Вот что будет наблюдать космический телескоп Джеймса Уэбба дальше

На прошлой неделе мир собрался вместе, чтобы продемонстрировать редкое международное единство, чтобы с удивлением посмотреть на первые научные изображения полученное космическим телескопом Джеймса Уэбба. Десятилетия создания и результат усилий тысяч людей со всего мира, Телескоп призван совершить революцию в астрономии, позволив нам заглянуть в космос глубже, чем когда-либо. до.

У Уэбба самое большое зеркало, когда-либо запускавшееся в космос, а также самый большой солнцезащитный козырек, и это самый мощный космический телескоп, когда-либо построенный. Первые изображения — это лишь представление о том, на что способна эта замечательная технология. Поэтому, чтобы узнать больше о том, какие будущие научные исследования будут возможны с помощью этого гиганта, мы поговорили с Марком МакКогрином, междисциплинарным ученым Уэбба в Европейском космическом агентстве.

МакКогрин будет одним из первых исследователей, которые будут использовать Уэбба в своих исследованиях. Туманность Орионаи он участвовал в проектировании телескопа более 20 лет. Он рассказал нам всем о том, как Уэбб расширит границы астрономии и позволит сделать открытия, о которых мы даже не догадывались.

Увидеть Вселенную в инфракрасном свете

Когда астрономы впервые начали представлять Уэбба в 1980-х годах, у них был конкретный план: они хотели, чтобы инструмент космологических исследований позволил взглянуть на самые ранние галактики во Вселенной.

Ученые знали, что эти ранние галактики существовали и были близки к тому, чтобы быть доступными для нас, потому что космический телескоп Хаббла наблюдал некоторые довольно ранние галактики. Глядя на длину волны видимого света, Хаббл смог идентифицировать сотни таких галактик, образовавшихся в течение нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва. Но эти галактики уже сформировались, и исследователи хотели оглянуться назад еще дальше, чтобы увидеть, как они действительно формируются.

Для этого им нужен был инструмент, который мог бы смотреть в инфракрасном диапазоне, за пределами видимого света. Это потому, что самые ранние галактики излучали видимый свет точно так же, как и современные галактики. Но Вселенная со временем расширяется, а это значит, что галактики, которые мы видим на небе, удаляются от нас. Чем старше галактика, тем дальше она находится. И это расстояние вызывает явление, называемое красным смещением.

Подобно эффекту Доплера, при котором звуки меняют свою воспринимаемую высоту в зависимости от расстояния между ними. источник и наблюдатель меняются, длина волны света меняется по мере удаления его источника от нас. Этот свет смещается в более красную часть спектра, отсюда и название «красное смещение».

Таким образом, самые старые галактики имеют свет, смещенный в красную сторону настолько, что его больше нельзя наблюдать как видимый свет. Вместо этого он виден как инфракрасный — и это длина волны, на которой работает Уэбб.

Именно так Уэбб может обнаруживать и идентифицировать самые ранние галактики. Если Уэбб сможет увидеть галактику, которая ярко сияет в инфракрасном диапазоне, но тусклая или невидимая для телескопов, работающих в основном в видимом диапазоне как Хаббл, тогда исследователи могут быть уверены, что нашли галактику с сильным красным смещением – то есть она находится очень далеко и, следовательно, очень далеко. старый.

Даже в первое изображение в глубоком поле с Уэбба вы можете увидеть некоторые чрезвычайно старые галактики. Скопление галактик, которое находится в фокусе изображения, имеет возраст 4,6 миллиарда лет, но из-за своей массы оно искривляет вокруг себя пространство-время. Это означает, что свет, исходящий от галактик за этим скоплением, также искривляется, поэтому скопление действует как увеличительное стекло в эффекте, называемом гравитационным линзированием. Некоторые из галактик Их возраст, наблюдаемый в этом глубоком поле зрения, составляет около 13 миллиардов лет, то есть они сформировались в первый миллиард лет существования Вселенной.

