Tukaj je, kaj bo naslednjič opazoval vesoljski teleskop James Webb

Svet se je prejšnji teden združil v redki predstavi mednarodne enotnosti, da bi začudeno strmel v prve znanstvene slike izdelal vesoljski teleskop James Webb. Nastajal je desetletja in je rezultat truda tisočev ljudi z vsega sveta teleskop naj bi revolucioniral astronomijo, saj nam bo omogočil, da pokukamo globlje v vesolje kot kdaj koli prej prej.

Webb ima največje zrcalo, kar jih je bilo kdaj izstreljeno v vesolje, pa tudi največji sončni ščit in je najmočnejši vesoljski teleskop, ki je bil kdajkoli izdelan. Prve slike so samo okus tega, kar ta izjemen kos tehnologije zmore. Da bi izvedeli več o prihodnjih znanstvenih raziskavah, ki jih bo omogočil ta velikan, smo se pogovarjali z Markom McCaughreanom, Webbovim interdisciplinarnim znanstvenikom pri Evropski vesoljski agenciji.

McCaughrean bo eden prvih raziskovalcev, ki bo uporabil Webba za svoje delo v Orionova meglica, pri načrtovanju teleskopa pa sodeluje že več kot 20 let. Povedal nam je vse o tem, kako bo Webb premaknil meje astronomije in omogočil odkritja, ki si jih nismo niti predstavljali.

Videti vesolje v infrardeči svetlobi

Ko so si astronomi v osemdesetih letih prejšnjega stoletja prvič začeli predstavljati Webba, so imeli v mislih poseben načrt: želeli so kozmološko raziskovalno orodje, s katerim bi lahko pogledali nazaj na najzgodnejše galaksije v vesolju.

Znanstveniki so vedeli, da so te zgodnje galaksije tam zunaj in da so nam skoraj dostopne, ker je vesoljski teleskop Hubble opazoval nekaj precej zgodnjih galaksij. Ko je gledal v valovni dolžini vidne svetlobe, je Hubble lahko identificiral na stotine teh galaksij, ki so nastale v nekaj sto milijonih let po velikem poku. Toda te galaksije so že nastale in raziskovalci so želeli pogledati še dlje nazaj, da bi videli, kako se dejansko oblikujejo.

Za to so potrebovali orodje, ki bi lahko gledalo v infrardeči valovni dolžini, onkraj vidne svetlobe. To je zato, ker so najzgodnejše galaksije oddajale vidno svetlobo tako kot galaksije danes. Toda vesolje se sčasoma širi, kar pomeni, da se galaksije, ki jih vidimo na nebu, oddaljujejo od nas. Starejša kot je galaksija, dlje je oddaljena. In ta razdalja povzroča pojav, imenovan rdeči premik.

Podobno kot pri Dopplerjevem učinku, pri katerem zvoki spreminjajo svojo zaznano višino kot razdalja med vir in opazovalec se spreminjata, valovna dolžina svetlobe se spreminja, ko se njen vir oddaljuje od nas. Ta svetloba je premaknjena na bolj rdeč konec spektra, od tod tudi ime rdeči premik.

Najstarejše galaksije imajo torej svetlobo, ki je toliko rdeče premaknjena, da je ni več mogoče opazovati kot vidno svetlobo. Namesto tega je viden kot infrardeč - in to je valovna dolžina, v kateri deluje Webb.

Tako je Webb sposoben zaznati in identificirati najzgodnejše galaksije. Če lahko Webb vidi galaksijo, ki močno sveti v infrardečem sevanju, vendar je zatemnjena ali nevidna za primarno vidne svetlobne teleskope tako kot Hubble, so lahko raziskovalci prepričani, da so našli galaksijo, ki je izjemno rdeče premaknjena – kar pomeni, da je zelo daleč stran in zato zelo star.

Tudi v prva slika globokega polja iz Webba lahko vidite nekaj zelo starih galaksij. Jata galaksij, ki je v središču slike, je stara 4,6 milijarde let, vendar zaradi svoje mase ukrivlja prostor-čas okoli sebe. To pomeni, da je tudi svetloba, ki prihaja iz galaksij za to jato, upognjena, zato jata deluje kot povečevalno steklo v učinku, imenovanem gravitacijska leča. Nekatere galaksije vidni v tem globokem polju, so stari približno 13 milijard let, kar pomeni, da so nastali v prvi milijardi let vesolja.

