Iată ce va observa telescopul spațial James Webb în continuare

Lumea s-a reunit săptămâna trecută într-un spectacol rar de unitate internațională pentru a se uita cu mirare la primele imagini științifice produs de telescopul spațial James Webb. Decenii în realizarea și rezultatul eforturilor a mii de oameni de pe tot globul, Telescopul este setat să revoluționeze astronomia, permițându-ne să privim mai adânc în cosmos decât oricând inainte de.

Webb are cea mai mare oglindă lansată vreodată în spațiu, precum și cel mai mare parasolar și este cel mai puternic telescop spațial construit vreodată. Primele imagini sunt doar o gustare a ceea ce este capabilă să facă această piesă remarcabilă de tehnologie. Așadar, pentru a afla mai multe despre ce cercetare științifică viitoare va fi activată de acest gigante, am vorbit cu Mark McCaughrean, om de știință interdisciplinar Webb la Agenția Spațială Europeană.

McCaughrean va fi unul dintre primii cercetători care l-au folosit pe Webb pentru munca sa în Nebuloasa Orion, și a fost implicat în planificarea telescopului de mai bine de 20 de ani. El ne-a spus totul despre modul în care Webb va depăși granițele astronomiei și va permite descoperiri pe care nici nu am început să ni le imaginăm.

Văzând universul în infraroșu

Când astronomii au început să-l imagineze pe Webb în anii 1980, au avut în minte un plan specific: doreau un instrument de cercetare a cosmologiei care să privească înapoi la cele mai vechi galaxii din univers.

Oamenii de știință știau că aceste galaxii timpurii erau acolo și erau aproape de a fi accesibile pentru noi, deoarece Telescopul Spațial Hubble observase câteva galaxii destul de timpurii. Privind în lungimea de undă a luminii vizibile, Hubble a putut identifica sute de aceste galaxii, care s-au format în câteva sute de milioane de ani de la Big Bang. Dar aceste galaxii se formaseră deja, iar cercetătorii au vrut să privească înapoi și mai departe, pentru a le vedea formându-se efectiv.

Pentru a face asta, aveau nevoie de un instrument care să poată privi în lungimea de undă infraroșie, dincolo de lumina vizibilă. Asta pentru că cele mai vechi galaxii emanau lumină vizibilă, la fel ca galaxiile de astăzi. Dar universul se extinde în timp și asta înseamnă că galaxiile pe care le vedem pe cer se îndepărtează de noi. Cu cât galaxia este mai veche, cu atât este mai departe. Și această distanță provoacă un fenomen numit redshift.

Similar cu efectul Doppler, în care sunetele își schimbă înălțimea percepută ca distanță între sursa și observatorul se schimbă, lungimea de undă a luminii se modifică pe măsură ce sursa sa se îndepărtează de S.U.A. Această lumină este deplasată la capătul mai roșu al spectrului, de unde și numele de deplasare către roșu.

Prin urmare, cele mai vechi galaxii au lumină care este deplasată în roșu atât de mult încât nu mai este observabilă ca lumină vizibilă. În schimb, este vizibil ca infraroșu - și aceasta este lungimea de undă în care operează Webb.

Acesta este modul în care Webb este capabil să detecteze și să identifice cele mai vechi galaxii. Dacă Webb poate vedea o galaxie care strălucește puternic în infraroșu, dar care este slabă sau invizibilă pentru telescoapele bazate în lumină vizibilă în principal precum Hubble, atunci cercetătorii pot fi încrezători că au găsit o galaxie care este extrem de deplasată spre roșu - ceea ce înseamnă că este foarte departe și, prin urmare, foarte vechi.

Chiar și în prima imagine de câmp profund din Webb, puteți vedea câteva galaxii extrem de vechi. Clusterul de galaxii care este în centrul imaginii are o vechime de 4,6 miliarde de ani, dar din cauza masei sale, curbează spațiu-timpul în jurul său. Aceasta înseamnă că și lumina care vine din galaxiile din spatele acestui cluster este curbată, astfel încât clusterul acționează ca o lupă într-un efect numit lentilă gravitațională. Unele dintre galaxii văzute în acest câmp profund au aproximativ 13 miliarde de ani, adică s-au format în primul miliard de ani ai universului.

