 때 그들은 특정한 계획을 염두에 두었습니다. 그들은 우주에서 가장 초기의 은하계를 되돌아볼 수 있는 우주론 연구 도구를 원했습니다.

과학자들은 허블 우주 망원경이 꽤 초기 은하를 관찰했기 때문에 이러한 초기 은하가 거기에 있었고 우리가 접근할 수 있는 것에 가까웠다는 것을 알고 있었습니다. 가시광선 파장을 살펴보면 허블은 빅뱅 이후 수억 년 이내에 형성된 수백 개의 은하를 식별할 수 있었습니다. 그러나 이 은하들은 이미 형성되었고, 연구자들은 그들이 실제로 형성되는 것을 보기 위해 더 멀리 되돌아보고 싶어했습니다.

그러기 위해서는 가시광선 너머의 적외선 파장을 볼 수 있는 도구가 필요했습니다. 그 이유는 초기 은하계가 오늘날의 은하계처럼 가시광선을 발산했기 때문입니다. 그러나 우주는 시간이 지남에 따라 팽창하고 있으며 이는 우리가 하늘에서 보는 은하계가 우리에게서 멀어지고 있음을 의미합니다. 은하계가 오래될수록 더 멀리 떨어져 있습니다. 그리고 이 거리는 적색편이라는 현상을 일으킵니다.

소리 사이의 거리에 따라 인식되는 피치가 변경되는 도플러 효과와 유사합니다. 광원과 관찰자가 변하면 광원이 멀어질수록 빛의 파장이 변합니다. 우리를. 이 빛은 스펙트럼의 더 붉은색 끝으로 이동하므로 적색편이라는 이름이 붙습니다.

가장 오래된 은하의 빛은 너무 많이 적색편이되어 더 이상 가시광선으로 관찰할 수 없습니다. 대신 적외선으로 보입니다. 이것이 바로 Webb이 작동하는 파장입니다.

이것이 바로 Webb이 가장 초기의 은하를 탐지하고 식별할 수 있는 방법입니다. Webb이 적외선에서는 밝게 빛나지만 주로 가시광선 기반 망원경으로는 희미하거나 보이지 않는 은하를 볼 수 있다면 허블처럼 연구자들은 극도로 적색편이된 은하를 발견했다고 확신할 수 있습니다. 즉, 그 은하가 매우 멀리 떨어져 있다는 의미입니다. 오래된.

에서도 최초의 딥 필드 이미지 Webb에서 매우 오래된 은하계를 볼 수 있습니다. 이미지의 초점이 되는 은하단은 나이가 46억년이나 되었지만 질량 때문에 주위의 시공간을 휘게 만듭니다. 이는 이 성단 뒤의 은하에서 나오는 빛도 휘어진다는 것을 의미하며, 따라서 성단은 중력 렌즈라는 효과로 돋보기처럼 작용합니다. 은하계 중 일부 이 깊은 장에서 볼 수 있는 것은 약 130억 년 전의 것으로, 이는 우주의 첫 10억 년 동안 형성되었음을 의미합니다.

더 많은 일을 하기 위해 확장

Webb이 원래 우주론 도구로 개념화되었다면 곧 그 이상으로 확장되었습니다.

수십 년 동안 Webb을 계획하면서 디자이너들은 자신들이 만들고 있던 도구가 단순한 우주론보다 훨씬 더 다양한 분야에 사용될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 그들은 근적외선이 아닌 중적외선 파장을 관찰하고 우주론보다 별과 행성 형성을 연구하는 데 더 유용한 MIRI와 같은 새로운 장비를 추가했습니다. 이 악기는 그 차이로 인해 자체적인 어려움을 겪게 됩니다. 다른 탐지기 다른 악기에서 필요하며 나만의 쿨러. 그러나 다른 도구와 함께 Webb가 수행할 수 있는 작업을 다양한 가능성으로 확장합니다.

McCaughrean은 “망원경의 원래 초점은 적색편이가 높은 우주에 훨씬 더 가까웠습니다.”라고 요약했습니다. “빅뱅 이후 형성된 최초의 별과 은하를 찾는 것이 가장 높은 목표였습니다. 그 이후의 다른 모든 것은 '있으면 좋은 것'입니다. 그러나 프로젝트가 진행되면서 우리는 그것을 우주론, 별 형성, 행성 과학, 은하 진화의 네 가지 주제로 전환했습니다. 그리고 우리는 천문대가 그 모든 것을 할 수 있는지 확인했습니다.”