Širi se, da naredimo več

Čeprav je bil Webb prvotno zasnovan kot kozmološko orodje, se je kmalu razširil in postal veliko več kot to.

Skozi desetletja načrtovanja za Webb so oblikovalci ugotovili, da bi lahko orodje, ki so ga gradili, uporabili za veliko bolj raznolika področja kot le za kozmologijo. Dodali so nove instrumente, kot je MIRI, ki gleda v srednjo infrardečo valovno dolžino in ne v bližnjo infrardečo in je bolj uporaben za preučevanje nastajanja zvezd in planetov kot kozmologija. Ta razlika prinaša svoj izziv, kot ga ima ta instrument različne detektorje od drugih instrumentov in zahteva svoje lasten hladilnik. Toda skupaj z drugimi instrumenti razširi tisto, kar lahko Webb naredi, na celo vrsto možnosti.

"Prvotni fokus teleskopa je bil veliko bolj na vesolju z visokim rdečim premikom," je povzel McCaughrean. »To je bil najvišji cilj, najti te prve zvezde in galaksije, ki so nastale po velikem poku. Vse ostalo po tem je "lepo imeti". Toda med napredovanjem projekta nam je uspelo to spremeniti v štiri teme: kozmologijo, nastajanje zvezd, znanost o planetih in razvoj galaksij. In zagotovili smo, da bo observatorij zmogel vse to.«

Kamere in spektrografi

Webb ima na krovu štiri instrumente: Near-Infrared Camera ali NIRCam, Near-Infrared Spectrograph oz. NIRSpec, Near InfraRed Imager and Slitless Spectrograph ali NIRISS ter Mid-Infrared Instrument oz. MIRI. Obstaja tudi senzor, imenovan Fine Guidance Sensor (FGS), ki pomaga usmeriti teleskop v pravo smer.

Instrumenti so mešanica kamer in spektrografov, ki so instrumenti za delitev svetlobe na različne valovne dolžine, tako da lahko vidite, katere valovne dolžine so bile absorbirane. To vam omogoča, da vidite, iz česa je predmet sestavljen, če pogledate svetlobo, ki jo oddaja.

Medtem ko slike, posnete s kamerami, pritegnejo največ pozornosti javnosti, spektrografov kot znanstvenega orodja ne smemo podcenjevati. Približno polovica trenutno dodeljenega časa opazovanju je namenjena spektroskopiji za naloge, kot je analiza sestave atmosfer eksoplanetov. Deloma je to zato, ker traja več časa, da vzamemo spekter predmeta, kot da vzamemo njegovo sliko, delno pa zato, ker lahko spektroskopija naredi stvari, ki jih slikanje ne more.

Kamere in spektrografi prav tako delujejo skupaj, saj so filtri, ki se uporabljajo pri slikanju, uporabni za izbiro predmetov za preučevanje s spektrografi.

»Predstavljajte si, da naredite globoko polje in posnamete nekaj globokih slik z NIRCam,« je pojasnil McCaughrean. »Potem uporabite različne filtre, da izberete kandidate, ker bo na tem področju s spektroskopijo veliko preveč stvari, ki jih je treba pogledati eno za drugo. Torej potrebujete slikanje, da poiščete kandidate,« na primer tako, da pogledate barve na sliki, da se odločite, da je dani predmet, recimo, galaksija z visokim rdečim premikom in ne šibka bližnja zvezda.

To se je že pokazalo v praksi, s Webbova prva slika globokega polja. Slikanje je bilo opravljeno s kamero NIRCam, ki je lahko posnela ogromno število bližnjih in daljnih galaksij v eni osupljivi sliki. Nato posebne tarče, kot je a galaksija stara več kot 13 milijard let, so izbrali in opazovali s spektrografom NIRSpec, pri čemer so zbirali podatke o sestavi in ​​temperaturi te zgodnje galaksije.

"To je tako lep, čist spekter," je dejal McCaughrean. »Česa takega še nihče ni videl od nikoder. Tako zdaj vemo, da ta stroj deluje neverjetno zmogljivo.”

Več načinov

Če želite razumeti vse Webbove zmožnosti, morate vedeti, da štirje instrumenti nimajo samo enega načina – za opazovanje različnih ciljev jih je mogoče uporabiti na več načinov. Skupno jih je 17 načinov med štirimi instrumenti in vsakega od teh je bilo treba preizkusiti in preveriti, preden je bil teleskop razglašen za pripravljenega za začetek znanstvenih operacij.

