Toto bude ďalej pozorovať vesmírny teleskop Jamesa Webba

Svet sa minulý týždeň zišiel na vzácnom prejave medzinárodnej jednoty, aby naňho s úžasom hľadel prvé vedecké obrázky vyrobené vesmírnym teleskopom Jamesa Webba. Desaťročia vo výrobe a výsledok úsilia tisícov ľudí z celého sveta Teleskop je nastavený na revolúciu v astronómii tým, že nám umožní nahliadnuť hlbšie do vesmíru ako kedykoľvek predtým predtým.

Webb má najväčšie zrkadlo, aké kedy bolo vypustené do vesmíru, ako aj najväčšiu slnečnú clonu a je to najvýkonnejší vesmírny teleskop, aký bol kedy vyrobený. Prvé obrázky sú len ochutnávkou toho, čo tento pozoruhodný kus technológie dokáže. Aby sme sa teda dozvedeli viac o tom, aký budúci vedecký výskum umožní toto monštrum, porozprávali sme sa s Markom McCaughreanom, Webbovým interdisciplinárnym vedcom z Európskej vesmírnej agentúry.

McCaughrean bude jedným z prvých výskumníkov, ktorí použili Webba pre svoju prácu v oblasti Hmlovina Orión, pričom plánovaniu ďalekohľadu sa venuje už viac ako 20 rokov. Povedal nám všetko o tom, ako Webb posunie hranice astronómie a umožní objavy, o ktorých sme si ani nezačali predstavovať.

Vidieť vesmír v infračervenom spektre

Keď si astronómovia v 80. rokoch prvýkrát začali predstavovať Webba, mali na mysli konkrétny plán: Chceli kozmologický výskumný nástroj, ktorý by sa obzrel späť na najskoršie galaxie vo vesmíre.

Vedci vedeli, že tieto rané galaxie sú tam vonku a sú pre nás blízko dostupné, pretože Hubbleov vesmírny teleskop pozoroval niekoľko skorých galaxií. Pri pohľade na vlnovú dĺžku viditeľného svetla mohol Hubble identifikovať stovky týchto galaxií, ktoré vznikli v priebehu niekoľkých stoviek miliónov rokov od Veľkého tresku. Ale tieto galaxie sa už vytvorili a výskumníci sa chceli pozrieť ešte ďalej, aby videli, ako sa skutočne formujú.

Na to potrebovali nástroj, ktorý by sa mohol pozerať v infračervenej vlnovej dĺžke mimo viditeľného svetla. Je to preto, že najskoršie galaxie vydávali viditeľné svetlo rovnako ako dnešné galaxie. Ale vesmír sa časom rozpína ​​a to znamená, že galaxie, ktoré vidíme na oblohe, sa od nás vzďaľujú. Čím je galaxia staršia, tým je vzdialenejšia. A táto vzdialenosť spôsobuje jav nazývaný červený posun.

Podobne ako pri Dopplerovom efekte, pri ktorom zvuky menia svoju vnímanú výšku ako vzdialenosť medzi nimi zdroj a pozorovateľ sa menia, vlnová dĺžka svetla sa mení, keď sa jeho zdroj vzďaľuje nás. Toto svetlo je posunuté k červenšiemu koncu spektra, preto sa nazýva červený posun.

Úplne najstaršie galaxie majú svetlo, ktoré je natoľko červené, že už nie je pozorovateľné ako viditeľné svetlo. Namiesto toho je viditeľný ako infračervený - a to je vlnová dĺžka, v ktorej Webb funguje.

Takto je Webb schopný odhaliť a identifikovať najskoršie galaxie. Ak Webb vidí galaxiu, ktorá jasne žiari v infračervenom spektre, ale ktorá je slabá alebo neviditeľná pre ďalekohľady založené na viditeľnom svetle ako Hubble, potom si výskumníci môžu byť istí, že našli galaxiu, ktorá má extrémne červený posun – čo znamená, že je veľmi ďaleko, a teda veľmi starý.

Dokonca aj v prvý obraz hlbokého poľa z Webba môžete vidieť niekoľko extrémne starých galaxií. Kopa galaxií, ktorá je ohniskom snímky, je stará 4,6 miliardy rokov, no kvôli svojej hmotnosti ohýba časopriestor okolo seba. To znamená, že svetlo prichádzajúce z galaxií za touto kopou je tiež ohnuté, takže kopa funguje ako zväčšovacie sklo v efekte nazývanom gravitačná šošovka. Niektoré z galaxií videné v tomto hlbokom poli sú staré približne 13 miliárd rokov, čo znamená, že vznikli v prvej miliarde rokov vesmíru.