카메라 및 분광기

Webb에는 근적외선 카메라(NIRCam), 근적외선 분광기 또는 NIRSpec, 근적외선 이미저 및 무슬릿 분광기(NIRISS), 중적외선 기기 또는 미리. 망원경이 올바른 방향을 향하도록 도와주는 정밀 유도 센서(FGS)라는 센서도 있습니다.

이 장비는 빛을 여러 파장으로 분할하여 어떤 파장이 흡수되었는지 확인할 수 있는 카메라와 분광기가 혼합된 것입니다. 이를 통해 물체가 발산하는 빛을 보면 물체가 무엇으로 구성되어 있는지 확인할 수 있습니다.

카메라로 촬영한 이미지가 가장 많은 대중의 관심을 끌고 있지만 분광기는 과학적 도구로서 과소평가되어서는 안 됩니다. 현재 할당된 관측 시간의 약 절반은 외계 행성 대기의 구성 분석과 같은 작업을 위한 분광학에 사용됩니다. 부분적으로는 물체의 이미지를 찍는 것보다 물체의 스펙트럼을 찍는 데 더 많은 시간이 걸리기 때문이고, 부분적으로는 분광학이 이미징이 할 수 없는 일을 할 수 있기 때문입니다.

이미징에 사용되는 필터는 분광기로 연구할 개체를 선택하는 데 유용하므로 카메라와 분광기도 함께 작동합니다.

McCaughrean은 “NIRCam을 사용하여 깊은 이미지를 촬영하면서 깊은 필드를 촬영한다고 상상해 보십시오.”라고 설명했습니다. “그런 다음 다양한 필터를 사용하여 후보를 선택합니다. 왜냐하면 해당 분야에서 분광학으로 하나씩 살펴볼 항목이 너무 많기 때문입니다. 따라서 후보를 찾으려면 이미징이 필요합니다. 예를 들어 이미지의 색상을 보고 주어진 물체가 희미한 근처 별이 아니라 높은 적색 편이 은하인지 결정하는 것과 같습니다.

이는 이미 실제로 입증되었습니다. Webb의 첫 번째 딥 필드 이미지. 이미징은 NIRCam 카메라를 사용하여 수행되었으며, 이는 하나의 놀라운 이미지로 근거리 및 원거리의 수많은 은하계를 포착할 수 있었습니다. 그런 다음 특정 대상(예: 130억년이 넘은 은하계,를 골라내고 NIRSpec 분광기로 관찰하여 이 초기 은하의 구성과 온도에 대한 데이터를 수집했습니다.

McCaughrean은 "정말 아름답고 깨끗한 스펙트럼입니다."라고 말했습니다. “아무도 어디에서나 그런 것을 본 적이 없습니다. 이제 우리는 이 기계가 놀라울 정도로 강력하게 작동한다는 것을 알게 되었습니다.”

다양한 모드

Webb의 전체 기능을 이해하려면 4가지 계측기에 각각 하나의 모드만 있는 것이 아니라 서로 다른 대상을 관찰하기 위해 여러 가지 방법으로 사용할 수 있다는 점을 알아야 합니다. 전체적으로는 17가지 모드 네 가지 장비 사이에서 망원경이 과학 작업을 시작할 준비가 되었다고 선언하기 전에 이들 각각을 테스트하고 검증해야 했습니다.

예를 들어 NIRSpec 장비를 사용하십시오. 개별 표적을 조사하기 위한 매우 민감한 모드인 고정 슬릿 분광법을 포함하여 여러 유형의 분광학을 수행할 수 있습니다. (킬로노바라고 불리는 중성자별을 병합하여 발산되는 빛을 분석하는 등) 또는 여러 스펙트럼을 관찰하는 필드 단위 분광학 작은 영역의 픽셀을 사용하여 대상에 대한 상황별 정보를 얻습니다(예: 중력에 의해 뒤틀린 극도로 먼 은하계를 보는 것과 같습니다) 렌즈).

