Oto, co w następnej kolejności zaobserwuje teleskop kosmiczny Jamesa Webba

Świat zebrał się w zeszłym tygodniu w ramach rzadkiego pokazu jedności międzynarodowej, aby z podziwem przyglądać się... pierwsze zdjęcia naukowe wyprodukowanego przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Dziesięciolecia tworzenia i wynik wysiłków tysięcy ludzi z całego świata Teleskop zrewolucjonizuje astronomię, pozwalając nam zajrzeć w kosmos głębiej niż kiedykolwiek zanim.

Webb ma największe lustro, jakie kiedykolwiek wystrzelono w przestrzeń kosmiczną, a także największą osłonę przeciwsłoneczną i jest najpotężniejszym teleskopem kosmicznym, jaki kiedykolwiek zbudowano. Pierwsze zdjęcia to tylko przedsmak możliwości tego niezwykłego urządzenia technologicznego. Aby dowiedzieć się więcej o tym, jakie przyszłe badania naukowe umożliwi ten kolos, rozmawialiśmy z Markiem McCaughreanem, interdyscyplinarnym naukowcem Webbem w Europejskiej Agencji Kosmicznej.

McCaughrean będzie jednym z pierwszych badaczy, którzy wykorzystają Webba w swojej pracy nad Mgławica Orionai był zaangażowany w planowanie teleskopu od ponad 20 lat. Opowiedział nam wszystko o tym, jak Webb przesunie granice astronomii i umożliwi odkrycia, o których nawet nie zaczęliśmy sobie marzyć.

Widzenie wszechświata w podczerwieni

Kiedy astronomowie po raz pierwszy zaczęli wyobrażać sobie Webba w latach 80. XX wieku, mieli konkretny plan: chcieli narzędzia do badań kosmologicznych, które pozwoliłoby spojrzeć wstecz na najwcześniejsze galaktyki we wszechświecie.

Naukowcy wiedzieli, że te wczesne galaktyki istnieją i były dla nas prawie dostępne, ponieważ Kosmiczny Teleskop Hubble'a zaobserwował kilka całkiem wczesnych galaktyk. Patrząc w zakresie długości fali światła widzialnego, Hubble mógł zidentyfikować setki tych galaktyk, które powstały w ciągu kilkuset milionów lat od Wielkiego Wybuchu. Ale te galaktyki już powstały, a badacze chcieli spojrzeć jeszcze dalej wstecz, aby zobaczyć, jak faktycznie się tworzą.

Aby tego dokonać, potrzebowali narzędzia, które mogłoby patrzeć w podczerwieni, a nie w świetle widzialnym. Dzieje się tak dlatego, że najwcześniejsze galaktyki emitowały światło widzialne, tak jak robią to dzisiejsze galaktyki. Ale wszechświat rozszerza się w czasie, a to oznacza, że ​​galaktyki, które widzimy na niebie, oddalają się od nas. Im starsza galaktyka, tym dalej się znajduje. A ta odległość powoduje zjawisko zwane przesunięciem ku czerwieni.

Podobny do efektu Dopplera, w którym dźwięki zmieniają swoją postrzeganą wysokość w miarę odległości między nimi zmienia się źródło i obserwator, długość fali światła zmienia się w miarę oddalania się źródła nas. Światło to jest przesunięte w stronę bardziej czerwonego końca widma, stąd nazwa przesunięcie ku czerwieni.

Zatem najstarsze galaktyki mają światło przesunięte ku czerwieni tak bardzo, że nie można go już obserwować w postaci światła widzialnego. Zamiast tego jest widoczny jako podczerwień – i na tej długości fali działa Webb.

W ten sposób Webb jest w stanie wykryć i zidentyfikować najwcześniejsze galaktyki. Jeśli Webb widzi galaktykę, która jasno świeci w podczerwieni, ale jest słaba lub niewidoczna dla teleskopów wykorzystujących głównie światło widzialne jak Hubble, badacze mogą być pewni, że znaleźli galaktykę, która jest niezwykle przesunięta ku czerwieni – co oznacza, że ​​jest bardzo daleko, a zatem bardzo stary.

