Dit is wat de James Webb Space-telescoop hierna zal waarnemen

De wereld kwam vorige week samen in een zeldzame show van internationale eenheid om verwonderd naar de wereld te staren eerste wetenschappelijke beelden geproduceerd door de James Webb-ruimtetelescoop. Tientallen jaren in de maak en het resultaat van de inspanningen van duizenden mensen van over de hele wereld De telescoop zal een revolutie in de astronomie teweegbrengen door ons dieper in de kosmos te laten kijken dan ooit tevoren voor.

Webb heeft de grootste spiegel die ooit in de ruimte is gelanceerd, evenals het grootste zonnescherm, en het is de krachtigste ruimtetelescoop ooit gebouwd. De eerste beelden zijn slechts een voorproefje van waar dit opmerkelijke stukje technologie toe in staat is. Om meer te weten te komen over welk toekomstig wetenschappelijk onderzoek deze kolos mogelijk zal maken, spraken we met Mark McCaughrean, Webb Interdisciplinair Wetenschapper bij de European Space Agency.

McCaughrean zal een van de eerste onderzoekers zijn die Webb gebruikt voor zijn werk in de Orionnevel, en hij is al meer dan twintig jaar betrokken bij de planning van de telescoop. Hij vertelde ons alles over hoe Webb de grenzen van de astronomie zal verleggen en ontdekkingen mogelijk zal maken die we ons nog niet eens kunnen voorstellen.

Het heelal in infrarood zien

Toen astronomen zich in de jaren tachtig voor het eerst Webb begonnen voor te stellen, hadden ze een specifiek plan in gedachten: ze wilden een kosmologisch onderzoeksinstrument om terug te kijken naar de vroegste sterrenstelsels in het universum.

Wetenschappers wisten dat deze vroege sterrenstelsels er waren en bijna toegankelijk voor ons waren, omdat de Hubble-ruimtetelescoop een aantal behoorlijk vroege sterrenstelsels had waargenomen. Door in de golflengte van zichtbaar licht te kijken, kon Hubble honderden van deze sterrenstelsels identificeren, die zich binnen een paar honderd miljoen jaar na de oerknal vormden. Maar deze sterrenstelsels waren al gevormd en onderzoekers wilden nog verder terugkijken om te zien hoe ze zich daadwerkelijk vormden.

Om dat te doen hadden ze een instrument nodig dat in de infrarode golflengte kon kijken, voorbij zichtbaar licht. Dat komt omdat de vroegste sterrenstelsels zichtbaar licht uitstraalden, net zoals sterrenstelsels dat vandaag de dag doen. Maar het universum breidt zich in de loop van de tijd uit, en dat betekent dat de sterrenstelsels die we aan de hemel zien zich van ons af bewegen. Hoe ouder het sterrenstelsel, hoe verder weg het is. En deze afstand veroorzaakt een fenomeen dat roodverschuiving wordt genoemd.

Vergelijkbaar met het Doppler-effect, waarbij geluiden hun waargenomen toonhoogte veranderen als de afstand ertussen de bron en de waarnemer veranderen, de golflengte van het licht verandert naarmate de bron zich ervan verwijdert ons. Dit licht wordt naar het rodere uiteinde van het spectrum verschoven, vandaar de naam roodverschuiving.

De alleroudste sterrenstelsels hebben dus licht dat zo sterk roodverschoven is dat het niet langer waarneembaar is als zichtbaar licht. In plaats daarvan is het zichtbaar als infrarood – en dit is de golflengte waarin Webb opereert.

Dit is hoe Webb de allereerste sterrenstelsels kan detecteren en identificeren. Als Webb een sterrenstelsel kan zien dat helder schijnt in het infrarood, maar dat zwak of onzichtbaar is voor op zichtbaar licht gebaseerde telescopen Net als Hubble kunnen onderzoekers erop vertrouwen dat ze een sterrenstelsel hebben gevonden dat extreem roodverschoven is – wat betekent dat het heel ver weg is, en dus heel erg ver weg. oud.