Extindere pentru a face mai mult

Dacă Webb a fost conceptualizat inițial ca un instrument de cosmologie, totuși, în curând s-a extins pentru a deveni mult mai mult decât atât.

De-a lungul deceniilor de planificare pentru Webb, designerii și-au dat seama că instrumentul pe care îl construiau ar putea fi folosit în domenii mult mai diverse decât doar cosmologie. Au adăugat instrumente noi, cum ar fi MIRI, care arată mai degrabă în lungimea de undă în infraroșu mijlociu decât în ​​infraroșu apropiat și este mai util pentru studierea formării stelelor și planetelor decât cosmologiei. Această diferență aduce propria sa provocare, așa cum are acest instrument detectoare diferite de la celelalte instrumente și cere acestuia frigider propriu. Dar, împreună cu alte instrumente, extinde ceea ce Webb poate face într-o gamă întreagă de posibilități.

„Concentrarea inițială a telescopului a fost mult mai mult pe universul cu deplasare spre roșu”, a rezumat McCaughrean. „Acesta a fost cel mai înalt obiectiv, găsirea primelor stele și galaxii care s-au format după Big Bang. Orice altceva după aceea este „drăguț de avut”. Dar pe parcursul progresului proiectului, am reușit să transformăm asta în patru teme: cosmologie, formarea stelelor, știința planetară și evoluția galaxiilor. Și ne-am asigurat că observatorul va fi capabil de toate acestea.”

Camere și spectrografe

Webb are patru instrumente la bord: camera cu infraroșu apropiat sau NIRCam, spectrograful cu infraroșu apropiat sau NIRSpec, Near Infrared Imager și Slitless Spectrograph sau NIRISS și Instrumentul Mid-Infrared sau MIRI. Există, de asemenea, un senzor numit Senzor de ghidare fină (FGS), care ajută la îndreptarea telescopului în direcția corectă.

Instrumentele sunt un amestec de camere și spectrografe, care sunt instrumente pentru împărțirea luminii în lungimi de undă diferite, astfel încât să puteți vedea ce lungimi de undă au fost absorbite. Acest lucru vă permite să vedeți din ce este compus un obiect privind lumina pe care o emană.

În timp ce imaginile realizate de camere atrage cea mai mare atenție publică, spectrografele nu trebuie subestimate ca instrument științific. Aproximativ jumătate din timpul de observare alocat în prezent este dedicat spectroscopiei, pentru sarcini precum analiza compoziției atmosferelor exoplanetelor. Parțial, asta se datorează faptului că este nevoie de mai mult timp pentru a lua un spectru al unui obiect decât pentru a realiza o imagine a acestuia și, în parte, pentru că spectroscopia poate face lucruri pe care imagistica nu le poate face.

Camerele și spectrografele funcționează, de asemenea, împreună, deoarece filtrele utilizate în imagistica sunt utile pentru selectarea obiectelor de studiat cu spectrografele.

„Imaginați-vă că faceți un câmp profund, luând niște imagini profunde cu NIRCam”, a explicat McCaughrean. „Apoi folosiți filtre diferite pentru a selecta candidații, pentru că vor fi mult prea multe lucruri pe care să le urmăriți în acest domeniu unul câte unul cu spectroscopie. Așadar, aveți nevoie de imagini pentru a găsi candidații”, cum ar fi uitându-vă la culorile dintr-o imagine pentru a decide că un anumit obiect este, de exemplu, o galaxie cu deplasare spre roșu mare și nu o stea slabă din apropiere.

Acest lucru a fost deja demonstrat în practică, cu Prima imagine de câmp profund a lui Webb. Imaginile au fost realizate cu camera NIRCam, care a fost capabilă să capteze un număr mare de galaxii atât în ​​apropiere, cât și în depărtare, într-o singură imagine uimitoare. Apoi anumite ținte, cum ar fi a galaxie veche de peste 13 miliarde de ani, au fost selectate și observate cu spectrograful NIRSpec, adunând date despre compoziția și temperatura acestei galaxii timpurii.

„Este un spectru atât de frumos și curat”, a spus McCaughrean. „Nimeni nu a mai văzut așa ceva de nicăieri. Deci acum știm că această mașină funcționează incredibil de puternic.”