Rozširujeme, aby sme urobili viac

Ak bol Webb pôvodne koncipovaný ako kozmologický nástroj, čoskoro sa rozšíril a stal sa oveľa viac.

Počas desaťročí plánovania pre Webb si dizajnéri uvedomili, že nástroj, ktorý stavali, by sa dal použiť v oveľa rozmanitejších oblastiach, než je len kozmológia. Pridali nové nástroje, ako je MIRI, ktorý vyzerá v strednej infračervenej vlnovej dĺžke a nie v blízkej infračervenej oblasti a je užitočnejší na štúdium tvorby hviezd a planét ako kozmológia. Tento rozdiel prináša svoju vlastnú výzvu ako tento nástroj rôzne detektory od ostatných nástrojov a vyžaduje si ich vlastný chladič. Spolu s ďalšími nástrojmi však rozširuje možnosti Webb o celý rad možností.

„Pôvodné zameranie teleskopu bolo oveľa viac na vesmír s vysokým červeným posunom,“ zhrnul McCaughrean. „To bol najvyšší cieľ, nájsť tieto prvé hviezdy a galaxie, ktoré vznikli po Veľkom tresku. Všetko ostatné po tom je ‚pekné mať‘. Ale v priebehu projektu sa nám to podarilo premeniť na štyri témy: kozmológia, formovanie hviezd, planetárna veda a vývoj galaxií. A my sme sa uistili, že observatórium bude toho všetkého schopné.“

Kamery a spektrografy

Webb má na palube štyri prístroje: Near-Infrared Camera alebo NIRCam, Near-Infrared Spectrograph resp. NIRSpec, Near InfraRed Imager a Slitless Spectrograph alebo NIRISS a Mid-Infrared Instrument resp. MIRI. K dispozícii je tiež senzor s názvom Fine Guidance Sensor (FGS), ktorý pomáha nasmerovať ďalekohľad správnym smerom.

Prístroje sú zmesou kamier a spektrografov, čo sú nástroje na rozdelenie svetla na rôzne vlnové dĺžky, takže môžete vidieť, aké vlnové dĺžky boli absorbované. To vám umožní vidieť, z čoho sa objekt skladá, pri pohľade na svetlo, ktoré vydáva.

Zatiaľ čo snímky nasnímané kamerami získavajú najväčšiu pozornosť verejnosti, spektrografy ako vedecký nástroj netreba podceňovať. Približne polovica aktuálne prideleného času na pozorovanie je venovaná spektroskopii na úlohy, ako je analýza zloženia atmosfér exoplanét. Čiastočne je to preto, že nasnímanie spektra objektu zaberie viac času, než nasnímanie jeho obrazu, a čiastočne preto, že spektroskopia dokáže veci, ktoré zobrazovanie nedokáže.

Kamery a spektrografy tiež spolupracujú, pretože filtre používané pri zobrazovaní sú užitočné na výber objektov na štúdium pomocou spektrografov.

„Predstavte si, že robíte hlboké pole a robíte hlboké snímky pomocou NIRCam,“ vysvetlil McCaughrean. "Potom použijete rôzne filtre na výber kandidátov, pretože v tejto oblasti bude príliš veľa vecí, na ktoré sa treba pozrieť jednu po druhej spektroskopiou." Takže potrebujete zobrazenie, aby ste našli kandidátov,“ ako napríklad pri pohľade na farby na obrázku, aby ste sa rozhodli, že daný objekt je, povedzme, galaxia s vysokým červeným posunom a nie slabá blízka hviezda.

To sa už v praxi preukázalo, s Webbov prvý hlboký obrázok. Zobrazovanie sa uskutočnilo pomocou kamery NIRCam, ktorá dokázala zachytiť obrovské množstvo blízkych aj vzdialených galaxií na jednom úžasnom obrázku. Potom konkrétne ciele, ako napr galaxia staršia ako 13 miliárd rokov, boli vybraté a pozorované pomocou spektrografu NIRSpec, čím sa zhromaždili údaje o zložení a teplote tejto ranej galaxie.

"Je to také krásne, čisté spektrum," povedal McCaughrean. „Nikto ešte nikdy odnikiaľ nič také nevidel. Takže teraz vieme, že tento stroj funguje neuveriteľne silne.“

Viacero režimov

Aby ste pochopili všetky možnosti Webb, mali by ste vedieť, že tieto štyri nástroje nemajú každý len jeden režim – možno ich použiť viacerými spôsobmi na pozeranie sa na rôzne ciele. Celkovo existuje 17 režimov medzi štyrmi prístrojmi a každý z nich musel byť otestovaný a overený predtým, ako bol ďalekohľad vyhlásený za pripravený na spustenie vedeckej prevádzky.