Zelfs in de eerste deepfield-opname vanuit Webb kun je enkele extreem oude sterrenstelsels zien. De cluster van sterrenstelsels die het middelpunt van de afbeelding vormt, is 4,6 miljard jaar oud, maar buigt vanwege zijn massa de ruimtetijd eromheen. Dit betekent dat het licht dat afkomstig is van sterrenstelsels achter deze cluster ook wordt afgebogen, zodat de cluster als een vergrootglas werkt in een effect dat zwaartekrachtlensing wordt genoemd. Enkele sterrenstelsels die we in dit diepe veld zien, zijn ongeveer 13 miljard jaar oud, wat betekent dat ze in de eerste miljard jaar van het heelal zijn ontstaan.

Uitbreiden om meer te doen

Hoewel Webb oorspronkelijk werd geconceptualiseerd als een hulpmiddel voor de kosmologie, breidde het zich al snel uit tot veel meer dan dat.

Gedurende tientallen jaren van planning voor Webb realiseerden de ontwerpers zich dat het instrument dat ze aan het bouwen waren voor veel meer uiteenlopende gebieden kon worden gebruikt dan alleen de kosmologie. Ze voegden nieuwe instrumenten toe, zoals MIRI, dat in de midden-infrarode golflengte kijkt in plaats van in het nabij-infrarood en nuttiger is voor het bestuderen van de vorming van sterren en planeten dan voor de kosmologie. Dat verschil brengt zijn eigen uitdaging met zich mee, net als dit instrument verschillende detectoren van de andere instrumenten en vereist dit eigen koeler. Maar samen met andere instrumenten breidt het wat Webb kan doen uit naar een hele reeks mogelijkheden.

‘De oorspronkelijke focus van de telescoop lag veel meer op het universum met hoge roodverschuiving’, vatte McCaughrean samen. “Dat was het hoogste doel: het vinden van de eerste sterren en sterrenstelsels die na de oerknal zijn ontstaan. Al het andere daarna is ‘nice to have’. Maar in de loop van de voortgang van het project zijn we erin geslaagd om dat in vier thema’s om te zetten: kosmologie, stervorming, planetaire wetenschap en de evolutie van sterrenstelsels. En we hebben ervoor gezorgd dat het observatorium tot al deze mogelijkheden in staat zou zijn.”

Camera's en spectrografen

Webb heeft vier instrumenten aan boord: de Near-Infrared Camera of NIRCam, de Near-Infrared Spectrograph of NIRSpec, de Near InfraRed Imager en Slitless Spectrograph of NIRISS, en het Mid-Infrared Instrument of MIRI. Er is ook een sensor genaamd de Fine Guidance Sensor (FGS), die helpt om de telescoop in de goede richting te richten.

De instrumenten zijn een mix van camera's en spectrografen, instrumenten die licht in verschillende golflengten splitsen, zodat je kunt zien welke golflengten zijn geabsorbeerd. Hiermee kun je zien waaruit een object is samengesteld door te kijken naar het licht dat het afgeeft.

Hoewel de beelden die door de camera’s worden gemaakt de meeste publieke aandacht trekken, mogen de spectrografen als wetenschappelijk hulpmiddel niet worden onderschat. Ongeveer de helft van de momenteel toegewezen waarnemingstijd wordt besteed aan spectroscopie, voor taken zoals het analyseren van de samenstelling van de atmosfeer van exoplaneten. Deels komt dat omdat het meer tijd kost om een ​​spectrum van een object te nemen dan om er een beeld van te maken, en deels omdat spectroscopie dingen kan doen die beeldvorming niet kan.

Camera's en spectrografen werken ook samen, omdat de filters die bij beeldvorming worden gebruikt handig zijn voor het selecteren van objecten om met de spectrografen te bestuderen.