Moduri multiple

Pentru a înțelege capacitățile complete ale Webb, ar trebui să știți că cele patru instrumente nu au un singur mod fiecare - ele pot fi utilizate în mai multe moduri pentru a privi diferite ținte. În total, există 17 moduri între cele patru instrumente, iar fiecare dintre acestea a trebuit să fie testat și verificat înainte ca telescopul să fie declarat pregătit pentru a începe operațiunile științifice.

De exemplu, luați instrumentul NIRSpec. Poate efectua mai multe tipuri de spectroscopie, inclusiv spectroscopie cu fantă fixă, care este un mod extrem de sensibil pentru investigarea țintelor individuale (cum ar fi analiza luminii emise prin fuziunea stelelor neutronice numite kilonova) sau spectroscopia unității de câmp, care analizează spectre pentru mai multe pixeli pe o zonă mică pentru a obține informații contextuale despre o țintă (cum ar fi să privești o galaxie extrem de îndepărtată care a fost deformată de gravitație lentile).

Al treilea tip de spectroscopie pe care NIRSpec îl face este ceva cu adevărat special numit spectroscopie cu mai multe obiecte. Folosește obloane mici asemănătoare ferestrelor aranjate într-un format numit matrice de microobturatoare. „Practic, sunt dispozitive mici de câțiva centimetri diametru, dintre care avem patru. În fiecare dintre aceste dispozitive, există 65.000 de obloane mici individuale”, a spus McCaughrean.

Fiecare dintre aceste obloane poate fi controlat individual pentru deschiderea sau închiderea, permițând cercetătorilor să selecteze ce părți ale câmpului se uită. Pentru a utiliza aceste microobturatoare, cercetătorii fac mai întâi o imagine folosind un alt instrument precum NIRCam pentru a selecta obiectele de interes. Apoi ordonă să se deschidă obloanele corespunzătoare acestor obiecte de interes, în timp ce celelalte rămân închise.

Acest lucru permite luminii de la ținte, cum ar fi anumite galaxii, să strălucească prin detectoarele telescopului, fără a permite și luminii din fundal să se scurgă. „Doar deschizând ușa unde se află galaxia și închizând toate celelalte uși, când lumina trece prin acel obiect, se răspândește într-un spectru și nu vei trece toată cealaltă lumină prin el”, McCaughrean. a spus. „Asta îl face mai sensibil.”

Această spectroscopie cu mai multe obiecte poate fi folosită pentru a privi anumite galaxii în imagini de câmp profund, ceea ce este util în special pentru studiul celor mai vechi galaxii care sunt foarte deplasate spre roșu. Și această metodă este capabilă să obțină spectre de la până la 100 de obiecte simultan, ceea ce o face o modalitate foarte eficientă de a colecta date.

Se confruntă cu prea multă lumină

După cum demonstrează microobturatoarele, o parte dificilă a lucrului cu instrumente extrem de sensibile este să se ocupe de prea multă lumină. Luați-o pe James Webb va face pe Jupiter în primele luni de funcționare – este de fapt foarte greu să imaginezi inelele și lunile din jurul lui Jupiter, deoarece planeta în sine este atât de strălucitoare. Dacă obiectul slab pe care încercați să-l observați este lângă unul foarte luminos, vă poate exploda citirile, astfel încât tot ce vedeți este lumina de la obiectul mai luminos.

O problemă similară apare atunci când încercați să observați exoplanete îndepărtate, care sunt foarte slabe în comparație cu stelele pe care le orbitează. Pentru a face față acestei provocări, James Webb are un alt truc în mânecă numit coronografie.

Atât NIRCam, cât și MIRI au moduri de coronografie, cea mai simplă formă este de a plasa un mic disc de metal în fața obiectului luminos pentru a-i bloca lumina. Apoi puteți observa mai ușor celelalte surse de lumină mai slabe din jurul său. Dar această abordare are limitările sale: dacă obiectul luminos se mișcă în spatele discului, lumina sa se poate revărsa peste margini și poate ruina observațiile. Ai putea face discul mai mic, astfel încât să blocheze doar punctul central cel mai strălucitor al obiectului, dar atunci vei avea totuși multă lumină în exces de care să faci față. Ai putea face discul mai mare, dar apoi ar bloca alte obiecte care sunt aproape de obiectul luminos.