Nawet w pierwsze zdjęcie głębokiego pola z Webba można zobaczyć kilka niezwykle starych galaktyk. Gromada galaktyk będąca ogniskiem zdjęcia ma 4,6 miliarda lat, ale ze względu na swoją masę zagina wokół siebie czasoprzestrzeń. Oznacza to, że światło pochodzące z galaktyk znajdujących się za tą gromadą również jest załamane, więc gromada działa jak szkło powiększające, wywołując efekt zwany soczewkowaniem grawitacyjnym. Niektóre galaktyki widziane w tym głębokim polu mają około 13 miliardów lat, co oznacza, że ​​powstały w ciągu pierwszego miliarda lat istnienia Wszechświata.

Rozszerzanie, aby móc więcej

Jeśli jednak Webb był pierwotnie pomyślany jako narzędzie kosmologiczne, wkrótce stał się czymś znacznie więcej.

Przez dziesięciolecia planowania dla Webba projektanci zdali sobie sprawę, że tworzone przez nich narzędzie może być wykorzystywane w znacznie bardziej zróżnicowanych dziedzinach niż tylko kosmologia. Dodali nowe instrumenty, takie jak MIRI, który bada fale w średniej podczerwieni, a nie w bliskiej podczerwieni i jest bardziej przydatny do badania powstawania gwiazd i planet niż do kosmologii. Ta różnica stwarza własne wyzwanie, podobnie jak ten instrument różne detektory od innych instrumentów i wymaga tego własną chłodnicę. Ale wraz z innymi instrumentami rozszerza to, co Webb może zrobić, na cały szereg możliwości.

„Początkowo teleskop skupiał się bardziej na Wszechświecie o wysokim przesunięciu ku czerwieni” – podsumował McCaughrean. „To był najważniejszy cel: znaleźć pierwsze gwiazdy i galaktyki, które powstały po Wielkim Wybuchu. Cała reszta jest „miła mieć”. Jednak w miarę postępów projektu udało nam się przekształcić to w cztery tematy: kosmologia, powstawanie gwiazd, planetologia i ewolucja galaktyk. Upewniliśmy się, że obserwatorium będzie w stanie wykonać to wszystko.”

Kamery i spektrografy

Webb ma na pokładzie cztery instrumenty: kamerę bliskiej podczerwieni lub NIRCam, spektrograf bliskiej podczerwieni lub NIRSpec, kamera bliskiej podczerwieni i spektrograf bezszczelinowy lub NIRISS oraz instrument średniej podczerwieni lub MIRI. Dostępny jest również czujnik zwany precyzyjnym czujnikiem naprowadzania (FGS), który pomaga skierować teleskop we właściwym kierunku.

Przyrządy te stanowią połączenie kamer i spektrografów, które służą do dzielenia światła na różne długości fal, dzięki czemu można zobaczyć, jakie długości fal zostały pochłonięte. Dzięki temu możesz zobaczyć, z czego składa się obiekt, patrząc na emitowane przez niego światło.

Chociaż zdjęcia wykonane aparatami przyciągają najwięcej uwagi opinii publicznej, nie należy lekceważyć spektrografów jako narzędzia naukowego. Około połowa obecnie przydzielanego czasu obserwacji poświęcona jest spektroskopii, np. analizie składu atmosfer egzoplanet. Częściowo dzieje się tak dlatego, że wykonanie widma obiektu zajmuje więcej czasu niż wykonanie jego zdjęcia, a częściowo dlatego, że spektroskopia może dokonać rzeczy, których obrazowanie nie może.

Kamery i spektrografy również współpracują, ponieważ filtry stosowane w obrazowaniu są przydatne do wybierania obiektów do badania za pomocą spektrografów.