NIRSpec이 수행하는 세 번째 유형의 분광학은 다중 물체 분광학이라는 정말 특별한 것입니다. 마이크로셔터 어레이라는 형식으로 배열된 작은 창문 모양의 셔터를 사용합니다. “그들은 기본적으로 가로가 2센티미터 정도 되는 작은 장치인데, 그 중 4개가 있습니다. 이러한 장치 각각에는 65,000개의 작은 개별 셔터가 있습니다.”라고 McCaughrean은 말했습니다.

이러한 셔터 각각은 개별적으로 열리거나 닫히도록 제어할 수 있어 연구자가 보고 있는 분야의 부분을 선택할 수 있습니다. 이러한 마이크로셔터를 사용하기 위해 연구자들은 먼저 NIRCam과 같은 다른 장비를 사용하여 이미지를 촬영하여 관심 있는 물체를 선택합니다. 그런 다음 관심 있는 개체에 해당하는 셔터를 열도록 명령하고 나머지는 닫힌 상태를 유지합니다.

이를 통해 특정 은하와 같은 대상의 빛이 배경의 빛이 누출되는 것을 허용하지 않고 망원경의 감지기로 빛날 수 있습니다. “은하가 있는 문만 열고 다른 문은 모두 닫음으로써 빛이 들어오는 곳에서 그 물체는 스펙트럼으로 퍼져 나가고 다른 모든 빛은 통과하지 못합니다.”라고 McCaughrean은 말합니다. 말했다. “그렇게 하면 더 예민해지죠.”

이 다중물체 분광학은 심야 이미지에서 특정 은하를 관찰하는 데 사용할 수 있으며, 이는 적색편이가 심한 최초의 은하를 연구하는 데 특히 유용합니다. 그리고 이 방법은 한 번에 최대 100개의 물체로부터 스펙트럼을 얻을 수 있으므로 데이터를 수집하는 매우 효율적인 방법입니다.

너무 많은 빛을 다루기

마이크로셔터에서 알 수 있듯이 매우 민감한 장비를 사용하여 작업할 때 까다로운 부분 중 하나는 너무 많은 빛을 다루는 것입니다. 제임스 웹(James Webb)의 작품을 받아보세요 목성에서 할 것입니다 작동 첫 몇 달 동안은 목성 자체가 너무 밝기 때문에 목성 주변의 고리와 달을 이미지화하는 것이 실제로 매우 어렵습니다. 관찰하려는 희미한 물체가 매우 밝은 물체 옆에 있으면 판독값이 날아가서 더 밝은 물체에서 나오는 빛만 볼 수 있습니다.

궤도를 도는 별에 비해 매우 희미한 먼 외계 행성을 관찰하려고 할 때 비슷한 문제가 발생합니다. 이 문제를 해결하기 위해 James Webb은 coronagraphy라는 또 다른 트릭을 사용했습니다.

NIRCam과 MIRI 모두 코로나그래피 모드가 있는데, 가장 간단한 형태는 밝은 물체 앞에 작은 금속 디스크를 배치하여 빛을 차단하는 것입니다. 그러면 주변의 다른 희미한 광원을 더 쉽게 관찰할 수 있습니다. 그러나 이 접근 방식에는 한계가 있습니다. 밝은 물체가 디스크 뒤에서 움직이면 그 빛이 가장자리 위로 쏟아져 나와 관측을 망칠 수 있습니다. 디스크를 더 작게 만들어 물체의 가장 밝은 중앙 부분만 차단할 수 있지만 여전히 처리해야 할 과도한 빛이 많이 있습니다. 디스크를 더 크게 만들 수 있지만 그렇게 하면 밝은 물체에 가까이 있는 다른 물체를 차단하게 됩니다.

따라서 4사분면 위상 마스크라는 하드웨어를 사용하는 또 다른 형태의 관상동맥 촬영 모드가 있습니다. McCaughrean은 "이것은 매우 영리한 광학 장치입니다."라고 말했습니다. “금속 디스크는 없지만 들어오는 빛에 서로 다른 위상을 부여하는 4개의 서로 다른 유리 조각이 있습니다. 빛을 광자가 아닌 파동으로 생각하면 빛에는 위상이 있습니다. 4개의 서로 다른 위상판이 만나는 십자가 바로 위에 밝은 광원을 놓으면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다. 파동 간섭으로 인해 빛이 별에서 실제로 상쇄되도록 작업하십시오. 효과."

