Štai ką James Webb kosminis teleskopas stebės toliau

Praėjusią savaitę pasaulis susirinko į retą tarptautinės vienybės šou, kad stebėtųsi pirmieji moksliniai vaizdai pagamino James Webb kosminis teleskopas. Dešimtmečius sukurta ir tūkstančių žmonių iš viso pasaulio pastangų rezultatas teleskopas pakeis astronomiją, leisdamas pažvelgti į kosmosą giliau nei bet kada prieš.

Webb turi didžiausią veidrodį, kada nors paleistą į kosmosą, taip pat didžiausią saulės skydą, ir tai yra galingiausias kada nors pastatytas kosminis teleskopas. Pirmieji vaizdai yra tik skonis to, ką gali padaryti ši nuostabi technologija. Taigi norėdami sužinoti daugiau apie tai, kokius mokslinius tyrimus ateityje leis šis begemotas, kalbėjomės su Marku McCaughreanu, Europos kosmoso agentūros tarpdisciplininiu mokslininku Webbu.

McCaughreanas bus vienas iš pirmųjų tyrėjų, kuris savo darbui naudos Webbą Oriono ūkas, ir jis daugiau nei 20 metų dalyvauja planuojant teleskopą. Jis papasakojo mums viską apie tai, kaip Webbas peržengs astronomijos ribas ir leis padaryti atradimus, kurių net neįsivaizdavome.

Matyti visatą infraraudonaisiais spinduliais

Kai devintajame dešimtmetyje astronomai pirmą kartą pradėjo įsivaizduoti Webbą, jie turėjo galvoje konkretų planą: jie norėjo kosmologijos tyrimų įrankio, leidžiančio pažvelgti į ankstyviausias galaktikas visatoje.

Mokslininkai žinojo, kad šios ankstyvosios galaktikos yra ten ir mums buvo beveik prieinamos, nes Hablo kosminis teleskopas stebėjo kai kurias gana ankstyvas galaktikas. Žvelgdamas į matomos šviesos bangos ilgį, Hablas galėjo nustatyti šimtus šių galaktikų, susiformavusių per kelis šimtus milijonų metų nuo Didžiojo sprogimo. Tačiau šios galaktikos jau buvo susiformavusios, o tyrinėtojai norėjo pažvelgti dar toliau, kad pamatytų, kaip jos iš tikrųjų formuojasi.

Norėdami tai padaryti, jiems reikėjo įrankio, kuris galėtų žiūrėti infraraudonųjų spindulių bangos ilgyje, už matomos šviesos. Taip yra todėl, kad ankstyviausios galaktikos skleidė matomą šviesą, kaip ir šiandien. Tačiau laikui bėgant Visata plečiasi, o tai reiškia, kad galaktikos, kurias matome danguje, tolsta nuo mūsų. Kuo galaktika senesnė, tuo ji toliau. Ir šis atstumas sukelia reiškinį, vadinamą raudonuoju poslinkiu.

Panašus į Doplerio efektą, kai garsai keičia suvokiamą aukštį kaip atstumą tarp šaltinis ir stebėtojas keičiasi, šviesos bangos ilgis kinta, kai jos šaltinis tolsta nuo mus. Ši šviesa perkeliama į raudonesnį spektro galą, taigi ir pavadinimas raudonasis poslinkis.

Taigi pačios seniausios galaktikos turi šviesą, kuri raudonai pasislinkusi tiek, kad jos nebestebima kaip matoma šviesa. Vietoj to, jis matomas kaip infraraudonųjų spindulių – ir tai yra bangos ilgis, kuriuo Webb veikia.

Taip Webbas gali aptikti ir identifikuoti pačias ankstyviausias galaktikas. Jei Webbas mato galaktiką, kuri ryškiai šviečia infraraudonaisiais spinduliais, bet yra blanki arba nematoma pirmiausia matomiems šviesos teleskopams kaip Hablas, tyrėjai gali būti tikri, kad rado galaktiką, kuri yra labai raudonai pasislinkusi – tai reiškia, kad ji yra labai toli, taigi labai senas.