Na primer, vzemite instrument NIRSpec. Izvaja lahko več vrst spektroskopije, vključno s spektroskopijo s fiksno režo, ki je zelo občutljiv način za raziskovanje posameznih tarč (kot je analiza svetlobe, ki jo oddajajo spojene nevtronske zvezde, imenovane kilonova), ali spektroskopija enot polja, ki proučuje spektre za več slikovnih pik na majhnem območju, da dobite kontekstualne informacije o tarči (na primer gledanje izjemno oddaljene galaksije, ki je bila izkrivljena zaradi gravitacijske leče).

Tretja vrsta spektroskopije, ki jo izvaja NIRSpec, je nekaj res posebnega, imenovana večobjektna spektroskopija. Uporablja drobne okence podobne polkna, razporejena v format, imenovan niz mikrozaklopov. »V bistvu gre za majhne naprave s premerom nekaj centimetrov, ki jih imamo štiri. V vsaki od teh naprav je 65.000 majhnih posameznih zaklopov,« je dejal McCaughrean.

Vsako od teh zaslonk je mogoče individualno nadzorovati, da se odprejo ali zaprejo, kar raziskovalcem omogoča, da izberejo, katere dele polja gledajo. Za uporabo teh mikrozaklopov raziskovalci najprej posnamejo sliko z drugim instrumentom, kot je NIRCam, da izberejo predmete, ki jih zanimajo. Nato ukažejo polknom, ki ustrezajo tem zanimivim predmetom, da se odprejo, medtem ko ostali ostanejo zaprti.

To omogoča, da svetloba iz tarč, kot so določene galaksije, zasije skozi detektorje teleskopa, ne da bi dovolila, da bi skozi njih uhajala tudi svetloba iz ozadja. »S tem, da odprete samo vrata, kjer je galaksija, in zaprete vsa druga vrata, ko svetloba pride skozi Ta predmet se razširi v spekter in skozi njega ne pride vsa druga svetloba,« McCaughrean rekel. "Zaradi tega je bolj občutljiv."

To večobjektno spektroskopijo je mogoče uporabiti za opazovanje določenih galaksij na slikah globokega polja, kar je še posebej uporabno za preučevanje najzgodnejših galaksij, ki so močno premaknjene rdeče. In ta metoda je sposobna pridobiti spektre do 100 predmetov hkrati – zaradi česar je zelo učinkovit način zbiranja podatkov.

Ukvarjanje s preveč svetlobe

Kot kažejo mikrozaklopi, je en zapleten del dela z zelo občutljivimi instrumenti obravnavati preveč svetlobe. Vzemite delo Jamesa Webba bo naredil na Jupitru v prvih nekaj mesecih delovanja – pravzaprav je zelo težko prikazati obroče in lune okoli Jupitra, ker je sam planet tako svetel. Če je šibek predmet, ki ga poskušate opazovati, poleg zelo svetlega, lahko razstreli vaše odčitke, tako da vidite le svetlobo svetlejšega predmeta.

Podobna težava se pojavi, ko poskušate opazovati oddaljene eksoplanete, ki so zelo zatemnjeni v primerjavi z zvezdami, okoli katerih krožijo. Za spopadanje s tem izzivom ima James Webb v rokavu še en trik, imenovan koronagrafija.

Tako NIRCam kot MIRI imata načina koronarografije, katerih najenostavnejša oblika je postavitev majhnega kovinskega diska pred svetel predmet, da blokira njegovo svetlobo. Potem lahko lažje opazujete druge, bolj zatemnjene vire svetlobe okoli njega. Toda ta pristop ima svoje omejitve: če se svetel predmet premika za diskom, se lahko njegova svetloba razlije čez robove in uniči opazovanja. Lahko bi pomanjšali disk, tako da blokira samo osrednjo najsvetlejšo točko predmeta, vendar bi imeli še vedno veliko odvečne svetlobe, s katero bi se morali ukvarjati. Lahko bi povečali disk, vendar bi potem blokiral druge predmete, ki so blizu svetlega predmeta.