"Stel je voor dat je een diep veld maakt en enkele diepe beelden maakt met NIRCam", legde McCaughrean uit. “Dan gebruik je verschillende filters om kandidaten te selecteren, want met spectroscopie komen er veel te veel dingen op dat gebied die je één voor één moet bekijken. Je hebt dus de beeldvorming nodig om de kandidaten te vinden”, bijvoorbeeld door naar de kleuren in een afbeelding te kijken om te beslissen dat een bepaald object bijvoorbeeld een sterrenstelsel met hoge roodverschuiving is en geen zwakke nabije ster.

Dit is in de praktijk al gebleken, met Webbs eerste deepfield-opname. De beeldvorming werd gedaan met de NIRCam-camera, die in staat was grote aantallen sterrenstelsels zowel dichtbij als veraf vast te leggen in één verbluffend beeld. Vervolgens worden specifieke doelen, zoals a sterrenstelsel van meer dan 13 miljard jaar oud, werden uitgekozen en geobserveerd met de NIRSpec-spectrograaf, waarbij gegevens werden verzameld over de samenstelling en temperatuur van dit vroege sterrenstelsel.

“Het is zo’n mooi, schoon spectrum”, zei McCaughrean. ‘Niemand heeft ooit zoiets gezien, waar dan ook. We weten nu dus dat deze machine ongelooflijk krachtig werkt.”

Meerdere modi

Om de volledige mogelijkheden van Webb te begrijpen, moet je weten dat de vier instrumenten niet elk slechts één modus hebben; ze kunnen op meerdere manieren worden gebruikt om naar verschillende doelen te kijken. In totaal zijn er 17 modi tussen de vier instrumenten, en elk van deze moest worden getest en geverifieerd voordat de telescoop gereed werd verklaard voor wetenschappelijke activiteiten.

Neem bijvoorbeeld het NIRSpec-instrument. Het kan verschillende soorten spectroscopie uitvoeren, waaronder spectroscopie met vaste spleet, wat een zeer gevoelige modus is voor het onderzoeken van individuele doelen (zoals het analyseren van het licht dat wordt afgegeven door het samenvoegen van neutronensterren, kilonova genoemd), of veldeenheidspectroscopie, waarbij naar spectra wordt gekeken voor meerdere pixels over een klein gebied om contextuele informatie over een doel te krijgen (zoals kijken naar een extreem ver sterrenstelsel dat is vervormd door zwaartekracht lensvorming).

Het derde type spectroscopie dat NIRSpec doet, is iets heel speciaals: multi-objectspectroscopie. Het maakt gebruik van kleine vensterachtige luiken die zijn gerangschikt in een formaat dat een microshutter-array wordt genoemd. “Het zijn eigenlijk kleine apparaatjes van een paar centimeter doorsnee, waarvan we er vier hebben. In elk van deze apparaten zitten 65.000 kleine individuele luikjes”, aldus McCaughrean.

Elk van deze luiken kan afzonderlijk worden bediend om te openen of te sluiten, waardoor onderzoekers kunnen selecteren naar welke delen van een veld ze kijken. Om deze microshutters te gebruiken, maken onderzoekers eerst een afbeelding met een ander instrument zoals NIRCam om de interessante objecten te selecteren. Vervolgens geven ze opdracht om de luiken die overeenkomen met deze interessante objecten te openen, terwijl de andere gesloten blijven.

Hierdoor kan het licht van de doelen, zoals bepaalde sterrenstelsels, doorschijnen op de detectoren van de telescoop, zonder dat er ook licht van de achtergrond doorheen kan lekken. “Door alleen de deur te openen waar het sterrenstelsel zich bevindt en alle andere deuren te sluiten als het licht erdoor komt Dat object wordt verspreid in een spectrum, en al het andere licht komt er niet doorheen,’ McCaughrean gezegd. “Dat maakt het gevoeliger.”