„Wyobraź sobie, że robisz głębokie pole i robisz głębokie zdjęcia za pomocą NIRCam” – wyjaśnił McCaughrean. „Następnie stosuje się różne filtry, aby wybrać kandydatów, ponieważ będzie zbyt wiele rzeczy do sprawdzenia w tej dziedzinie pojedynczo za pomocą spektroskopii. Potrzebujesz więc obrazowania, aby znaleźć kandydatów”, na przykład patrząc na kolory na obrazie, aby zdecydować, że dany obiekt jest, powiedzmy, galaktyką o dużym przesunięciu ku czerwieni, a nie słabą pobliską gwiazdą.

Zostało to już wykazane w praktyce, z Pierwsze zdjęcie głębokiego pola Webba. Obrazowanie wykonano za pomocą kamery NIRCam, która była w stanie uchwycić ogromną liczbę galaktyk zarówno bliskich, jak i dalekich na jednym, oszałamiającym obrazie. Następnie określone cele, takie jak galaktyka mająca ponad 13 miliardów lat, zostały wyłowione i zaobserwowane za pomocą spektrografu NIRSpec, zbierając dane na temat składu i temperatury tej wczesnej galaktyki.

„To takie piękne, czyste widmo” – powiedział McCaughrean. „Nikt nigdy wcześniej i nigdzie nie widział czegoś takiego. Wiemy już zatem, że ta maszyna działa z niewiarygodną mocą”.

Wiele trybów

Aby zrozumieć pełne możliwości Webba, powinieneś wiedzieć, że każdy z czterech instrumentów nie ma tylko jednego trybu – można ich używać na wiele sposobów, aby patrzeć na różne cele. W sumie są 17 trybów między czterema instrumentami, a każdy z nich musiał zostać przetestowany i zweryfikowany, zanim uznano teleskop za gotowy do rozpoczęcia działań naukowych.

Weźmy na przykład instrument NIRSpec. Może wykonywać kilka rodzajów spektroskopii, w tym spektroskopię ze stałą szczeliną, która jest trybem bardzo czułym do badania pojedynczych celów (takie jak analiza światła wydzielanego przez łączenie się gwiazd neutronowych zwanych kilonową) lub spektroskopia jednostek polowych, która bada widma wielu pikseli na małym obszarze, aby uzyskać informacje kontekstowe o celu (np. patrzenie na niezwykle odległą galaktykę, która została zniekształcona przez grawitację) soczewkowanie).

Trzeci rodzaj spektroskopii, którą wykonuje NIRSpec, to coś naprawdę wyjątkowego, zwanego spektroskopią wieloobiektową. Wykorzystuje maleńkie okiennice ułożone w formacie zwanym układem mikroprzesłon. „Są to w zasadzie małe urządzenia o średnicy kilku centymetrów, a my mamy cztery. W każdym z tych urządzeń znajduje się 65 000 małych, pojedynczych okiennic” – powiedział McCaughrean.

Każdą z tych przesłon można indywidualnie sterować w celu otwarcia lub zamknięcia, co pozwala badaczom wybrać, na które części pola patrzą. Aby użyć tych mikroprzesłon, badacze najpierw wykonują zdjęcie za pomocą innego instrumentu, takiego jak NIRCam, w celu wybrania interesujących obiektów. Następnie każą otworzyć okiennice odpowiadające tym interesującym obiektom, a pozostałe pozostają zamknięte.

Dzięki temu światło celów, takich jak określone galaktyki, może przedostać się do detektorów teleskopu, nie przepuszczając jednocześnie światła z tła. „Tylko otwierając drzwi, w których znajduje się galaktyka, i zamykając wszystkie pozostałe drzwi, gdy przechodzi przez nie światło ten obiekt, zostaje on rozciągnięty na widmo i nie przechodzi przez nie całe inne światło” – McCaughrean powiedział. „To czyni go bardziej wrażliwym”.