Torej obstaja še ena oblika tega načina koronarografije, ki uporablja strojno opremo, imenovano fazna maska ​​štirih kvadrantov. "To je zelo pameten kos optike," je dejal McCaughrean. »Nima kovinskega diska, ima pa štiri različne koščke stekla, ki svetlobi, ki prihaja, dajejo različne faze. Ko o svetlobi razmišljamo kot o valovanju in ne kot o fotonih, ima svetloba fazo. Če svetlobni vir postavite točno na križ, kjer se srečajo te štiri različne fazne plošče, lahko izdelajte tako, da bo svetloba zaradi interference valov dejansko ukinila zvezdo učinek.”

To pomeni, da če ga pravilno poravnate, tako da je svetel predmet točno na sredini teh kvadrantov, svetloba od zvezde bo izničena, vendar bo svetloba od drugih predmetov, kot so planeti, še vedno viden. Zaradi tega je idealen za opazovanje eksoplanetov, ki krožijo blizu svojih gostiteljskih zvezd, ki jih sicer morda ne bi bilo mogoče videti.

Izkoriščanje časa

Še en način za ravnanje z mešanico svetlih in temnih predmetov je več odčitkov skozi čas. Za razliko od nečesa, kot je vaš telefon, ki posname sliko in se takoj ponastavi, lahko detektorji v Webbu opravijo več odčitkov brez ponastavitve.

"Tako lahko posnamemo vrsto slik skozi čas z istim detektorjem, saj gradi svetlobo iz šibkih virov," pojasnjuje McCaughrean. »Toda ko pogledamo podatke, lahko uporabimo prve slike za svetle vire, preden se nasičijo, nato pa nadaljujemo z ustvarjanjem svetlobe iz šibkih virov in pridobimo občutljivost. Učinkovito razširi dinamično območje z večkratnim odčitavanjem detektorjev.«

Drug način, v katerem lahko delujejo instrumenti, se imenuje opazovanje časovnih vrst, kar je v bistvu le jemanje številnih odčitkov enega za drugim, da se zajamejo predmeti, ki se spreminjajo skozi čas. To je uporabno za zajemanje utripajočih predmetov, kot so utripajoče nevtronske zvezde, imenovane magnetarji, ali za opazovanje eksoplanetov, ki se premikajo po obrazu svoje gostiteljske zvezde v gibanju, imenovanem tranzit.

"Ko planet potuje pred zvezdo, ga želite ujeti na robovih tranzita in tudi na sredini tranzita," je dejal McCaughrean. "Torej ga samo še naprej gledate in še naprej zbirate podatke."

Eden od izzivov pri tej metodi je, da zahteva, da teleskop ostane v skoraj popolni poravnavi, ker bi, če bi se le malo premaknil, v podatke vnesel šum. Toda dobra novica je, da se teleskop zelo dobro obnese, kar zadeva usmerjanje na predmet in ostajanje v zahvaljujoč senzorju za natančno vodenje, ki zaznava bližnje zvezde in se prilagaja morebitnim motnjam, kot je sončna vetrovi.

Izzivi pri delu z Webbom

Kot pri vsakem kosu tehnologije obstajajo omejitve glede tega, kaj lahko Webb naredi. Ena od velikih praktičnih omejitev za znanstvenike, ki uporabljajo Webb, je količina podatkov, ki jih lahko zberejo s teleskopom. Za razliko od Hubbla, ki kroži okoli Zemlje, Webb kroži okoli sonca na a položaj, imenovan L2.

To je približno 1 milijon milj stran od Zemlje, zato je Webb opremljen z močna radijska antena ki lahko pošilja podatke nazaj na Zemljo s hitrostjo 28 megabitov na sekundo. To je precej impresivno – kot je poudaril McCaughrean, je bistveno hitrejši od Wi-Fi-ja v njegovem hotelu, ki smo ga uporabljali govoriti, tudi na veliko večji razdalji - vendar to ni blizu skupni količini podatkov, ki jih instrumenti lahko sprejmejo drugo.

Observatorij ima majhno količino trdnega pomnilnika, okoli 60 GB, ki lahko za kratek čas snema podatke, če instrumenti zberejo več podatkov, kot jih je mogoče poslati nazaj, in deluje kot medpomnilnik. To morda ne zveni veliko v primerjavi s pomnilnikom, ki ga običajno dobite na telefonu ali prenosnem računalniku, vendar zahteve glede strojne opreme, ki je varna pred sevanjem in zdrži desetletja uporabe, so precej drugačne.