Deci, există o altă formă a acestui mod de coronografie care utilizează hardware numit masca de fază cu patru cadrane. „Aceasta este o piesă optică foarte inteligentă”, a spus McCaughrean. „Nu are un disc metalic, dar are patru bucăți diferite de sticlă care conferă faze diferite luminii care intră. Când ne gândim la lumină ca o undă, mai degrabă decât ca fotoni, lumina are o fază. Dacă puneți sursa strălucitoare chiar pe crucea unde se întâlnesc cele patru plăci de fază diferite, puteți rezolvați-l astfel încât lumina să se anuleze de la stea, din cauza interferenței undei efect."

Asta înseamnă că dacă îl aliniezi exact astfel încât obiectul luminos să fie exact în mijlocul acestor cadrane, lumina de la stea va fi anulată, dar lumina de la alte obiecte precum planetele va fi în continuare vizibil. Acest lucru îl face ideal pentru observarea exoplanetelor care orbitează aproape de stelele gazdă, care altfel ar fi imposibil de văzut.

Folosind timpul

Un alt mod de a gestiona un amestec de obiecte luminoase și slabe este să luați mai multe citiri de-a lungul timpului. Spre deosebire de ceva de genul telefonului dvs., care face o fotografie și apoi se resetează imediat, detectoarele din Webb pot face mai multe citiri fără a fi resetate.

„Deci putem face o serie de fotografii de-a lungul timpului cu același detector, deoarece acumulează lumina din sursele slabe”, explică McCaughrean. „Dar când ne uităm la date, putem folosi primele imagini pentru sursele luminoase înainte ca acestea să se sature, apoi continuăm să acumulam lumină de la sursele slabe și să obținem sensibilitate. Extinde în mod eficient intervalul dinamic prin citirea detectorilor de mai multe ori.”

Un alt mod în care instrumentele pot funcționa se numește observații în serie de timp, care practic este doar luarea mai multor citiri una după alta pentru a captura obiecte care se schimbă în timp. Acest lucru este util pentru a captura obiecte care fulgeră, cum ar fi stele cu neutroni pulsatori numite magnetari sau pentru a privi exoplanete care se mișcă pe fața stelei gazdă într-o mișcare numită tranzit.

„Pe măsură ce o planetă tranzitează în fața stelei, vrei să o prinzi la marginile tranzitului, precum și la mijlocul tranzitului”, a spus McCaughrean. „Deci continui să-l urmărești și continui să iei date.”

O provocare cu această metodă este că necesită ca telescopul să rămână într-o aliniere aproape perfectă, deoarece dacă s-ar mișca chiar și ușor, ar introduce zgomot în date. Dar vestea bună este că telescopul funcționează extrem de bine în ceea ce privește îndreptarea către un obiect și rămânerea înăuntru loc, datorită senzorului de ghidare fină care se fixează pe stelele din apropiere și se reglează pentru orice perturbări, cum ar fi solare vânturi.

Provocări în lucrul cu Webb

Ca în cazul oricărei piese de tehnologie, există limitări în ceea ce poate face Webb. Una dintre marile limitări practice pentru oamenii de știință care folosesc Webb este cantitatea de date pe care o pot colecta de la telescop. Spre deosebire de Hubble, care orbitează în jurul Pământului, Webb orbitează în jurul Soarelui la a pozitia numita L2.

Este la aproximativ 1 milion de mile distanță de Pământ, așa că Webb este echipat cu un antenă radio puternică care poate trimite date înapoi pe Pământ cu o rată de 28 de megabiți pe secundă. Este destul de impresionant - așa cum a subliniat McCaughrean, este substanțial mai rapid decât Wi-Fi-ul de la hotelul său pe care îl folosim. pentru a vorbi, chiar și pe o distanță mult mai mare - dar nu este aproape de cantitatea totală de date pe care o pot prelua instrumentele pe al doilea.

Observatorul are o cantitate mică de stocare în stare solidă, aproximativ 60 GB, care poate înregistra date pentru o perioadă scurtă de timp dacă instrumentele colectează mai multe date decât pot fi trimise înapoi, acționând ca un buffer. S-ar putea să nu sune prea mult în comparație cu tipul de spațiu de stocare pe care îl obțineți de obicei pe un telefon sau laptop, dar Cerințele hardware-ului care este în siguranță împotriva radiațiilor și poate rezista până la decenii de utilizare sunt destul de diferite.