즉, 밝은 물체가 정확히 이 사분면의 중앙에 오도록 올바르게 정렬하면 별에서 나오는 빛은 상쇄되지만 행성과 같은 다른 물체에서 나오는 빛은 여전히 ​​남아 있습니다. 보이는. 이는 다른 방법으로는 볼 수 없는 모항성 가까이에서 공전하는 외계 행성을 관찰하는 데 이상적입니다.

시간 활용하기

밝고 어두운 물체의 혼합을 처리하는 또 다른 방법은 시간이 지남에 따라 여러 번 판독하는 것입니다. 사진을 찍은 후 즉시 재설정되는 휴대폰과 달리 Webb의 감지기는 재설정하지 않고도 여러 판독값을 얻을 수 있습니다.

McCaughrean은 “그래서 우리는 동일한 검출기로 희미한 광원으로부터 빛을 축적하므로 시간이 지남에 따라 일련의 사진을 찍을 수 있습니다.”라고 설명합니다. “그러나 데이터를 보면 밝은 광원이 포화되기 전에 첫 번째 이미지를 사용한 다음 희미한 광원에서 빛을 계속 쌓아서 감도를 얻을 수 있습니다. 검출기를 여러 번 판독하여 동적 범위를 효과적으로 확장합니다.”

장비가 작동할 수 있는 또 다른 모드는 시계열 관측이라고 하는데, 이는 기본적으로 시간이 지남에 따라 변하는 물체를 포착하기 위해 많은 판독값을 차례로 취하는 것입니다. 이는 마그네타라고 불리는 맥동하는 중성자별과 같이 번쩍이는 물체를 포착하거나 통과라고 불리는 움직임으로 모성 표면을 가로질러 움직이는 외계 행성을 관찰하는 데 유용합니다.

McCaughrean은 "행성이 별 앞에서 통과할 때 통과의 중간뿐만 아니라 통과의 가장자리에서도 이를 포착하고 싶어합니다"라고 말했습니다. "그래서 계속 시청하고 데이터를 계속 가져가는 거죠."

이 방법의 한 가지 과제는 망원경이 조금만 움직여도 데이터에 노이즈가 발생하기 때문에 거의 완벽에 가까운 정렬을 유지해야 한다는 것입니다. 하지만 좋은 소식은 망원경이 물체를 가리키고 그 안에 머무르는 측면에서 매우 좋은 성능을 발휘한다는 것입니다. 가까운 별에 고정되어 태양광과 같은 모든 교란을 조정하는 정밀 유도 센서 덕분에 바람.

Webb 작업 시의 어려움

모든 기술과 마찬가지로 Webb이 수행할 수 있는 작업에는 제한이 있습니다. Webb을 사용하는 과학자들의 실제적인 큰 한계 중 하나는 망원경에서 수집할 수 있는 데이터의 양입니다. 지구 주위를 공전하는 허블과 달리 웹은 태양 주위를 공전합니다. L2라는 위치.

그것은 지구에서 약 100만 마일 떨어져 있으므로 Webb에는 강력한 라디오 안테나 초당 28메가비트의 속도로 데이터를 지구로 다시 보낼 수 있습니다. 매우 인상적입니다. McCaughrean이 지적했듯이 이는 우리가 사용하던 호텔의 Wi-Fi보다 훨씬 빠릅니다. 훨씬 더 먼 거리에서도 대화할 수 있지만 기기가 수집할 수 있는 전체 데이터 양에는 가깝지 않습니다. 두번째.

천문대에는 소량의 고체 저장 장치가 있습니다. 약 60GB, 기기가 다시 보낼 수 있는 것보다 더 많은 데이터를 수집하는 경우 짧은 시간 동안 데이터를 기록하여 버퍼 역할을 할 수 있습니다. 일반적으로 휴대전화나 노트북에 사용되는 스토리지 종류에 비하면 별 것 아닌 것처럼 들릴 수도 있지만, 방사선에 대해 안전하고 수십 년 동안 사용할 수 있는 하드웨어의 요구 사항은 다소 다릅니다.

이러한 제한은 연구자들이 망원경의 다운링크에서 어떤 데이터의 우선순위를 정해야 하는지 선택하고 필요에 따라 가장 중요한 데이터만 선택해야 함을 의미합니다. 이 경우 Webb이 지구에 더 가깝게 위치하지 않는 이유가 궁금할 수도 있지만 L2 궤도는 작동 방식에 필수적이며 그 이유는 온도 때문입니다.