Net ir į pirmasis gilaus lauko vaizdas iš Webb galite pamatyti labai senas galaktikas. Galaktikų spiečius, kuris yra vaizdo židinyje, yra 4,6 milijardo metų senumo, tačiau dėl savo masės jis išlenkia erdvėlaikį aplink save. Tai reiškia, kad šviesa, sklindanti iš galaktikų, esančių už šio spiečiaus, taip pat yra sulenkta, todėl spiečius veikia kaip didinamasis stiklas, vadinamas gravitaciniu lęšiu. Kai kurios galaktikų matyti šiame giliame lauke, yra maždaug 13 milijardų metų senumo, tai reiškia, kad jie susiformavo per pirmuosius milijardus visatos metų.

Plėsti, kad padarytumėte daugiau

Jei Webbas iš pradžių buvo suvokiamas kaip kosmologijos įrankis, jis netrukus išsiplėtė ir tapo daug daugiau.

Per dešimtmečius planuodami Webb dizaineriai suprato, kad jų kuriamas įrankis gali būti naudojamas kur kas įvairesnėse srityse nei tik kosmologija. Jie pridėjo naujų instrumentų, tokių kaip MIRI, kuris žiūri į vidutinį infraraudonųjų spindulių bangos ilgį, o ne į artimą infraraudonąją spinduliuotę ir yra naudingesnis tiriant žvaigždžių ir planetų formavimąsi, o ne kosmologiją. Šis skirtumas kelia savo iššūkį, kaip ir ši priemonė skirtingi detektoriai iš kitų instrumentų ir reikalauja jos nuosavas aušintuvas. Tačiau kartu su kitais instrumentais jis išplečia Webb galimybes į daugybę galimybių.

„Pradinis teleskopo dėmesys buvo daug labiau nukreiptas į didelio raudonojo poslinkio visatą“, – apibendrino McCaughreanas. „Tai buvo aukščiausias tikslas – surasti šias pirmąsias žvaigždes ir galaktikas, susiformavusias po Didžiojo sprogimo. Visa kita po to yra „malonu turėti“. Tačiau projekto eigoje mums pavyko tai paversti keturiomis temomis: kosmologija, žvaigždžių formavimasis, planetų mokslas ir galaktikų evoliucija. Ir mes įsitikinome, kad observatorija galės visa tai padaryti.

Kameros ir spektrografai

Webb turi keturis prietaisus: infraraudonųjų spindulių kamerą arba NIRCam, artimųjų infraraudonųjų spindulių spektrografą arba NIRSpec, artimojo infraraudonųjų spindulių vaizduoklis ir beplyšinis spektrografas arba NIRISS, ir vidutinio infraraudonųjų spindulių instrumentas arba MIRI. Taip pat yra jutiklis, vadinamas Fine Guidance Sensor (FGS), kuris padeda nukreipti teleskopą tinkama kryptimi.

Prietaisai yra kamerų ir spektrografų, skirtų šviesai skaidyti į skirtingus bangos ilgius, derinys, kad galėtumėte pamatyti, kokie bangos ilgiai buvo sugerti. Tai leidžia pamatyti, iš ko susideda objektas, žiūrint į jo skleidžiamą šviesą.

Nors daugiausiai visuomenės dėmesio susilaukia kamerų darytos nuotraukos, spektrografų nereikėtų nuvertinti kaip mokslinio įrankio. Maždaug pusė šiuo metu skiriamo stebėjimo laiko skiriama spektroskopijai, tokioms užduotims kaip egzoplanetų atmosferų sudėties analizė. Iš dalies taip yra todėl, kad objekto spektrui paimti reikia daugiau laiko nei jo atvaizdui padaryti, o iš dalies taip yra todėl, kad spektroskopija gali padaryti tai, ko vaizdavimas negali padaryti.

Kameros ir spektrografai taip pat veikia kartu, nes vaizdavimui naudojami filtrai yra naudingi atrenkant objektus, kuriuos reikia tirti su spektrografais.

