Her er hva James Webb-romteleskopet vil observere neste gang

Verden kom sammen forrige uke i et sjeldent show av internasjonal enhet for å stirre undrende på første vitenskapelige bilder produsert av James Webb Space Telescope. Tiår på vei og resultatet av innsatsen til tusenvis av mennesker fra hele verden teleskopet er satt til å revolusjonere astronomi ved å la oss se dypere inn i kosmos enn noen gang før.

Webb har det største speilet som noen gang er skutt ut i verdensrommet, samt det største solskjoldet, og det er det kraftigste romteleskopet som noen gang er bygget. De første bildene er bare en smakebit på hva denne bemerkelsesverdige teknologien er i stand til å gjøre. Så for å finne ut mer om hvilken fremtidig vitenskapelig forskning som vil bli muliggjort av denne giganten, snakket vi med Mark McCaughrean, Webb Interdisciplinary Scientist ved European Space Agency.

McCaughrean vil være en av de første forskerne til å bruke Webb for sitt arbeid innen Oriontåken, og han har vært involvert i planleggingen av teleskopet i mer enn 20 år. Han fortalte oss alt om hvordan Webb vil flytte grensene til astronomi og muliggjøre oppdagelser vi ikke engang har begynt å forestille oss.

Å se universet i infrarødt

Da astronomer først begynte å forestille seg Webb på 1980-tallet, hadde de en spesifikk plan i tankene: De ønsket et kosmologisk forskningsverktøy for å se tilbake på de tidligste galaksene i universet.

Forskere visste at disse tidlige galaksene var der ute og var nær ved å være tilgjengelige for oss fordi Hubble-romteleskopet hadde observert noen ganske tidlige galakser. Når man ser på bølgelengden for synlig lys, kunne Hubble identifisere hundrevis av disse galaksene, som ble dannet innen noen få hundre millioner år etter Big Bang. Men disse galaksene hadde allerede dannet seg, og forskere ønsket å se enda lenger tilbake for å se at de faktisk dannes.

For å gjøre det trengte de et verktøy som kunne se i den infrarøde bølgelengden, hinsides synlig lys. Det er fordi de tidligste galaksene ga fra seg synlig lys akkurat som galakser gjør i dag. Men universet utvider seg over tid, og det betyr at galaksene vi ser på himmelen beveger seg bort fra oss. Jo eldre galaksen er, jo lenger unna er den. Og denne avstanden forårsaker et fenomen som kalles rødforskyvning.

Ligner på Doppler-effekten, der lyder endrer deres oppfattede tonehøyde som avstanden mellom dem kilden og observatøren endres, bølgelengden til lys endres når kilden beveger seg bort fra oss. Dette lyset flyttes til den rødere enden av spekteret, derav navnet rødforskyvning.

De aller eldste galaksene har altså lys som er rødforskyvet så mye at det ikke lenger kan observeres som synlig lys. I stedet er den synlig som infrarød - og dette er bølgelengden som Webb opererer i.

Dette er hvordan Webb er i stand til å oppdage og identifisere de aller tidligste galaksene. Hvis Webb kan se en galakse som skinner sterkt i det infrarøde, men som er svak eller usynlig for primært synlig lysbaserte teleskoper som Hubble, kan forskere være sikre på at de har funnet en galakse som er ekstremt rødforskyvet – noe som betyr at den er veldig langt unna, og derfor veldig gammel.

Selv i første dypfeltsbilde fra Webb kan du se noen ekstremt gamle galakser. Galaksehopen som er i fokus på bildet er 4,6 milliarder år gammel, men på grunn av massen bøyer den romtiden rundt seg. Dette betyr at lys som kommer fra galakser bak denne klyngen også er bøyd, så klyngen fungerer som et forstørrelsesglass i en effekt som kalles gravitasjonslinser. Noen av galaksene sett i dette dype feltet er rundt 13 milliarder år gamle, noe som betyr at de ble dannet i universets første milliard år.