Ta omejitev pomeni, da morajo biti raziskovalci selektivni glede tega, katerim podatkom dajejo prednost v povezavah navzdol s teleskopa, pri čemer za svoje potrebe izberejo samo najpomembnejše podatke. Morda se sprašujete, zakaj Webb v tem primeru ni postavljen bližje Zemlji, vendar je orbita L2 bistvenega pomena za način njegovega delovanja – razlog pa je v temperaturah.

"Ljudje mislijo, da je vesolje hladno, no, ne, če ste poleg velikega predmeta, ki vas vsak dan segreje kot Zemlja ali sonce," je dejal McCaughrean. »Torej, če želite gledati v infrardeči svetlobi, se morate prepričati, da je vaš teleskop neverjetno hladen, da ne oddaja na valovnih dolžinah, ki jih poskušate zaznati." Zato ima Webb ogromen ščitnik pred soncem, ki ga ohranja hladen, in zakaj je na ravni L2, tako da lahko ščitnik pred soncem prepreči toploto pred soncem in Zemlja.

»Zgradili smo observatorij, ki mora biti na L2, tam mora biti, da se ohladi, da lahko posreduje to znanost. In ker je na L2, imamo le določeno pasovno širino,« je pojasnil McCaughrean. "Zastonj kosilo ne obstaja, recimo tako."

Odloča skupnost

Prvo leto Webbovih opazovanj je skrbno načrtovano. V prvih petih mesecih znanstvenega delovanja bo delovalo naprej znanstveni programi za zgodnjo sprostitev, ki so zasnovane tako, da premikajo meje Webbove strojne opreme in vidijo, česa je zmožna. V prvem letu bo deloval na programih, ki so bili izbrani v 1. cikel, vključno z raziskavami eksoplanetov, črnih lukenj, globokih polj in še več.

Poleg tega pa je prihodnje delo z uporabo Webba v veliki meri odprto. Raziskovalci predložijo predloge o tem, katere podatke želijo zbrati z uporabo Webba, ti predlogi pa so strokovno pregledani, da se izberejo tisti, ki so znanstveno najbolj zanimivi. "Skupnost se odloči, kaj se bo naredilo z observatorijem," je dejal McCaughrean.

Ta vključenost skupnosti je že spremenila način uporabe Webba - na primer, raziskovanje eksoplanetov trenutno zavzame približno eno tretjino razpoložljivega časa opazovanja v prvem krogu raziskav. Ko so McCaughrean in njegovi kolegi v zgodnjih 2000-ih načrtovali, kako bi lahko uporabili Webb, si niso predstavljali bi bilo nekje blizu toliko raziskav eksoplanetov, ker je bilo takrat odkritih tako malo eksoplanetov čas.

Zaradi tega se Webb razlikuje od misij z zelo specifičnim namenom, kot je ESA-in observatorij Gaia, ki je zasnovan posebej za izdelavo 3D zemljevida galaksije in bolj podoben Hubblu, ki je bil zasnovan za srečanje z mnogimi raziskovalne potrebe. "To je vsekakor observatorij za splošne namene," je dejal McCaughrean. »Samo pogledati morate Hubble in kako se je razvijal skozi leta. Deloma z uvedbo novih instrumentov, večinoma pa z odločitvijo znanstvene skupnosti, da obstajajo drugačne prednostne naloge in različna področja, ki jih je treba narediti.«

Ta prilagodljivost je mogoča, ker je Webb zasnovan tako, da je uporaben za raziskave na številnih področjih - vključno z aplikacijami, na katere še nismo pomislili. Webb je predvideno, da bo trajalo vsaj 20 let in komaj smo začeli raziskovati, kaj bi lahko storil v tem času.

»To je tisto vznemirljivo. Če zgradite zelo močan, zelo zmogljiv observatorij za splošne namene, je to v mnogih pogledih omejeno le z ustvarjalnostjo skupnosti,« je dejal McCaughrean. "Webb je tisto, kar zdaj naredimo iz njega."

Priporočila urednikov

• James Webb odkrije starodavni prah, ki bi lahko izviral iz najzgodnejših supernov
• Povečajte osupljivo sliko Jamesa Webba in si oglejte galaksijo, ki je nastala pred 13,4 milijarde let
• James Webb opazi najbolj oddaljeno aktivno supermasivno črno luknjo, kar so jih kdaj odkrili
• James Webb najde namige o obsežni strukturi vesolja
• James Webb odkrije pomembno molekulo v osupljivi Orionovi meglici