Tę spektroskopię obejmującą wiele obiektów można wykorzystać do obserwacji poszczególnych galaktyk na obrazach głębokiego pola, co jest szczególnie przydatne do badania najwcześniejszych galaktyk o dużym przesunięciu ku czerwieni. Metoda ta pozwala uzyskać widma nawet 100 obiektów jednocześnie, co czyni ją bardzo efektywną metodą gromadzenia danych.

Radzenie sobie ze zbyt dużą ilością światła

Jak pokazują mikroprzesłony, trudnym elementem pracy z bardzo czułymi instrumentami jest radzenie sobie ze zbyt dużą ilością światła. Weźmy pracę Jamesa Webba zrobi to na Jowiszu w pierwszych miesiącach działania – w rzeczywistości bardzo trudno jest sfotografować pierścienie i księżyce wokół Jowisza, ponieważ sama planeta jest bardzo jasna. Jeśli słaby obiekt, który próbujesz obserwować, znajduje się obok bardzo jasnego obiektu, może to spowodować zafałszowanie odczytów i jedyne, co widzisz, to światło jaśniejszego obiektu.

Podobny problem pojawia się, gdy próbujemy obserwować odległe egzoplanety, które są bardzo słabe w porównaniu do gwiazd, które krążą. Aby stawić czoła temu wyzwaniu, James Webb ma w zanadrzu jeszcze jedną sztuczkę zwaną koronografią.

Zarówno NIRCam, jak i MIRI posiadają tryby koronografii, których najprostszą formą jest umieszczenie małego metalowego krążka przed jasnym obiektem, aby zablokować jego światło. Wtedy łatwiej będzie Ci obserwować inne, słabsze źródła światła wokół niego. Ale to podejście ma swoje ograniczenia: jeśli jasny obiekt porusza się za dyskiem, jego światło może rozlać się poza krawędzie i zniweczyć obserwacje. Możesz zmniejszyć dysk, tak aby blokował tylko najjaśniejszy centralny punkt obiektu, ale wtedy nadal będziesz miał dużo nadmiaru światła, z którym będziesz musiał sobie poradzić. Można powiększyć dysk, ale wtedy zasłoni on inne obiekty znajdujące się blisko jasnego obiektu.

Istnieje więc inna forma tego trybu koronografii, która wykorzystuje sprzęt zwany czterokwadrantową maską fazową. „To bardzo sprytny element optyki” – powiedział McCaughrean. „Nie ma metalowego dysku, ale ma cztery różne kawałki szkła, które nadają różnym fazom wpadającemu światłu. Kiedy myślimy o świetle jako o fali, a nie o fotonach, światło ma fazę. Jeśli umieścisz jasne źródło dokładnie na krzyżu, gdzie spotykają się cztery różne płyty fazowe, możesz to zrobić wypracuj to tak, aby światło gwiazdy faktycznie zniknęło z powodu interferencji fal efekt."

Oznacza to, że jeśli ustawisz to dokładnie tak, aby jasny obiekt znajdował się dokładnie pośrodku tych ćwiartek, światło gwiazdy zostanie wyeliminowane, ale światło innych obiektów, takich jak planety, nadal będzie widoczny. Dzięki temu idealnie nadaje się do obserwacji egzoplanet krążących blisko swoich gwiazd macierzystych, których w przeciwnym razie nie dałoby się dostrzec.

Wykorzystywanie czasu

Jeszcze innym sposobem poradzenia sobie z mieszanką jasnych i ciemnych obiektów jest dokonywanie wielokrotnych odczytów w czasie. W przeciwieństwie do telefonu, który robi zdjęcie, a następnie natychmiast się resetuje, detektory Webb mogą dokonywać wielu odczytów bez resetowania.

„Możemy więc wykonać serię zdjęć w miarę upływu czasu za pomocą tego samego detektora, w miarę jak gromadzi on światło ze słabych źródeł” – wyjaśnia McCaughrean. „Ale kiedy spojrzymy na dane, możemy wykorzystać pierwsze obrazy jasnych źródeł przed ich nasyceniem, a następnie kontynuować gromadzenie światła ze słabych źródeł i uzyskać czułość. Skutecznie rozszerza zakres dynamiczny poprzez wielokrotny odczyt detektorów.”