Utvider for å gjøre mer

Hvis Webb opprinnelig ble konseptualisert som et kosmologisk verktøy, utvidet det seg snart til å bli langt mer enn det.

I løpet av flere tiår med planlegging for Webb innså designerne at verktøyet de bygde kunne brukes til langt mer forskjellige felt enn bare kosmologi. De la til nye instrumenter, som MIRI, som ser i den midt-infrarøde bølgelengden i stedet for den nær-infrarøde og er mer nyttig for å studere stjerne- og planetdannelse enn kosmologi. Denne forskjellen gir sin egen utfordring slik dette instrumentet har forskjellige detektorer fra de andre instrumentene og krever sitt egen kjøler. Men sammen med andre instrumenter utvider det det Webb kan gjøre til en hel rekke muligheter.

"Det opprinnelige fokuset til teleskopet var mye mer på universet med høy rødforskyvning," oppsummerte McCaughrean. "Det var det høyeste målet, å finne disse første stjernene og galaksene som ble dannet etter Big Bang. Alt annet etter det er «fint å ha.» Men i løpet av prosjektets fremdrift klarte vi å gjøre det om til fire temaer: kosmologi, stjernedannelse, planetarisk vitenskap og galakseevolusjon. Og vi sørget for at observatoriet ville være i stand til alle disse.»

Kameraer og spektrografer

Webb har fire instrumenter om bord: Near-Infrared Camera eller NIRCam, Near-Infrared Spectrograph eller NIRSpec, Near InfraRed Imager og Slitless Spectrograph eller NIRISS, og Mid-Infrared Instrument eller MIRI. Det er også en sensor kalt Fine Guidance Sensor (FGS), som hjelper til med å peke teleskopet i riktig retning.

Instrumentene er en blanding av kameraer og spektrografer, som er instrumenter for å dele opp lys i ulike bølgelengder slik at du kan se hvilke bølgelengder som har blitt absorbert. Dette lar deg se hva et objekt består av ved å se på lyset det avgir.

Mens bildene tatt av kameraene får mest offentlig oppmerksomhet, bør spektrografene ikke undervurderes som et vitenskapelig verktøy. Rundt halvparten av den tildelte observasjonstiden er dedikert til spektroskopi, for oppgaver som å analysere sammensetningen av eksoplanetatmosfærer. Dels er det fordi det tar mer tid å ta et spekter av et objekt enn å ta et bilde av det, og dels fordi spektroskopi kan gjøre ting som bildebehandling ikke kan.

Kameraer og spektrografer fungerer også sammen, siden filtrene som brukes i bildebehandling er nyttige for å velge objekter som skal studeres med spektrografene.

"Se for deg at du tar et dypt felt og tar noen dype bilder med NIRCam," forklarte McCaughrean. «Så bruker du forskjellige filtre for å velge ut kandidater, fordi det blir alt for mange ting å se på i det feltet én etter én med spektroskopi. Så du trenger bildebehandlingen for å finne kandidatene», for eksempel ved å se på fargene i et bilde for å bestemme at et gitt objekt for eksempel er en galakse med høy rødforskyvning og ikke en svak stjerne i nærheten.

Dette er allerede demonstrert i praksis, med Webbs første dypfeltsbilde. Avbildningen ble gjort med NIRCam-kameraet, som var i stand til å fange opp et stort antall galakser både nær og fjern i ett fantastisk bilde. Deretter bestemte mål, som en galakse over 13 milliarder år gammel, ble plukket ut og observert med NIRSpec-spektrografen, og samlet data om denne tidlige galaksens sammensetning og temperatur.

"Det er et så vakkert, rent spekter," sa McCaughrean. "Ingen har noen gang sett noe lignende før fra noe sted. Så vi vet nå at denne maskinen fungerer utrolig kraftig.»

Flere moduser

For å forstå Webbs fulle muligheter, bør du vite at de fire instrumentene ikke bare har én modus hver – de kan brukes på flere måter for å se på forskjellige mål. Totalt finnes det 17 moduser mellom de fire instrumentene, og hver av disse måtte testes og verifiseres før teleskopet ble erklært klart til å starte vitenskapelige operasjoner.