Deze multi-objectspectroscopie kan worden gebruikt om naar bepaalde sterrenstelsels in diepe veldbeelden te kijken, wat vooral nuttig is voor het bestuderen van de vroegste sterrenstelsels met een sterke roodverschuiving. En deze methode is in staat om spectra van maximaal 100 objecten tegelijk te verkrijgen, waardoor het een zeer efficiënte manier is om gegevens te verzamelen.

Omgaan met te veel licht

Zoals de microshutters laten zien, is het omgaan met te veel licht een lastig onderdeel van het werken met zeer gevoelige instrumenten. Neem het werk James Webb zal doen op Jupiter in de eerste paar maanden dat hij in bedrijf is – het is eigenlijk heel moeilijk om de ringen en manen rond Jupiter in beeld te brengen, omdat de planeet zelf zo helder is. Als het zwakke object dat u probeert waar te nemen zich naast een zeer helder object bevindt, kan het uw metingen verpesten, zodat u alleen maar licht van het helderdere object ziet.

Een soortgelijk probleem doet zich voor wanneer je verre exoplaneten probeert te observeren, die erg zwak zijn vergeleken met de sterren waar ze omheen draaien. Om deze uitdaging het hoofd te bieden, heeft James Webb nog een truc achter de hand: coronagrafie.

Zowel NIRCam als MIRI hebben coronagrafiemodi, waarvan de eenvoudigste vorm is om een ​​kleine metalen schijf voor het heldere object te plaatsen om het licht ervan te blokkeren. Dan kun je de andere, zwakkere lichtbronnen eromheen makkelijker observeren. Maar deze benadering heeft zijn beperkingen: als het heldere object zich achter de schijf beweegt, kan zijn licht over de randen uitstralen en de waarnemingen verpesten. Je zou de schijf kleiner kunnen maken, zodat deze alleen het centrale helderste punt van het object blokkeert, maar dan heb je nog steeds te maken met veel overtollig licht. Je zou de schijf groter kunnen maken, maar dan zou hij andere objecten die zich dicht bij het heldere object bevinden, blokkeren.

Er is dus een andere vorm van deze coronagrafiemodus die hardware gebruikt, het vierkwadrantfasemasker. "Dit is een heel slim stukje optica", zei McCaughrean. “Het heeft geen metalen schijf, maar het heeft vier verschillende stukken glas die verschillende fasen aan het binnenkomende licht geven. Wanneer we licht beschouwen als een golf, in plaats van als fotonen, heeft licht een fase. Als je de heldere bron precies op het kruis plaatst waar die vier verschillende faseplaten samenkomen, dan kan dat werk het zo uit dat het licht feitelijk van de ster wegvalt als gevolg van de golfinterferentie effect."

Dat betekent dat als je het precies goed uitlijnt, zodat het heldere object zich precies in het midden van deze kwadranten bevindt, het licht van de ster zal worden geneutraliseerd, maar het licht van andere objecten zoals planeten zal dat nog steeds zijn zichtbaar. Dat maakt het ideaal voor het observeren van exoplaneten die dicht bij hun gaststerren draaien en die anders misschien onmogelijk te zien zouden zijn.

Gebruik maken van tijd

Nog een andere manier om met een mix van heldere en schemerige objecten om te gaan, is door in de loop van de tijd meerdere metingen uit te voeren. In tegenstelling tot bijvoorbeeld je telefoon, die een foto maakt en vervolgens onmiddellijk reset, kunnen de detectoren in Webb meerdere metingen uitvoeren zonder te resetten.

“We kunnen dus in de loop van de tijd een serie foto’s maken met dezelfde detector, omdat deze het licht van de zwakke bronnen opbouwt”, legt McCaughrean uit. “Maar als we naar de gegevens kijken, kunnen we de eerste beelden van de heldere bronnen gebruiken voordat ze verzadigd raken, en vervolgens licht uit de zwakke bronnen blijven opbouwen en de gevoeligheid bepalen. Het vergroot effectief het dynamische bereik door de detectoren meerdere keren uit te lezen.”