„Įsivaizduokite, kad darote gilų lauką ir darote gilius vaizdus su NIRCam“, - paaiškino McCaughreanas. „Tada jūs naudojate skirtingus filtrus kandidatams atrinkti, nes toje srityje bus per daug dalykų, kuriuos reikia žiūrėti po vieną spektroskopijos būdu. Taigi, norint rasti kandidatus, jums reikia vaizdų“, pvz., žiūrint į vaizdo spalvas, kad nuspręstumėte, ar tam tikras objektas yra, tarkime, didelio raudonojo poslinkio galaktika, o ne silpna netoliese esanti žvaigždė.

Tai jau buvo įrodyta praktikoje, su Pirmasis Webb gilaus lauko vaizdas. Vaizdas buvo atliktas naudojant NIRCam kamerą, kuri viename nuostabiame vaizde galėjo užfiksuoti daugybę galaktikų tiek arti, tiek toli. Tada tam tikri tikslai, pvz., a galaktika, kurios amžius viršija 13 milijardų metų, buvo atrinkti ir stebimi naudojant NIRSpec spektrografą, renkant duomenis apie šios ankstyvosios galaktikos sudėtį ir temperatūrą.

„Tai toks gražus, švarus spektras“, - sakė McCaughreanas. „Niekas dar niekur nieko panašaus nematė. Taigi dabar žinome, kad ši mašina veikia neįtikėtinai galingai.

Keli režimai

Kad suprastumėte visas Webb galimybes, turėtumėte žinoti, kad visi keturi instrumentai turi ne tik vieną režimą – juos galima naudoti įvairiais būdais, norint pažvelgti į skirtingus taikinius. Iš viso yra 17 režimų tarp keturių prietaisų, ir kiekvienas iš jų turėjo būti išbandytas ir patikrintas prieš paskelbiant teleskopą paruoštu pradėti mokslinę veiklą.

Pavyzdžiui, paimkite NIRSpec instrumentą. Jis gali atlikti kelių tipų spektroskopiją, įskaitant fiksuoto plyšio spektroskopiją, kuri yra labai jautrus režimas atskiriems taikiniams tirti. (pavyzdžiui, analizuojant šviesą, kurią skleidžia susiliejančios neutroninės žvaigždės, vadinamos kilonova), arba lauko vienetų spektroskopija, kuri apžvelgia daugybę spektrų. pikselių mažame plote, kad gautumėte kontekstinę informaciją apie taikinį (pvz., pažvelgtumėte į labai tolimą galaktiką, kurią iškreipė gravitacija lęšiavimas).

Trečiasis spektroskopijos tipas, kurį atlieka NIRSpec, yra kažkas tikrai ypatingo, vadinama kelių objektų spektroskopija. Jame naudojamos mažytės į langą panašios langinės, išdėstytos formatu, vadinamu mikrolanginių matrica. „Jie iš esmės yra nedideli, poros centimetrų skersmens prietaisai, kurių turime keturis. Kiekviename iš tų įrenginių yra 65 000 mažų atskirų langinių“, – sakė McCaughreanas.

Kiekviena iš šių langinių gali būti valdoma atskirai, kad atidarytų arba uždarytų, todėl tyrėjai gali pasirinkti, į kurias lauko dalis jie žiūri. Norėdami naudoti šias mikrolangines, mokslininkai pirmiausia nufotografuoja naudodami kitą instrumentą, pvz., NIRCam, kad pasirinktų dominančius objektus. Tada jie liepia atidaryti šiuos dominančius objektus atitinkančias langines, o kitos lieka uždarytos.

Tai leidžia taikinių, pvz., konkrečių galaktikų, šviesai prasiskverbti į teleskopo detektorius, neleidžiant šviesai prasiskverbti ir iš fono. „Tik atidarant duris, kur yra galaktika, ir uždarant visas kitas duris, kai šviesa pro tas objektas, jis pasklinda į spektrą, ir jūs netenkate visos kitos šviesos“, – McCaughreanas. sakė. „Tai daro jį jautresnį“.