McCaughrean은 “사람들은 우주가 차갑다고 생각합니다. 지구나 태양처럼 매일 여러분을 따뜻하게 하는 큰 물체 옆에 있다면 그렇지 않습니다.”라고 말했습니다. “따라서 적외선을 보고 싶다면 망원경이 엄청나게 차가운지 확인해야 합니다. 그래야 망원경이 원하는 파장을 방출하지 않습니다. 감지하다." 이것이 바로 Webb이 시원함을 유지하는 데 도움이 되는 거대한 선실드를 가지고 있는 이유이며, 선실드가 태양과 외부의 열을 모두 차단할 수 있도록 L2에 있는 이유입니다. 지구.

“우리는 L2에 있어야 하는 관측소를 건설했습니다. 이 관측소는 추위를 견디기 위해 그곳에 있어야 이 과학을 전달할 수 있습니다. 그리고 L2에 있기 때문에 특정 대역폭만 사용할 수 있습니다.”라고 McCaughrean은 설명했습니다. "공짜 점심 같은 건 없어요. 그렇게 말하죠."

커뮤니티가 결정합니다.

Webb 관찰의 첫해는 신중하게 계획되었습니다. 과학 운영의 첫 5개월 동안 다음과 같은 작업을 수행할 것입니다. 조기 출시 과학 프로그램, 이는 Webb 하드웨어의 한계를 뛰어넘고 그것이 무엇을 할 수 있는지 확인하도록 설계된 것입니다. 첫해에는 선정된 프로그램을 진행하게 됩니다. 사이클 1, 외계 행성, 블랙홀, 심층 분야 등에 대한 연구를 포함합니다.

하지만 그 외에도 Webb을 사용하여 수행할 향후 작업은 대체로 열려 있습니다. 연구자들은 Webb를 사용하여 수집하려는 데이터에 대한 제안서를 제출하고 이러한 제안서는 동료 검토를 거쳐 과학적으로 가장 흥미로운 것을 선택합니다. McCaughrean은 “천문대에서 무엇을 할 것인지는 지역 사회가 결정합니다.”라고 말했습니다.

이러한 커뮤니티 참여는 Webb의 사용 방식을 이미 변화시켰습니다. 예를 들어 외계 행성 연구는 현재 첫 번째 연구에서 사용 가능한 관측 시간의 약 1/3을 차지합니다. McCaughrean과 그의 동료들은 2000년대 초반에 Webb을 어떻게 사용할 수 있을지 계획할 때 전혀 상상하지 못했습니다. 그 당시에는 외계 행성이 거의 발견되지 않았기 때문에 이 정도로 많은 외계 행성 연구가 수행되고 있을 것입니다. 시간.

이는 Webb을 ESA의 가이아 천문대와 같이 매우 구체적인 목적을 가진 임무와 다르게 만듭니다. 은하계의 3D 지도를 만들기 위해 특별히 설계되었으며, 많은 요구 사항을 충족하도록 설계된 허블과 유사합니다. 연구 필요. McCaughrean은 “그것은 확실히 다목적 천문대입니다.”라고 말했습니다. “허블과 그것이 수년에 걸쳐 어떻게 진화했는지 살펴보기만 하면 됩니다. 부분적으로는 새로운 도구를 적용하는 것이지만 대부분은 과학계가 서로 다른 우선순위와 수행해야 할 영역이 있다는 결정을 통해 이루어집니다.”

이러한 유연성은 Webb이 우리가 아직 생각하지 못한 응용 프로그램을 포함하여 다양한 분야에 대한 연구에 유용하도록 설계되었기 때문에 가능합니다. 웹은 지속될 것으로 예상 적어도 20년이 지났고, 우리는 그 기간 동안 그것이 무엇을 할 수 있는지 탐색하기 시작하지도 않았습니다.

“그게 정말 흥미로운 일이에요. 매우 강력하고 유능한 범용 천문대를 구축한다면 여러 면에서 커뮤니티의 창의성에 따라 제한될 것입니다.”라고 McCaughrean은 말했습니다. "Webb은 이제 우리가 만들어가는 것입니다."

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