Această limitare înseamnă că cercetătorii trebuie să fie selectivi cu privire la datele pe care le acordă prioritate în legăturile în jos de la telescop, alegând doar datele cele mai vitale pentru nevoile lor. S-ar putea să vă întrebați de ce Webb nu este poziționat mai aproape de Pământ în acest caz, dar orbita L2 este esențială pentru modul în care funcționează - iar motivul se datorează temperaturilor.

„Oamenii cred că spațiul este rece, ei bine, nu dacă ești lângă un obiect mare care te încălzește în fiecare zi, precum Pământul sau Soarele”, a spus McCaughrean. „Deci, dacă vrei să privești în infraroșu, trebuie să te asiguri că telescopul tău este incredibil de rece, astfel încât să nu emite la lungimile de undă pe care încerci să le faci. detecta." De aceea, Webb are un parasolar enorm pentru a ajuta la menținerea rece și de ce este la L2, astfel încât parasolarul poate bloca căldura atât de la soare, cât și de la Pământ.

„Am construit un observator care trebuie să fie la L2, trebuie să fie acolo pentru a se răci, astfel încât să poată furniza această știință. Și pentru că este la L2, avem doar o anumită lățime de bandă”, a explicat McCaughrean. „Nu există un prânz gratuit, să spunem așa.”

Comunitatea decide

Primul an de observații Webb este atent planificat. În primele cinci luni de operațiuni științifice, va funcționa programe științifice de lansare timpurie, care sunt cele concepute pentru a depăși limitele hardware-ului Webb și pentru a vedea de ce este capabil. În primul său an, va lucra la programe în care au fost selectate Ciclul 1, inclusiv cercetări despre exoplanete, găuri negre, câmpuri adânci și multe altele.

Dincolo de asta, totuși, munca viitoare care trebuie făcută folosind Webb este în mare parte deschisă. Cercetătorii trimit propuneri pentru datele pe care doresc să le colecteze folosind Webb, iar aceste propuneri sunt revizuite de către colegi pentru a le selecta pe cele mai interesante din punct de vedere științific. „Comunitatea decide ce se face cu observatorul”, a spus McCaughrean.

Această implicare a comunității a schimbat deja modul în care este folosit Webb - de exemplu, cercetarea exoplanetă ocupă în prezent aproximativ o treime din timpul de observare disponibil în prima rundă de cercetare. Când McCaughrean și colegii săi plănuiau cum ar putea fi folosit Webb la începutul anilor 2000, nu și-au imaginat s-ar face oriunde în apropierea atât de multă cercetare exoplanetă, deoarece atât de puține exoplanete au fost descoperite la acel moment. timp.

Acest lucru îl face pe Webb diferit de misiunile cu un scop foarte specific, cum ar fi observatorul Gaia al ESA, adică conceput special pentru a face o hartă 3D a galaxiei și mai mult ca Hubble, care a fost conceput pentru a satisface mulți nevoile de cercetare. „Este cu siguranță un observator cu scop general”, a spus McCaughrean. „Nu trebuie decât să te uiți la Hubble și la modul în care a evoluat de-a lungul anilor. Parțial prin introducerea de noi instrumente, dar mai ales prin faptul că comunitatea științifică decide că există priorități diferite și domenii diferite care trebuie făcute.”

Această flexibilitate este posibilă deoarece Webb este conceput pentru a fi util pentru cercetare într-o mulțime de domenii - inclusiv aplicații la care nu ne-am gândit încă. Webb este proiectat să dureze cel puțin 20 de ani și abia am început să explorăm ce ar putea face în acel timp.

„Acesta este lucrul interesant. Dacă construiești un observator cu scop general foarte puternic, foarte capabil, acesta este limitat în multe privințe doar de creativitatea comunității”, a spus McCaughrean. „Webb este ceea ce facem din asta acum.”

Recomandările editorilor

• James Webb observă praful străvechi care ar putea proveni din cele mai vechi supernove
• Măriți imaginea uimitoare a lui James Webb pentru a vedea o galaxie formată în urmă cu 13,4 miliarde de ani
• James Webb observă cea mai îndepărtată gaură neagră supermasivă activă descoperită vreodată
• James Webb găsește indicii despre structura pe scară largă a universului
• James Webb detectează o moleculă importantă în uimitoarea nebuloasă Orion