Ši kelių objektų spektroskopija gali būti naudojama tam tikroms galaktikoms žiūrėti gilaus lauko vaizduose, o tai ypač naudinga tiriant ankstyviausias galaktikas, kurios yra labai raudonai pasislinkusios. Ir šis metodas gali gauti spektrus iš iki 100 objektų vienu metu – tai labai efektyvus duomenų rinkimo būdas.

Susidoroti su per daug šviesos

Kaip rodo mikrolanginės, viena sudėtinga darbo su labai jautriais instrumentais dalis yra per daug šviesos. Paimkite darbą James Webb veiks Jupiteryje per pirmuosius kelis veiklos mėnesius – iš tikrųjų labai sunku atvaizduoti žiedus ir mėnulius aplink Jupiterį, nes pati planeta yra tokia ryški. Jei silpnas objektas, kurį bandote stebėti, yra šalia labai ryškaus objekto, jis gali išpūsti jūsų rodmenis, todėl matote tik šviesą iš ryškesnio objekto.

Panaši problema iškyla bandant stebėti tolimas egzoplanetas, kurios yra labai blankios, palyginti su žvaigždėmis, aplink kurias jos skrieja. Norėdami susidoroti su šiuo iššūkiu, Jamesas Webbas turi dar vieną triuką, vadinamą koronagrafija.

Tiek NIRCam, tiek MIRI turi koronagrafijos režimus, kurių paprasčiausia forma yra įdėti nedidelį metalinį diską priešais ryškų objektą, kad užblokuotų jo šviesą. Tada galėsite lengviau stebėti kitus, blankesnius šviesos šaltinius aplink jį. Tačiau šis metodas turi savo apribojimų: jei ryškus objektas juda už disko, jo šviesa gali išsilieti per kraštus ir sugadinti stebėjimus. Galite sumažinti diską, kad jis užblokuotų tik centrinį ryškiausią objekto tašką, bet tada vis tiek turėtumėte susidoroti su daug šviesos pertekliaus. Galite padaryti diską didesnį, bet tada jis užblokuotų kitus objektus, esančius arti šviesaus objekto.

Taigi yra dar viena šio koronagrafijos režimo forma, kurioje naudojama aparatinė įranga, vadinama keturių kvadrantų fazės kauke. „Tai labai protingas optikos gabalas“, - sakė McCaughreanas. „Jame nėra metalinio disko, bet jame yra keturi skirtingi stiklo gabalėliai, kurie įeinančia šviesa suteikia skirtingas fazes. Kai galvojame apie šviesą kaip apie bangą, o ne kaip apie fotonus, šviesa turi fazę. Jei šviesų šaltinį pastatysite tiesiai ant kryžiaus, kur susitinka šios keturios skirtingos fazės plokštės, galite sutvarkykite taip, kad žvaigždės šviesa iš tikrųjų išnyktų dėl bangų trukdžių efektas“.

Tai reiškia, kad jei išdėliosite jį tiksliai taip, kad ryškus objektas būtų tiksliai šių kvadrantų viduryje, žvaigždės šviesa bus panaikinta, bet šviesa iš kitų objektų, pavyzdžiui, planetų, vis tiek išliks matomas. Dėl to jis idealiai tinka stebėti egzoplanetas, skriejančias arti savo žvaigždžių šeimininkų, kurių kitu atveju būtų neįmanoma pamatyti.

Laiko išnaudojimas

Dar vienas būdas tvarkyti ryškių ir blausių objektų derinį – laikui bėgant atlikti kelis rodmenis. Kitaip nei telefonas, kuris nufotografuoja ir iškart atkuria, Webb detektoriai gali atlikti kelis rodmenis nenustatydami iš naujo.

„Taigi, laikui bėgant galime daryti nuotraukų seriją naudodami tą patį detektorių, nes jis kaupia šviesą iš silpnų šaltinių“, – aiškina McCaughreanas. „Tačiau kai žiūrime į duomenis, galime naudoti pirmuosius ryškių šaltinių vaizdus, ​​kol jie prisisotina, o tada toliau kaupti šviesą iš silpnų šaltinių ir gauti jautrumą. Jis efektyviai išplečia dinaminį diapazoną, kelis kartus nuskaitydamas detektorius.