Расширяемся, чтобы делать больше

Однако если Уэбб изначально задумывался как инструмент космологии, то вскоре он расширился и стал гораздо большим.

За десятилетия планирования Уэбба дизайнеры поняли, что создаваемый ими инструмент можно использовать в гораздо более разнообразных областях, чем просто космология. Они добавили новые инструменты, такие как MIRI, который смотрит в среднем инфракрасном диапазоне, а не в ближнем инфракрасном диапазоне, и более полезен для изучения формирования звезд и планет, чем для космологии. Эта разница создает свои собственные проблемы, поскольку этот инструмент разные детекторы от других инструментов и требует своего собственный кулер. Но, наряду с другими инструментами, он расширяет возможности Уэбба до целого ряда возможностей.

«Изначально телескоп был сосредоточен больше на Вселенной с высоким красным смещением», — резюмировал МакКогрин. «Это была высшая цель — найти первые звезды и галактики, образовавшиеся после Большого взрыва. Все остальное после этого «приятно иметь». Но в ходе проекта нам удалось превратить это в четыре темы: космология, звездообразование, планетология и эволюция галактик. И мы позаботились о том, чтобы обсерватория была способна на все это».

Камеры и спектрографы

У Уэбба есть четыре инструмента на борту: камера ближнего инфракрасного диапазона или NIRCam, спектрограф ближнего инфракрасного диапазона или NIRSpec, формирователь изображения и безщелевой спектрограф ближнего инфракрасного диапазона или NIRISS, а также прибор среднего инфракрасного диапазона или МИРИ. Также имеется датчик под названием Fine Guidance Sensor (FGS), который помогает направить телескоп в правильном направлении.

Инструменты представляют собой смесь камер и спектрографов, которые представляют собой инструменты для разделения света на разные длины волн, чтобы вы могли видеть, какие длины волн были поглощены. Это позволяет увидеть, из чего состоит объект, глядя на свет, который он излучает.

Хотя изображения, сделанные камерами, привлекают наибольшее внимание общественности, не следует недооценивать спектрографы как научный инструмент. Около половины отведенного в настоящее время времени наблюдений посвящено спектроскопии для таких задач, как анализ состава атмосфер экзопланет. Частично это связано с тем, что для получения спектра объекта требуется больше времени, чем для получения его изображения, а частично потому, что спектроскопия может делать то, на что не способна визуализация.

Камеры и спектрографы также работают вместе, поскольку фильтры, используемые при построении изображений, полезны для выбора объектов для изучения с помощью спектрографов.

«Представьте, что вы делаете глубокое поле и делаете несколько глубоких изображений с помощью NIRCam», — объяснил МакКогрин. «Затем вы используете разные фильтры для отбора кандидатов, потому что в этой области будет слишком много вещей, которые нужно будет рассматривать один за другим с помощью спектроскопии. Поэтому вам нужны изображения, чтобы найти кандидатов», например, глядя на цвета на изображении, чтобы решить, что данный объект является, скажем, галактикой с большим красным смещением, а не слабой ближайшей звездой.

Это уже было продемонстрировано на практике, Первое изображение Уэбба в глубоком поле. Снимки были сделаны с помощью камеры NIRCam, которая смогла запечатлеть огромное количество галактик, как близких, так и далеких, на одном потрясающем изображении. Затем определенные цели, такие как галактика возрастом более 13 миллиардов лет, были выбраны и наблюдались с помощью спектрографа NIRSpec, собирая данные о составе и температуре этой ранней галактики.

«Это такой красивый, чистый спектр», — сказал МакКогрин. «Никто никогда и нигде не видел ничего подобного. Итак, теперь мы знаем, что эта машина работает невероятно мощно».

Несколько режимов

Чтобы понять все возможности Уэбба, вы должны знать, что у каждого из четырех инструментов не только один режим — их можно использовать разными способами для поиска разных целей. Всего существует 17 режимов между четырьмя инструментами, и каждый из них необходимо было протестировать и проверить, прежде чем телескоп будет объявлен готовым к началу научных операций.