Innym trybem, w którym mogą pracować instrumenty, są obserwacje szeregów czasowych, które w zasadzie polegają na wykonywaniu wielu odczytów jeden po drugim w celu uchwycenia obiektów zmieniających się w czasie. Jest to przydatne do fotografowania obiektów, które migają, takich jak pulsujące gwiazdy neutronowe zwane magnetarami, lub do obserwacji egzoplanet poruszających się po tarczy swojej gwiazdy macierzystej w ruchu zwanym tranzytem.

„Gdy planeta przechodzi przed gwiazdą, należy ją uchwycić na krawędziach tranzytu, a także w środku tranzytu” – powiedział McCaughrean. „Więc po prostu to obserwujesz i zbierasz dane”.

Jednym z wyzwań związanych z tą metodą jest to, że wymaga, aby teleskop pozostawał w niemal idealnym ustawieniu, ponieważ nawet niewielkie przesunięcie spowodowałoby wprowadzenie szumu do danych. Ale dobra wiadomość jest taka, że ​​teleskop radzi sobie wyjątkowo dobrze, jeśli chodzi o wskazywanie obiektu i utrzymywanie się w nim miejscu, dzięki czujnikowi dokładnego naprowadzania, który namierza pobliskie gwiazdy i dostosowuje się do wszelkich zakłóceń, takich jak promieniowanie słoneczne wiatry.

Wyzwania w pracy z Webbem

Jak w przypadku każdego elementu technologii, możliwości Webba są ograniczone. Jednym z dużych praktycznych ograniczeń naukowców korzystających z Webba jest ilość danych, które mogą zebrać z teleskopu. W przeciwieństwie do Hubble'a, który krąży wokół Ziemi, Webb okrąża Słońce z prędkością a pozycja zwana L2.

To około 1 milion mil od Ziemi, więc Webb jest wyposażony w potężna antena radiowa który może przesyłać dane z powrotem na Ziemię z szybkością 28 megabitów na sekundę. To całkiem imponujące — jak zauważył McCaughrean, jest to znacznie szybsze niż Wi-Fi w jego hotelu, z którego korzystaliśmy rozmawiać, nawet na znacznie większą odległość — ale nie jest ona bliska całkowitej ilości danych, jakie instrumenty mogą pobrać w ciągu jednego drugi.

Obserwatorium posiada niewielką ilość pamięci półprzewodnikowej, około 60GB, który może rejestrować dane przez krótki czas, jeśli przyrządy zbierają więcej danych, niż można odesłać, działając jako bufor. To może nie wydawać się dużo w porównaniu z rodzajem pamięci, którą zwykle dostajesz w telefonie lub laptopie, ale Wymagania stawiane sprzętowi odpornemu na promieniowanie i wytrzymującemu dziesięciolecia użytkowania są raczej odmienne.

To ograniczenie oznacza, że ​​badacze muszą wybierać priorytetowo dane przesyłane z teleskopu, wybierając tylko te najważniejsze dla swoich potrzeb. Możesz się zastanawiać, dlaczego w tym przypadku Webb nie jest umieszczony bliżej Ziemi, ale orbita L2 jest niezbędna dla jego działania – a powodem są temperatury.

„Ludzie myślą, że w kosmosie jest zimno, no cóż, nie wtedy, gdy znajduje się obok dużego obiektu, który codziennie nagrzewa człowieka, tak jak Ziemia czy Słońce” – powiedział McCaughrean. „Jeśli więc chcesz patrzeć w podczerwieni, musisz upewnić się, że teleskop jest niesamowicie zimny, aby nie emitował fal o długościach, które próbujesz uzyskać wykryć." Właśnie dlatego Webb ma ogromną osłonę przeciwsłoneczną, która pomaga utrzymać chłód, i dlaczego znajduje się na poziomie L2, aby osłona przeciwsłoneczna mogła blokować ciepło zarówno od słońca, jak i słońca. Ziemia.