Kitas režimas, kuriuo prietaisai gali veikti, vadinamas laiko eilučių stebėjimu, kuris iš esmės yra tik daugybė rodmenų vienas po kito, norint užfiksuoti laikui bėgant besikeičiančius objektus. Tai naudinga fiksuojant mirksinčius objektus, pvz., pulsuojančias neutronines žvaigždes, vadinamas magnetarais, arba žiūrint į egzoplanetas, kurios juda savo žvaigždės paviršiumi judesiu, vadinamu tranzitu.

„Kai planeta slenka priešais žvaigždę, norisi ją sugauti tranzito pakraščiuose ir tranzito viduryje“, – sakė McCaughreanas. „Taigi jūs tiesiog stebite jį ir renkate duomenis.

Vienas iš iššūkių, susijusių su šiuo metodu, yra tas, kad teleskopas turi išlikti beveik idealiai suderintas, nes jei jis nors šiek tiek pajudėtų, duomenys įneštų triukšmą. Tačiau gera žinia ta, kad teleskopas veikia labai gerai, nukreipdamas į objektą ir išlikdamas jame. dėl tikslaus orientavimo jutiklio, kuris užsifiksuoja ant netoliese esančių žvaigždžių ir prisitaiko prie bet kokių trikdžių, pvz., saulės vėjai.

Iššūkiai dirbant su Webb

Kaip ir kiekviena technologija, Webb gali daryti apribojimus. Vienas iš didelių praktinių Webb naudojančių mokslininkų apribojimų yra duomenų, kuriuos jie gali surinkti iš teleskopo, kiekis. Skirtingai nuo Hablo, kuris skrieja aplink Žemę, Webbas skrieja aplink saulę ties a padėtis vadinama L2.

Tai yra maždaug 1 milijonas mylių nuo Žemės, todėl Webb yra įrengtas a galinga radijo antena kurie gali siųsti duomenis atgal į Žemę 28 megabitų per sekundę greičiu. Tai gana įspūdinga – kaip pabrėžė McCaughreanas, tai yra daug greitesnis nei Wi-Fi jo viešbutyje, kurį naudojome. kalbėti net ir daug didesniu atstumu, tačiau jis nėra artimas bendram duomenų kiekiui, kurį prietaisai gali priimti per antra.

Observatorijoje yra nedidelis kiekis kietojo kūno saugyklos, apie 60 GB, kuri gali trumpai įrašyti duomenis, jei prietaisai surenka daugiau duomenų, nei galima išsiųsti atgal, veikdami kaip buferis. Tai gali atrodyti mažai, palyginti su saugykla, kurią paprastai gaunate telefone ar nešiojamajame kompiuteryje, tačiau Reikalavimai aparatinei įrangai, kuri yra saugi nuo radiacijos ir gali būti naudojama dešimtmečius, yra gana skirtingi.

Šis apribojimas reiškia, kad mokslininkai turi pasirinkti, kokiems duomenims teikti pirmenybę teleskopo nukreipiamose nuorodose, pasirinkdami tik svarbiausius savo poreikius atitinkančius duomenis. Jums gali kilti klausimas, kodėl Webbas tokiu atveju nėra arčiau Žemės, tačiau L2 orbita yra būtina jos veikimo būdui, o priežastis yra temperatūra.

„Žmonės mano, kad erdvė yra šalta, na, ne tada, kai esate šalia didelio objekto, kuris jus šildo kiekvieną dieną, pavyzdžiui, Žemė ar saulė“, - sakė McCaughreanas. „Taigi, jei norite žiūrėti į infraraudonuosius spindulius, turite įsitikinti, kad jūsų teleskopas yra neįtikėtinai šaltas, kad jis nespinduliuotų tokiu bangos ilgiu, kurį bandote aptikti." Štai kodėl Webb turi didžiulį skydą nuo saulės, kuris padeda išlaikyti vėsą, ir kodėl jis yra L2, todėl skydas nuo saulės gali blokuoti šilumą tiek nuo saulės, tiek nuo Žemė.