Например, возьмем прибор NIRSpec. Он может выполнять несколько типов спектроскопии, включая спектроскопию с фиксированной щелью, которая является высокочувствительным режимом исследования отдельных целей. (например, анализ света, испускаемого слиянием нейтронных звезд, называемого килоновой) или спектроскопия полевых единиц, которая рассматривает спектры нескольких пикселей на небольшой площади, чтобы получить контекстную информацию о цели (например, если смотреть на чрезвычайно далекую галактику, искаженную гравитацией). линзирование).

Третий тип спектроскопии, которую делает NIRSpec, — это нечто действительно особенное, называемое многообъектной спектроскопией. В нем используются крошечные оконные ставни, организованные в формат, называемый массивом микроставней. «По сути, это небольшие устройства диаметром пару сантиметров, которых у нас четыре. В каждом из этих устройств имеется 65 000 маленьких отдельных жалюзи», — сказал МакКогрин.

Каждую из этих ставней можно индивидуально контролировать, открывая или закрывая, что позволяет исследователям выбирать, на какие части поля они смотрят. Чтобы использовать эти микрозатворы, исследователи сначала делают изображение с помощью другого инструмента, такого как NIRCam, чтобы выбрать интересующие объекты. Затем они командуют ставням, соответствующим этим интересующим объектам, открыться, в то время как остальные остаются закрытыми.

Это позволяет свету от целей, таких как отдельные галактики, проникать на детекторы телескопа, не допуская просачивания света от фона. «Открывая только дверь, где находится галактика, и закрывая все остальные двери, когда свет проникнет из Этот объект распространяется по спектру, и весь остальной свет не проходит через него», — МакКогрин. сказал. «Это делает его более чувствительным».

Эту многообъектную спектроскопию можно использовать для изучения конкретных галактик на изображениях с глубоким полем зрения, что особенно полезно для изучения самых ранних галактик с сильным красным смещением. Этот метод способен получать спектры от 100 объектов одновременно, что делает его очень эффективным способом сбора данных.

Борьба со слишком большим количеством света

Как показывают микрозатворы, одна сложная часть работы с высокочувствительными инструментами — это слишком много света. Возьмите работу Джеймса Уэбба сделаю на Юпитере в первые несколько месяцев работы — на самом деле очень сложно представить кольца и спутники вокруг Юпитера, потому что сама планета очень яркая. Если слабый объект, который вы пытаетесь наблюдать, находится рядом с очень ярким, он может испортить ваши показания, и вы увидите только свет более яркого объекта.

Аналогичная проблема возникает, когда вы пытаетесь наблюдать далекие экзопланеты, которые очень тусклы по сравнению со звездами, вокруг которых они вращаются. Чтобы справиться с этой проблемой, у Джеймса Уэбба есть еще один трюк — коронография.

И NIRCam, и MIRI имеют режимы коронографии, самая простая форма которых — поместить небольшой металлический диск перед ярким объектом, чтобы заблокировать его свет. Тогда вам будет легче наблюдать за другими, более тусклыми источниками света вокруг него. Но у этого подхода есть свои ограничения: если яркий объект движется за диском, его свет может вылиться за края и испортить наблюдения. Вы могли бы уменьшить размер диска, чтобы он блокировал только центральную, самую яркую точку объекта, но тогда вам все равно придется иметь дело с большим количеством избыточного света. Вы могли бы увеличить диск, но тогда он заблокировал бы другие объекты, находящиеся близко к яркому объекту.