Vezmime si napríklad nástroj NIRSpec. Môže vykonávať niekoľko typov spektroskopie, vrátane spektroskopie s pevnou štrbinou, čo je vysoko citlivý režim na skúmanie jednotlivých cieľov (ako je analýza svetla vydávaného zlúčením neutrónových hviezd nazývaných kilonova) alebo spektroskopia poľných jednotiek, ktorá skúma spektrá pre viacnásobné pixelov na malej ploche, aby ste získali kontextové informácie o cieli (napríklad pohľad na extrémne vzdialenú galaxiu, ktorá bola zdeformovaná gravitáciou šošovka).

Tretím typom spektroskopie NIRSpec je niečo naozaj špeciálne, čo sa nazýva multiobjektová spektroskopia. Používa malé okenice podobné oknám usporiadané do formátu nazývaného mikrozáverové pole. „Sú to v podstate malé zariadenia s priemerom niekoľkých centimetrov, z ktorých máme štyri. V každom z týchto zariadení je 65 000 malých individuálnych uzáverov,“ povedal McCaughrean.

Každý z týchto uzáverov môže byť individuálne ovládaný na otvorenie alebo zatvorenie, čo umožňuje výskumníkom vybrať si, na ktoré časti poľa sa pozerajú. Ak chcete použiť tieto mikrozávierky, výskumníci najskôr urobia snímku pomocou iného nástroja, ako je NIRCam, aby vybrali objekty záujmu. Potom dajú príkaz na otvorenie uzáverov zodpovedajúcich týmto predmetom záujmu, zatiaľ čo ostatné zostanú zatvorené.

To umožňuje svetlu z cieľov, ako sú konkrétne galaxie, presvitať na detektory ďalekohľadu, bez toho, aby preniklo aj svetlo z pozadia. „Len otvorením dverí tam, kde je galaxia, a zatvorením všetkých ostatných dverí, keď odtiaľ prejde svetlo ten objekt sa rozprestrie do spektra a cez neho neprenikne všetko ostatné svetlo,“ McCaughrean povedal. "To ho robí citlivejším."

Táto multiobjektová spektroskopia môže byť použitá na pozorovanie konkrétnych galaxií na snímkach hlbokého poľa, čo je obzvlášť užitočné pri štúdiu najstarších galaxií, ktoré sú výrazne červené. A táto metóda je schopná získať spektrá až zo 100 objektov naraz, čo z nej robí veľmi efektívny spôsob zberu údajov.

Zaobchádzanie s príliš veľkým množstvom svetla

Ako demonštrujú mikrozávierky, jedna zložitá časť práce s vysoko citlivými prístrojmi sa zaoberá príliš veľkým množstvom svetla. Vezmite si prácu Jamesa Webba urobí na Jupiteri v prvých mesiacoch prevádzky – je v skutočnosti veľmi ťažké zobraziť prstence a mesiace okolo Jupitera, pretože samotná planéta je taká jasná. Ak je slabý objekt, ktorý sa pokúšate pozorovať, vedľa veľmi jasného objektu, môže sfúknuť vaše namerané hodnoty, takže všetko, čo vidíte, je svetlo z jasnejšieho objektu.

Podobný problém nastáva, keď sa pokúšate pozorovať vzdialené exoplanéty, ktoré sú v porovnaní s hviezdami, okolo ktorých obiehajú, veľmi slabé. Na zvládnutie tejto výzvy má James Webb v rukáve ďalší trik s názvom koronografia.

NIRCam aj MIRI majú režimy koronografie, ktorých najjednoduchšou formou je umiestniť malý kovový disk pred jasný objekt, aby blokoval jeho svetlo. Potom môžete ľahšie pozorovať ďalšie tlmenejšie zdroje svetla okolo. Ale tento prístup má svoje obmedzenia: ak sa jasný objekt pohybuje za diskom, jeho svetlo sa môže rozliať cez okraje a zničiť pozorovania. Disk by ste mohli zmenšiť tak, aby blokoval len centrálny najjasnejší bod objektu, ale potom by ste sa stále museli vysporiadať s množstvom prebytočného svetla. Mohli by ste zväčšiť disk, ale potom by blokoval iné objekty, ktoré sú blízko jasného objektu.