„Pastatėme observatoriją, kuri turi būti L2, ji turi būti ten, kad būtų šalta, kad ji galėtų pristatyti šį mokslą. Ir kadangi tai yra L2, turime tik tam tikrą pralaidumą“, – paaiškino McCaughreanas. „Nėra tokio dalyko kaip nemokami pietūs, sakykime taip“.

Bendruomenė nusprendžia

Pirmieji Webb stebėjimo metai yra kruopščiai suplanuoti. Per pirmuosius penkis mokslo veiklos mėnesius jis veiks ankstyvo išleidimo mokslo programos, kurios yra skirtos peržengti Webb aparatinės įrangos ribas ir pamatyti, ką ji gali. Pirmaisiais metais ji dirbs su programomis, į kurias buvo atrinkta 1 ciklas, įskaitant egzoplanetų, juodųjų skylių, gilių laukų ir kt.

Be to, būsimi darbai, kuriuos reikės atlikti naudojant Webb, iš esmės yra atviri. Tyrėjai pateikia pasiūlymus, kokius duomenis jie nori rinkti naudodami Webb, ir šie pasiūlymai yra recenzuojami, kad būtų atrinkti tie, kurie yra moksliškai įdomiausi. „Bendruomenė nusprendžia, kas bus daroma su observatorija“, - sakė McCaughreanas.

Šis bendruomenės dalyvavimas jau pakeitė Webb naudojimo būdą – pavyzdžiui, egzoplanetų tyrimai šiuo metu užima apie trečdalį turimo stebėjimo laiko per pirmąjį tyrimo etapą. Kai McCaughreanas ir jo kolegos planavo, kaip Webb galėtų būti panaudotas 2000-ųjų pradžioje, jie neįsivaizdavo ten bus atlikta tiek daug egzoplanetų tyrimų, nes tuo metu buvo atrasta tiek mažai egzoplanetų laikas.

Dėl to Webbas skiriasi nuo labai konkretaus tikslo turinčių misijų, tokių kaip ESA Gaia observatorija, kuri yra sukurtas specialiai sukurti 3D galaktikos žemėlapį ir labiau panašus į Hablo, kuris buvo sukurtas taip, kad atitiktų daugelį tyrimų poreikius. „Tai neabejotinai bendros paskirties observatorija“, - sakė McCaughreanas. „Tereikia pažvelgti į Hablo ir kaip jis vystėsi bėgant metams. Iš dalies diegiant naujas priemones, bet daugiausia dėl to, kad mokslo bendruomenė nusprendžia, kad reikia atlikti skirtingus prioritetus ir skirtingas sritis.

Šis lankstumas įmanomas, nes Webb sukurtas taip, kad būtų naudingas tiriant daugybę sričių, įskaitant programas, apie kurias dar negalvojome. Webb yra prognozuojama, kad truks mažiausiai 20 metų, ir mes vos pradėjome tyrinėti, ką ji galėtų padaryti per tą laiką.

„Tai yra jaudinantis dalykas. Jei pastatysite labai galingą, labai pajėgią bendros paskirties observatoriją, ją daugeliu atžvilgių ribos tik bendruomenės kūrybiškumas“, – sakė McCaughreanas. „Web yra tai, ką mes dabar darome“.

Redaktorių rekomendacijos

• Jamesas Webbas pastebi senovines dulkes, kurios galėjo kilti iš ankstyviausių supernovų
• Priartinkite stulbinantį Jameso Webbo vaizdą, kad pamatytumėte galaktiką, susiformavusią prieš 13,4 milijardo metų
• Jamesas Webbas pastebėjo labiausiai nutolusią aktyvią supermasyvią juodąją skylę, kuri kada nors buvo atrasta
• Jamesas Webbas pastebi plataus masto visatos struktūros įkalčius
• Jamesas Webbas aptinka svarbią molekulę nuostabiame Oriono ūke