Een andere modus waarin de instrumenten kunnen werken, wordt tijdreekswaarnemingen genoemd, wat in feite neerkomt op het achter elkaar uitvoeren van vele metingen om objecten vast te leggen die in de loop van de tijd veranderen. Dat is handig voor het vastleggen van objecten die flitsen, zoals pulserende neutronensterren die magnetars worden genoemd, of voor het kijken naar exoplaneten die langs de oppervlakte van hun gastster bewegen in een beweging die een transit wordt genoemd.

“Als een planeet voor de ster langs beweegt, wil je hem zowel aan de randen van de ster zien als in het midden ervan”, aldus McCaughrean. "Dus je blijft er gewoon naar kijken en je blijft gegevens verzamelen."

Een uitdaging bij deze methode is dat de telescoop vrijwel perfect uitgelijnd moet blijven, want als hij ook maar een klein beetje zou bewegen, zou er ruis in de gegevens terechtkomen. Maar het goede nieuws is dat de telescoop buitengewoon goed presteert als het gaat om het richten op een object en het blijven zitten plaats, dankzij de Fine Guidance Sensor die zich richt op nabijgelegen sterren en zich aanpast aan eventuele verstoringen zoals zonne-energie wind.

Uitdagingen bij het werken met Webb

Zoals bij elk stukje technologie zijn er beperkingen aan wat Webb kan doen. Een van de grote praktische beperkingen voor wetenschappers die Webb gebruiken, is de hoeveelheid gegevens die ze met de telescoop kunnen verzamelen. In tegenstelling tot Hubble, die rond de aarde draait, draait Webb in een baan om de zon positie genaamd L2.

Dat is ongeveer 1 miljoen mijl verwijderd van de aarde, dus Webb is uitgerust met een krachtige radioantenne die gegevens met een snelheid van 28 megabit per seconde naar de aarde kunnen sturen. Dat is behoorlijk indrukwekkend – zoals McCaughrean opmerkte, dat is aanzienlijk sneller dan de wifi in zijn hotel die we gebruikten om te praten, zelfs over een veel grotere afstand – maar het komt niet in de buurt van de totale hoeveelheid gegevens die de instrumenten per stuk kunnen verwerken. seconde.

Het observatorium beschikt over een kleine hoeveelheid vastestofopslag, ongeveer 60 GB, die gedurende een korte tijd gegevens kan registreren als de instrumenten meer gegevens verzamelen dan teruggestuurd kunnen worden, en als buffer fungeert. Dat klinkt misschien niet veel vergeleken met het soort opslag dat je normaal gesproken op een telefoon of laptop krijgt, maar de De vereisten voor hardware die veilig is tegen straling en tientallen jaren gebruik kan weerstaan, zijn nogal verschillend.

Deze beperking betekent dat onderzoekers selectief moeten zijn over welke gegevens zij prioriteit geven in downlinks van de telescoop, en alleen de gegevens moeten kiezen die voor hun behoeften het meest essentieel zijn. Je vraagt ​​je misschien af ​​waarom Webb in dat geval niet dichter bij de aarde staat, maar de L2-baan is essentieel voor de manier waarop deze werkt – en de reden is te wijten aan de temperaturen.

“Mensen denken dat de ruimte koud is, nou ja, niet als je naast een groot object bent dat je elke dag opwarmt, zoals de aarde of de zon,” zei McCaughrean. “Dus als je in het infrarood wilt kijken, moet je ervoor zorgen dat je telescoop ongelooflijk koud is, zodat hij niet uitzendt op de golflengten die jij probeert te bereiken. detecteren.” Daarom heeft Webb een enorm zonnescherm om het koel te houden, en waarom het zich op L2 bevindt, zodat het zonnescherm de hitte van zowel de zon als de zon kan blokkeren. Aarde.