Ta for eksempel NIRSpec-instrumentet. Den kan utføre flere typer spektroskopi, inkludert spektroskopi med fast spalte, som er en svært sensitiv modus for å undersøke individuelle mål (som å analysere lyset som avgis ved å slå sammen nøytronstjerner kalt en kilonova), eller feltenhetsspektroskopi, som ser på spektre for flere piksler over et lite område for å få kontekstuell informasjon om et mål (som å se på en ekstremt fjern galakse som har blitt fordreid av gravitasjon linse).

Den tredje typen spektroskopi NIRSpec gjør er noe helt spesielt som kalles multi-objektspektroskopi. Den bruker små vinduslignende skodder arrangert i et format som kalles en microshutter array. "De er i utgangspunktet små enheter på et par centimeter i diameter, hvorav vi har fire. I hver av disse enhetene er det 65 000 små individuelle skodder," sa McCaughrean.

Hver av disse skoddene kan styres individuelt for å åpne eller lukke, slik at forskere kan velge hvilke deler av et felt de ser på. For å bruke disse mikrolukkerne, tar forskere først et bilde ved å bruke et annet instrument som NIRCam for å velge objektene av interesse. Deretter beordrer de skoddene som tilsvarer disse objektene av interesse å åpne, mens de andre forblir lukket.

Dette gjør at lyset fra målene, for eksempel bestemte galakser, kan skinne gjennom på teleskopets detektorer, uten å la lys fra bakgrunnen lekke gjennom også. «Ved bare å åpne døren der galaksen er og lukke alle de andre dørene, når lyset kommer gjennom fra det objektet, blir det spredt ut i et spektrum, og du har ikke alt det andre lyset som kommer gjennom,» McCaughrean sa. "Det gjør det mer følsomt."

Denne multi-objektspektroskopien kan brukes til å se på bestemte galakser i dypfeltsbilder, noe som er spesielt nyttig for å studere de tidligste galaksene som er sterkt rødforskyvet. Og denne metoden er i stand til å hente spektre fra opptil 100 objekter samtidig – noe som gjør det til en svært effektiv måte å samle inn data på.

Håndtere for mye lys

Som mikroskodder viser, er en vanskelig del av å jobbe med svært sensitive instrumenter å håndtere for mye lys. Ta verket James Webb vil gjøre på Jupiter i de første månedene av drift – det er faktisk veldig vanskelig å se ringene og månene rundt Jupiter fordi planeten selv er så lyssterk. Hvis det svake objektet du prøver å observere er ved siden av et veldig lyst objekt, kan det blåse ut målingene dine slik at alt du ser er lys fra det lysere objektet.

Et lignende problem oppstår når du prøver å observere fjerne eksoplaneter, som er veldig svake sammenlignet med stjernene de går i bane rundt. For å takle denne utfordringen har James Webb et annet triks i ermet kalt koronografi.

Både NIRCam og MIRI har koronografimoduser, den enkleste formen er å plassere en liten metallskive foran den lyse gjenstanden for å blokkere lyset. Da kan du lettere observere de andre, svakere lyskildene rundt den. Men denne tilnærmingen har sine begrensninger: hvis den lyse gjenstanden beveger seg rundt bak disken, kan lyset søle ut over kantene og ødelegge observasjonene. Du kan gjøre disken mindre slik at den bare blokkerer det sentrale lyseste punktet på objektet, men da vil du fortsatt ha mye overflødig lys å håndtere. Du kan gjøre disken større, men da vil den blokkere andre objekter som er nær det lyse objektet.