Existuje teda iná forma tohto koronografického režimu, ktorý využíva hardvér nazývaný štvorkvadrantová fázová maska. "Toto je veľmi šikovný kus optiky," povedal McCaughrean. „Nemá kovový disk, ale má štyri rôzne kusy skla, ktoré dodávajú svetlu, ktoré prichádza, rôzne fázy. Keď uvažujeme o svetle ako o vlne, nie ako o fotónoch, svetlo má fázu. Ak umiestnite zdroj svetla priamo na kríž, kde sa stretávajú tieto štyri rôzne fázové dosky, môžete vypracujte to tak, že svetlo sa skutočne zruší z hviezdy kvôli interferencii vĺn účinok.”

To znamená, že ak to zarovnáte presne tak, aby sa jasný objekt nachádzal presne v strede týchto kvadrantov, svetlo z hviezdy bude zrušené, ale svetlo z iných objektov, ako sú planéty, bude stále viditeľné. Vďaka tomu je ideálny na pozorovanie exoplanét obiehajúcich blízko svojich hostiteľských hviezd, ktoré by inak nebolo možné vidieť.

Využitie času

Ďalším spôsobom, ako zvládnuť kombináciu jasných a tmavých objektov, je vykonať niekoľko meraní v priebehu času. Na rozdiel od niečoho, ako je váš telefón, ktorý urobí fotografiu a potom sa okamžite resetuje, detektory vo Webb môžu vykonať niekoľko meraní bez resetovania.

"Takže môžeme v priebehu času nasnímať sériu obrázkov s rovnakým detektorom, pretože vytvára svetlo zo slabých zdrojov," vysvetľuje McCaughrean. "Keď sa však pozrieme na údaje, môžeme použiť prvé obrázky pre jasné zdroje predtým, ako sa nasýtia, a potom pokračovať v budovaní svetla zo slabých zdrojov a získať citlivosť. Účinne rozširuje dynamický rozsah viacnásobným čítaním detektorov.“

Iný režim, v ktorom môžu prístroje pracovať, sa nazýva pozorovania časových radov, čo je v podstate len vykonanie mnohých meraní jeden po druhom na zachytenie objektov, ktoré sa časom menia. To je užitočné pri zachytávaní objektov, ktoré blikajú, ako sú pulzujúce neutrónové hviezdy nazývané magnetary, alebo pri pohľade na exoplanéty, ktoré sa pohybujú po tvári svojej hostiteľskej hviezdy v pohybe nazývanom tranzit.

"Keďže planéta prechádza pred hviezdou, chcete ju zachytiť na okrajoch tranzitu, ako aj v strede tranzitu," povedal McCaughrean. "Takže to stále sledujete a stále zbierate údaje."

Jednou z výziev tejto metódy je, že vyžaduje, aby teleskop zostal v takmer dokonalom zarovnaní, pretože ak by sa čo i len mierne pohol, vnieslo by do údajov šum. Dobrou správou však je, že ďalekohľad funguje mimoriadne dobre, pokiaľ ide o nasmerovanie na objekt a zotrvanie v ňom mieste vďaka jemnému navádzaciemu senzoru, ktorý sa zameria na blízke hviezdy a prispôsobí sa akýmkoľvek poruchám, ako je slnečné žiarenie vetry.

Výzvy pri práci s Webb

Ako každá technológia, aj tu existujú obmedzenia týkajúce sa toho, čo Webb dokáže. Jedným z veľkých praktických obmedzení pre vedcov, ktorí používajú Webb, je množstvo údajov, ktoré môžu zhromaždiť z ďalekohľadu. Na rozdiel od Hubbleovho teleskopu, ktorý obieha okolo Zeme, Webb obieha okolo Slnka na a pozíciu s názvom L2.

To je asi 1 milión míľ od Zeme, takže Webb je vybavený a výkonná rádiová anténa ktorý dokáže posielať dáta späť na Zem rýchlosťou 28 megabitov za sekundu. To je celkom pôsobivé – ako zdôraznil McCaughrean, je to podstatne rýchlejšie ako Wi-Fi v jeho hoteli, ktoré sme používali hovoriť, dokonca aj na oveľa väčšiu vzdialenosť – ale nie je to blízko k celkovému množstvu údajov, ktoré môžu prístroje prijať druhý.

Observatórium má malé množstvo úložiska v tuhom stave, okolo 60 GB, ktorý dokáže krátkodobo zaznamenať údaje, ak prístroje zbierajú viac údajov, než je možné poslať späť, pričom fungujú ako vyrovnávacia pamäť. To nemusí znieť ako veľa v porovnaní s druhom úložiska, ktoré zvyčajne dostanete na telefóne alebo notebooku, ale Požiadavky na hardvér, ktorý je bezpečný proti žiareniu a vydrží desiatky rokov používania, sú dosť odlišné.