Итак, есть еще одна форма этого режима коронографии, в которой используется аппаратное обеспечение, называемое четырехквадрантной фазовой маской. «Это очень умная оптика», — сказал МакКогрин. «У него нет металлического диска, но есть четыре разных куска стекла, которые придают разные фазы входящему свету. Когда мы думаем о свете как о волне, а не как о фотонах, у света есть фаза. Если вы поместите яркий источник прямо на крест, где встречаются четыре разные фазовые пластины, вы сможете подумайте так, чтобы свет от звезды фактически гасился из-за волновой интерференции эффект."

Это означает, что если вы выровняете его так, чтобы яркий объект находился точно посередине этих квадрантов, свет звезды будет погашен, но свет других объектов, таких как планеты, все равно останется. видно. Это делает его идеальным для наблюдения за экзопланетами, вращающимися вблизи своих звезд-хозяев, которые иначе было бы невозможно увидеть.

Использование времени

Еще один способ справиться с сочетанием ярких и тусклых объектов — это снимать несколько показаний с течением времени. В отличие от телефона, который делает снимок и тут же перезагружается, детекторы в Webb могут снимать несколько показаний без сброса.

«Таким образом, мы можем сделать серию снимков с помощью одного и того же детектора, поскольку он накапливает свет от слабых источников», — объясняет МакКогрин. «Но когда мы смотрим на данные, мы можем использовать первые изображения ярких источников до того, как они насытятся, а затем продолжать наращивать свет от слабых источников и получать чувствительность. Он эффективно расширяет динамический диапазон, многократно считывая показания детекторов».

Другой режим, в котором могут работать инструменты, называется наблюдением временных рядов, который, по сути, просто снимает множество показаний одно за другим, чтобы фиксировать объекты, которые изменяются с течением времени. Это полезно для съемки вспыхивающих объектов, таких как пульсирующие нейтронные звезды, называемые магнетарами, или для наблюдения за экзопланетами, которые движутся по поверхности своей родительской звезды в движении, называемом транзитом.

«Когда планета проходит перед звездой, вы хотите поймать ее как на краях транзита, так и в середине транзита», — сказал МакКогрин. «Так что вы просто продолжаете наблюдать за этим и продолжаете собирать данные».

Одна из проблем этого метода заключается в том, что он требует, чтобы телескоп оставался почти идеально выровненным, потому что, если бы он сдвинулся хотя бы незначительно, это внесло бы шум в данные. Но хорошая новость заключается в том, что телескоп работает очень хорошо с точки зрения наведения на объект и удержания его на расстоянии. место благодаря датчику точного наведения, который фиксируется на близлежащих звездах и адаптируется к любым возмущениям, таким как солнечные лучи. ветры.

Проблемы в работе с Уэббом

Как и в случае с любой технологией, возможности Уэбба имеют ограничения. Одним из больших практических ограничений для ученых, использующих Уэбб, является объем данных, которые они могут собрать с телескопа. В отличие от Хаббла, который вращается вокруг Земли, Уэбб вращается вокруг Солнца со скоростью позиция под названием L2.

Это примерно в 1 миллионе миль от Земли, поэтому Уэбб оснащен мощная радиоантенна который может отправлять данные обратно на Землю со скоростью 28 мегабит в секунду. Это довольно впечатляюще — как отметил МакКогрин, это значительно быстрее, чем Wi-Fi в его отеле, которым мы пользовались. разговаривать, даже на гораздо большем расстоянии — но это далеко не тот общий объём данных, который могут принять приборы за один раз. второй.

В обсерватории есть небольшое количество твердотельных накопителей. около 60 ГБ, который может записывать данные в течение короткого времени, если приборы собирают больше данных, чем можно отправить обратно, действуя как буфер. Это может показаться не так уж и много по сравнению с объемом памяти, который вы обычно имеете на телефоне или ноутбуке, но Требования к оборудованию, которое безопасно от радиации и способно выдерживать десятилетия использования, совершенно разные.

Это ограничение означает, что исследователям приходится избирательно выбирать, какие данные они отдают приоритетным в нисходящей линии связи от телескопа, выбирая только самые важные данные для своих нужд. Вы можете задаться вопросом, почему в таком случае Уэбб не расположен ближе к Земле, но орбита L2 важна для его работы – и причина в температурах.