Så det er en annen form for denne koronagrafimodusen som bruker maskinvare kalt fire-kvadrantfasemasken. "Dette er et veldig smart stykke optikk," sa McCaughrean. "Den har ikke en metallskive, men den har fire forskjellige glassbiter som gir forskjellige faser inn i lyset som kommer inn. Når vi tenker på lys som en bølge, snarere enn som fotoner, har lys en fase. Hvis du setter lyskilden rett på korset der de fire forskjellige faseplatene møtes, kan du utarbeide det slik at lyset faktisk vil avbryte fra stjernen på grunn av bølgeinterferensen effekt."

Det betyr at hvis du retter den opp akkurat slik at den lyse gjenstanden er nøyaktig i midten av disse kvadrantene, lyset fra stjernen vil bli kansellert, men lyset fra andre objekter som planeter vil fortsatt være det synlig. Det gjør den ideell for å observere eksoplaneter som kretser rundt i nærheten av vertsstjernene som ellers kan være umulig å se.

Bruker tid

Enda en måte å håndtere en blanding av lyse og svake objekter på er å ta flere målinger over tid. I motsetning til noe som telefonen din, som tar et bilde og deretter tilbakestilles umiddelbart, kan detektorene i Webb ta flere målinger uten å tilbakestille.

"Så vi kan ta en serie bilder over tid med den samme detektoren, ettersom den bygger opp lyset fra de svake kildene," forklarer McCaughrean. "Men når vi ser på dataene, kan vi bruke de første bildene for de lyse kildene før de mettes, og deretter fortsette å bygge opp lys fra de svake kildene og få følsomheten. Den utvider effektivt det dynamiske området ved å lese ut detektorene flere ganger."

En annen modus instrumentene kan operere i kalles tidsserieobservasjoner, som i utgangspunktet bare tar mange avlesninger etter hverandre for å fange opp objekter som endrer seg over tid. Det er nyttig for å fange objekter som blinker, for eksempel pulserende nøytronstjerner kalt magnetarer, eller for å se på eksoplaneter som beveger seg over ansiktet til vertsstjernen deres i en bevegelse som kalles en transitt.

"Når en planet passerer foran stjernen, vil du fange den ved kantene av transitt så vel som midt i transitt," sa McCaughrean. "Så du bare fortsetter å se på det, og du fortsetter å ta data."

En utfordring med denne metoden er at den krever at teleskopet holder seg i nesten perfekt justering, fordi hvis det beveget seg litt, ville det introdusere støy i dataene. Men den gode nyheten er at teleskopet yter ekstremt bra når det gjelder å peke på et objekt og holde seg i plass, takket være Fine Guidance Sensor som låser seg på nærliggende stjerner og justerer for eventuelle forstyrrelser som solenergi vinder.

Utfordringer i arbeidet med Webb

Som med alle typer teknologi, er det begrensninger på hva Webb kan gjøre. En av de store praktiske begrensningene for forskere som bruker Webb er mengden data de kan samle inn fra teleskopet. I motsetning til Hubble, som går i bane rundt jorden, går Webb i bane rundt solen ved en posisjon kalt L2.

Det er rundt 1 million miles unna jorden, så Webb er utstyrt med en kraftig radioantenne som kan sende data tilbake til jorden med en hastighet på 28 megabit per sekund. Det er ganske imponerende - som McCaughrean påpekte, er det betydelig raskere enn Wi-Fi på hotellet hans som vi brukte å snakke, selv over en mye større avstand — men det er ikke i nærheten av den totale datamengden instrumentene kan ta pr. sekund.

Observatoriet har en liten mengde faststofflagring, rundt 60 GB, som kan registrere data i kort tid dersom instrumentene samler inn mer data enn det som kan sendes tilbake, fungerer som en buffer. Det høres kanskje ikke så mye ut sammenlignet med den typen lagring du vanligvis får på en telefon eller bærbar datamaskin, men Kravene til maskinvare som er trygg mot stråling og tåler flere tiår med bruk er ganske forskjellige.

Denne begrensningen betyr at forskere må være selektive med hensyn til hvilke data de prioriterer i nedkoblinger fra teleskopet, og kun velge de mest vitale dataene for deres behov. Du lurer kanskje på hvorfor Webb ikke er plassert nærmere Jorden i så fall, men L2-banen er avgjørende for måten den fungerer på – og årsaken er temperaturer.