Toto obmedzenie znamená, že výskumníci musia byť selektívni v tom, aké údaje uprednostňujú v zostupných spojeniach z ďalekohľadu, pričom si pre svoje potreby vyberajú len tie najdôležitejšie údaje. Možno sa čudujete, prečo Webb nie je v takom prípade umiestnený bližšie k Zemi, ale obežná dráha L2 je nevyhnutná pre spôsob, akým funguje – a dôvodom sú teploty.

"Ľudia si myslia, že vesmír je chladný, no nie, ak ste vedľa veľkého objektu, ktorý vás každý deň zahrieva, ako je Zem alebo slnko," povedal McCaughrean. „Ak sa teda chcete pozerať v infračervenom spektre, musíte sa uistiť, že váš teleskop je neuveriteľne studený, takže nevyžaruje na vlnových dĺžkach, ktoré sa pokúšate dosiahnuť. odhaliť.” To je dôvod, prečo má Webb obrovskú slnečnú clonu, ktorá pomáha udržiavať ju v chlade, a prečo je na úrovni L2, takže slnečná clona môže blokovať teplo zo slnka aj zo vzduchu. Zem.

„Postavili sme observatórium, ktoré musí byť na úrovni L2, musí tam byť, aby sa ochladilo, aby mohlo poskytnúť túto vedu. A keďže je to na L2, máme len určitú šírku pásma,“ vysvetlil McCaughrean. "Neexistuje nič také ako obed zadarmo, povedzme to tak."

Rozhoduje komunita

Prvý rok Webbových pozorovaní je starostlivo naplánovaný. V prvých piatich mesiacoch vedeckej prevádzky bude fungovať ďalej vedecké programy so skorým vydaním, ktoré sú navrhnuté tak, aby posúvali hranice hardvéru Webb a videli, čoho je schopný. V prvom roku bude pracovať na programoch, do ktorých boli vybrané Cyklus 1, vrátane výskumu exoplanét, čiernych dier, hlbokých polí a ďalších.

Okrem toho je však budúca práca, ktorú treba vykonať pomocou Webb, do značnej miery otvorená. Výskumníci predkladajú návrhy na to, aké údaje chcú zbierať pomocou Webb, a tieto návrhy sú recenzované, aby sa vybrali tie, ktoré sú vedecky najzaujímavejšie. „Komunita rozhodne, čo sa s observatóriom urobí,“ povedal McCaughrean.

Toto zapojenie komunity už zmenilo spôsob, akým sa Webb používa – napríklad výskum exoplanét v súčasnosti zaberá asi jednu tretinu dostupného pozorovacieho času v prvom kole výskumu. Keď McCaughrean a jeho kolegovia plánovali, ako by sa Webb mohol použiť na začiatku roku 2000, nepredstavovali si tam by bolo niekde blízko toľko exoplanét, ktoré sa vykonávajú, pretože pri tom bolo objavených tak málo exoplanét čas.

Tým sa Webb líši od misií s veľmi špecifickým účelom, ako je observatórium ESA Gaia, čo je navrhnutý špeciálne na vytvorenie 3D mapy galaxie a podobne ako Hubbleov teleskop, ktorý bol navrhnutý tak, aby vyhovoval mnohým potreby výskumu. "Je to určite univerzálne observatórium," povedal McCaughrean. „Stačí sa pozrieť na Hubbleov teleskop a na to, ako sa v priebehu rokov vyvinul. Čiastočne zavedením nových nástrojov, ale hlavne rozhodnutím vedeckej komunity, že existujú rôzne priority a rôzne oblasti, ktoré treba urobiť.

Táto flexibilita je možná, pretože Webb je navrhnutý tak, aby bol užitočný pre výskum v mnohých oblastiach – vrátane aplikácií, o ktorých sme ešte neuvažovali. Webb je predpokladané trvať najmenej 20 rokov a my sme sotva začali skúmať, čo by za ten čas mohol urobiť.

"To je tá vzrušujúca vec. Ak vybudujete veľmi výkonné, veľmi schopné univerzálne observatórium, je to v mnohých smeroch obmedzené len kreativitou komunity,“ povedal McCaughrean. "Webb je to, čo z neho teraz robíme."

Odporúčania redaktorov

• James Webb si všimol staroveký prach, ktorý by mohol pochádzať z najstarších supernov
• Priblížte si ohromujúci obrázok Jamesa Webba a uvidíte galaxiu sformovanú pred 13,4 miliardami rokov
• James Webb spozoroval najvzdialenejšiu aktívnu supermasívnu čiernu dieru, aká bola kedy objavená
• James Webb nájde stopy k rozsiahlej štruktúre vesmíru
• James Webb deteguje dôležitú molekulu v úžasnej hmlovine Orion