«Люди думают, что космос холодный, но только не в том случае, если вы находитесь рядом с большим объектом, который нагревает вас каждый день, например, с Землей или Солнцем», — сказал МакКогрин. «Поэтому, если вы хотите посмотреть в инфракрасном диапазоне, вам нужно убедиться, что ваш телескоп невероятно холодный, чтобы он не излучал волны на тех длинах волн, которые вы пытаетесь увидеть. обнаружить». Вот почему у Уэбба есть огромный солнцезащитный козырек, который помогает сохранять прохладу, и почему он находится на уровне L2, чтобы солнцезащитный козырек мог блокировать тепло как от солнца, так и от солнца. Земля.

«Мы построили обсерваторию, которая должна находиться на L2, чтобы она охлаждалась, чтобы она могла проводить эту науку. А поскольку он находится на уровне L2, у нас есть только определенная пропускная способность», — объяснил МакКогрин. «Нет такого понятия, как бесплатный обед, скажем так».

Сообщество решает

Первый год наблюдений Уэбба тщательно спланирован. В первые пять месяцев научной деятельности он будет работать над научные программы раннего выпуска, которые предназначены для того, чтобы расширить возможности аппаратного обеспечения Уэбба и посмотреть, на что оно способно. В течение первого года он будет работать над программами, включенными в Цикл 1, включая исследования экзопланет, черных дыр, глубоких полей и многого другого.

Однако, помимо этого, будущая работа с использованием Webb в значительной степени открыта. Исследователи подают предложения о том, какие данные они хотят собрать с помощью Уэбба, и эти предложения проходят рецензирование, чтобы выбрать те, которые наиболее интересны с научной точки зрения. «Сообщество решает, что делать с обсерваторией», — сказал МакКогрин.

Такое участие сообщества уже изменило способ использования Уэбба — например, исследование экзопланет в настоящее время занимает около трети доступного времени наблюдений в первом раунде исследований. Когда МакКогрин и его коллеги планировали, как можно использовать Уэбба в начале 2000-х, они не представляли, было бы проведено столько же исследований экзопланет, потому что на тот момент было обнаружено так мало экзопланет. время.

Это отличает Уэбб от миссий с очень конкретной целью, таких как обсерватория ЕКА Гайя, которая разработан специально для создания 3D-карты галактики и больше похож на Хаббл, который был разработан для удовлетворения многих исследовательские потребности. «Это определенно обсерватория общего назначения», — сказал МакКогрин. «Вам нужно только посмотреть на Хаббл и на то, как он развивался с годами. Частично за счет внедрения новых инструментов, но в основном за счет того, что научное сообщество решило, что существуют разные приоритеты и разные области, которыми необходимо заниматься».

Такая гибкость возможна, потому что Webb предназначен для исследований во многих областях, включая приложения, о которых мы еще не думали. Уэбб по прогнозам, продлится по крайней мере 20 лет, и мы едва начали исследовать, что он может сделать за это время.

«Это самая захватывающая вещь. Если вы построите очень мощную, очень функциональную обсерваторию общего назначения, она во многом будет ограничена только творчеством сообщества», — сказал МакКогрин. «Уэбб — это то, что мы делаем сейчас».

Рекомендации редакции

• Джеймс Уэбб обнаружил древнюю пыль, которая могла быть результатом самых ранних сверхновых
• Увеличьте потрясающее изображение Джеймса Уэбба, чтобы увидеть галактику, образовавшуюся 13,4 миллиарда лет назад.
• Джеймс Уэбб обнаружил самую далекую активную сверхмассивную черную дыру, когда-либо обнаруженную
• Джеймс Уэбб нашел ключ к разгадке крупномасштабной структуры Вселенной
• Джеймс Уэбб обнаружил важную молекулу в потрясающей туманности Ориона