"Folk tror at rommet er kaldt, vel, ikke hvis du er ved siden av en stor gjenstand som varmer deg opp hver dag som jorden eller solen," sa McCaughrean. "Så hvis du vil se i det infrarøde, må du sørge for at teleskopet ditt er utrolig kaldt, så det ikke sender ut på bølgelengdene du prøver å oppdage." Det er derfor Webb har en enorm solskjerm for å holde den kjølig, og hvorfor den er på L2 slik at solskjermen kan blokkere varmen fra både solen og Jord.

"Vi har bygget et observatorium som må være på L2, det må være der for å bli kaldt, så det kan levere denne vitenskapen. Og fordi det er på L2, har vi bare en viss båndbredde," forklarte McCaughrean. "Det finnes ikke noe som heter gratis lunsj, la oss si det sånn."

Fellesskapet bestemmer

Det første året med Webb-observasjoner er nøye planlagt. I løpet av de første fem månedene av vitenskapelige operasjoner vil det jobbe videre vitenskapsprogrammer for tidlig utgivelse, som er de designet for å presse grensene for Webbs maskinvare og se hva den er i stand til. I løpet av det første året vil den jobbe med programmer som er valgt ut Syklus 1, inkludert forskning på eksoplaneter, sorte hull, dype felt og mer.

Utover det er imidlertid det fremtidige arbeidet som skal gjøres med Webb stort sett åpent. Forskere sender inn forslag til hvilke data de ønsker å samle inn ved hjelp av Webb, og disse forslagene blir fagfellevurdert for å velge ut de som er mest vitenskapelig interessante. "Samfunnet bestemmer hva som skal gjøres med observatoriet," sa McCaughrean.

Dette samfunnsengasjementet har allerede endret måten Webb brukes på - for eksempel tar exoplanetforskning for tiden omtrent en tredjedel av tilgjengelig observasjonstid i den første forskningsrunden. Da McCaughrean og kollegene hans planla ut hvordan Webb kunne brukes på begynnelsen av 2000-tallet, forestilte de seg ikke det ville være i nærheten av så mye eksoplanetforskning som ble gjort fordi så få eksoplaneter hadde blitt oppdaget på det tid.

Dette gjør Webb annerledes enn oppdrag med et veldig spesifikt formål, som ESAs Gaia-observatorium, som er designet spesielt for å lage et 3D-kart over galaksen, og mer som Hubble, som ble designet for å møte mange forskningsbehov. "Det er definitivt et observatorium for generell bruk," sa McCaughrean. "Du trenger bare å se på Hubble og hvordan den har utviklet seg gjennom årene. Dels gjennom å sette på nye instrumenter, men mest gjennom at det vitenskapelige miljøet bestemmer at det er ulike prioriteringer og ulike områder som må gjøres.”

Denne fleksibiliteten er mulig fordi Webb er designet for å være nyttig for forskning på en rekke felt – inkludert applikasjoner vi ikke har tenkt på ennå. Webb er anslått å vare minst 20 år, og vi har knapt begynt å utforske hva den kunne gjøre på den tiden.

"Det er det spennende. Hvis du bygger et veldig kraftig, veldig dyktig observatorium for generell bruk, er det på mange måter begrenset bare av kreativiteten til samfunnet, sa McCaughrean. "Webb er hva vi gjør det til nå."

Redaktørenes anbefalinger

• James Webb oppdager gammelt støv som kan være fra de tidligste supernovaene
• Zoom inn på det fantastiske James Webb-bildet for å se en galakse som ble dannet for 13,4 milliarder år siden
• James Webb oppdager det mest fjerne aktive supermassive sorte hullet som noen gang er oppdaget
• James Webb oppdager ledetråder til universets storskalastruktur
• James Webb oppdager viktige molekyler i den fantastiske Orion-tåken