“We hebben een observatorium gebouwd dat zich op L2 moet bevinden, het moet daar zijn om koud te worden, zodat het deze wetenschap kan leveren. En omdat het zich op L2 bevindt, hebben we slechts een bepaalde bandbreedte”, legt McCaughrean uit. “Er bestaat niet zoiets als een gratis lunch, laten we het zo zeggen.”

De gemeenschap beslist

Het eerste jaar van Webb-waarnemingen is zorgvuldig gepland. In de eerste vijf maanden van de wetenschappelijke operaties zal het doorwerken wetenschappelijke programma's voor vroege release, die zijn ontworpen om de grenzen van de hardware van Webb te verleggen en te zien waartoe deze in staat is. In het eerste jaar zal zij werken aan programma's waarvoor zij zijn geselecteerd Cyclus 1, inclusief onderzoek naar exoplaneten, zwarte gaten, diepe velden en meer.

Maar daarnaast ligt het toekomstige werk dat met Webb moet worden gedaan grotendeels open. Onderzoekers dienen voorstellen in voor de gegevens die ze willen verzamelen met behulp van Webb, en deze voorstellen worden aan collegiale toetsing onderworpen om de wetenschappelijk meest interessante te selecteren. “De gemeenschap beslist wat er met het observatorium gebeurt”, zei McCaughrean.

Deze betrokkenheid van de gemeenschap heeft de manier waarop Webb wordt gebruikt al veranderd; exoplaneetonderzoek neemt momenteel bijvoorbeeld ongeveer een derde van de beschikbare observatietijd in de eerste onderzoeksronde in beslag. Toen McCaughrean en zijn collega's begin jaren 2000 aan het bedenken waren hoe Webb gebruikt kon worden, konden ze zich niet voorstellen dat Er zou in de buurt van dit onderzoek naar exoplaneten worden gedaan, omdat er toen zo weinig exoplaneten waren ontdekt tijd.

Dit maakt Webb anders dan missies met een heel specifiek doel, zoals het Gaia-observatorium van ESA speciaal ontworpen om een ​​3D-kaart van de Melkweg te maken, en meer zoals Hubble, die is ontworpen om velen te ontmoeten onderzoeksbehoeften. “Het is absoluut een observatorium voor algemene doeleinden,” zei McCaughrean. “Je hoeft alleen maar naar Hubble te kijken en hoe deze door de jaren heen is geëvolueerd. Gedeeltelijk door het inzetten van nieuwe instrumenten, maar vooral doordat de wetenschappelijke gemeenschap besluit dat er verschillende prioriteiten en verschillende gebieden zijn die gedaan moeten worden.”

Deze flexibiliteit is mogelijk omdat Webb is ontworpen om nuttig te zijn voor onderzoek op een heleboel gebieden, inclusief toepassingen waar we nog niet aan hebben gedacht. Webb is zal naar verwachting duren minstens twintig jaar, en we zijn nog maar nauwelijks begonnen met onderzoeken wat het in die tijd zou kunnen doen.

“Dat is het opwindende. Als je een zeer krachtig en capabel observatorium voor algemene doeleinden bouwt, wordt het in veel opzichten alleen beperkt door de creativiteit van de gemeenschap”, aldus McCaughrean. “Webb is wat we er nu van maken.”

Aanbevelingen van de redactie

• James Webb ontdekt oud stof dat afkomstig zou kunnen zijn van de vroegste supernova's
• Zoom in op de verbluffende James Webb-afbeelding en zie een sterrenstelsel dat 13,4 miljard jaar geleden werd gevormd
• James Webb ziet het verste actieve superzware zwarte gat dat ooit is ontdekt
• James Webb ontdekt aanwijzingen voor de grootschalige structuur van het universum
• James Webb detecteert een belangrijk molecuul in de verbluffende Orionnevel