„Zbudowaliśmy obserwatorium, które musi znajdować się na poziomie L2, musi tam być, aby było zimno, aby mogło dostarczać wiedzy naukowej. A ponieważ jest na poziomie L2, mamy tylko określoną przepustowość” – wyjaśnił McCaughrean. „Nie ma czegoś takiego jak darmowy lunch, ujmijmy to w ten sposób”.

Decyduje społeczność

Pierwszy rok obserwacji Webba jest starannie zaplanowany. Przez pierwsze pięć miesięcy działalności nauki będą nad nim pracować programy naukowe o wczesnych wersjach, które mają na celu przesuwanie granic sprzętu Webba i sprawdzanie, do czego jest on zdolny. W ciągu pierwszego roku będzie pracować nad wybranymi programami Cykl 1, w tym badania egzoplanet, czarnych dziur, głębokich pól i nie tylko.

Poza tym jednak przyszłość, którą należy wykonać przy użyciu Webba, jest w dużej mierze otwarta. Naukowcy składają propozycje dotyczące danych, które chcą zebrać za pomocą Webba, a propozycje te są recenzowane w celu wybrania tych, które są najbardziej interesujące z naukowego punktu widzenia. „Społeczność decyduje, co zostanie zrobione z obserwatorium” – powiedział McCaughrean.

To zaangażowanie społeczności zmieniło już sposób, w jaki wykorzystuje się Webba — na przykład badania egzoplanet zajmują obecnie około jednej trzeciej dostępnego czasu obserwacji w pierwszej rundzie badań. Kiedy na początku XXI wieku McCaughrean i jego współpracownicy planowali, w jaki sposób można wykorzystać Webba, nie wyobrażali sobie prowadzonych byłoby niemal tyle badań egzoplanet, ponieważ odkryto tam tak niewiele egzoplanet czas.

To odróżnia Webba od misji o bardzo konkretnym celu, takich jak obserwatorium Gaia należące do ESA zaprojektowany specjalnie do tworzenia trójwymiarowej mapy galaktyki, bardziej przypominający Hubble'a, który został zaprojektowany, aby sprostać wielu oczekiwaniom potrzeby badawcze. „Zdecydowanie jest to obserwatorium ogólnego przeznaczenia” – powiedział McCaughrean. „Wystarczy spojrzeć na Hubble'a i jego ewolucję na przestrzeni lat. Częściowo poprzez wprowadzenie nowych instrumentów, ale głównie poprzez decyzję społeczności naukowej, że istnieją inne priorytety i różne obszary, którymi należy się zająć”.

Taka elastyczność jest możliwa, ponieważ Webb został zaprojektowany tak, aby był przydatny w badaniach w wielu dziedzinach – w tym w zastosowaniach, o których jeszcze nie pomyśleliśmy. Webb jest przewiduje się, że będzie trwać co najmniej 20 lat, a ledwo zaczęliśmy badać, co może zrobić w tym czasie.

„To właśnie jest ekscytujące. Jeśli zbudujesz bardzo potężne i wydajne obserwatorium ogólnego przeznaczenia, będzie ono pod wieloma względami ograniczone samą kreatywnością społeczności” – powiedział McCaughrean. „Webb jest tym, czym go teraz robimy”.

Zalecenia redaktorów

• James Webb dostrzega starożytny pył, który mógł pochodzić z najwcześniejszych supernowych
• Powiększ oszałamiające zdjęcie Jamesa Webba, aby zobaczyć galaktykę powstałą 13,4 miliarda lat temu
• James Webb dostrzega najdalszą aktywną supermasywną czarną dziurę, jaką kiedykolwiek odkryto
• James Webb dostrzega wskazówki dotyczące wielkoskalowej struktury wszechświata
• James Webb wykrywa ważną cząsteczkę w oszałamiającej mgławicy Oriona