Här är vad rymdteleskopet James Webb kommer att observera härnäst

Världen samlades förra veckan i en sällsynt show av internationell enhet för att stirra i förundran på första vetenskapliga bilder producerad av James Webb Space Telescope. Decennier på väg och resultatet av ansträngningar från tusentals människor från hela världen teleskopet kommer att revolutionera astronomi genom att tillåta oss att titta djupare in i kosmos än någonsin innan.

Webb har den största spegeln som någonsin lanserats i rymden, samt den största solskölden, och det är det kraftfullaste rymdteleskopet som någonsin byggts. De första bilderna är bara ett smakprov på vad denna märkliga teknik kan göra. Så för att ta reda på mer om vilken framtida vetenskaplig forskning som kommer att möjliggöras av denna gigant, pratade vi med Mark McCaughrean, Webb Interdisciplinary Scientist vid European Space Agency.

McCaughrean kommer att vara en av de första forskarna att använda Webb för sitt arbete med Orionnebulosan, och han har varit involverad i planeringen av teleskopet i mer än 20 år. Han berättade för oss allt om hur Webb kommer att tänja på astronomis gränser och möjliggöra upptäckter som vi inte ens har börjat föreställa oss.

Att se universum i infrarött

När astronomer först började föreställa sig Webb på 1980-talet hade de en specifik plan i åtanke: De ville ha ett kosmologiskt forskningsverktyg för att se tillbaka på de tidigaste galaxerna i universum.

Forskare visste att dessa tidiga galaxer fanns där ute och var nära att vara tillgängliga för oss eftersom rymdteleskopet Hubble hade observerat några ganska tidiga galaxer. När man tittade i det synliga ljusets våglängd kunde Hubble identifiera hundratals av dessa galaxer, som bildades inom några hundra miljoner år efter Big Bang. Men dessa galaxer hade redan bildats, och forskare ville titta ännu längre tillbaka för att se dem faktiskt bildas.

För att göra det behövde de ett verktyg som kunde se i den infraröda våglängden, bortom synligt ljus. Det beror på att de tidigaste galaxerna gav ifrån sig synligt ljus precis som galaxer gör idag. Men universum expanderar med tiden, och det betyder att galaxerna vi ser på himlen rör sig bort från oss. Ju äldre galaxen är, desto längre bort är den. Och detta avstånd orsakar ett fenomen som kallas rödförskjutning.

Liknar dopplereffekten, där ljud ändrar sin upplevda tonhöjd som avståndet mellan källan och observatören ändras, ljusets våglängd ändras när dess källa rör sig bort från oss. Detta ljus skiftas till den rödare änden av spektrumet, därav namnet rödförskjutning.

De allra äldsta galaxerna har alltså ljus som är rödförskjutet så mycket att det inte längre kan observeras som synligt ljus. Istället är det synligt som infrarött - och detta är den våglängd som Webb verkar i.

Det är så Webb kan upptäcka och identifiera de allra tidigaste galaxerna. Om Webb kan se en galax som lyser starkt i det infraröda, men som är svag eller osynlig för främst synligt ljusbaserade teleskop som Hubble, då kan forskare vara säkra på att de har hittat en galax som är extremt rödförskjuten – vilket betyder att den är väldigt långt borta, och därför mycket gammal.

Även i första djupfältsbilden från Webb kan du se några extremt gamla galaxer. Galaxhopen som är i fokus för bilden är 4,6 miljarder år gammal, men på grund av sin massa böjer den rymdtiden runt den. Detta innebär att ljus som kommer från galaxer bakom detta kluster också är böjt, så klustret fungerar som ett förstoringsglas i en effekt som kallas gravitationslinsning. Några av galaxerna som ses i detta djupa fält är cirka 13 miljarder år gamla, vilket betyder att de bildades under universums första miljarder år.

Expandera för att göra mer

Om Webb ursprungligen konceptualiserades som ett kosmologiskt verktyg, expanderade det snart till att bli mycket mer än så.

Under årtionden av planering för Webb insåg formgivarna att verktyget de byggde kunde användas för mycket mer skilda områden än bara kosmologi. De lade till nya instrument, som MIRI, som ser ut i den mellan-infraröda våglängden snarare än den nära-infraröda och är mer användbar för att studera stjärn- och planetbildning än kosmologi. Den skillnaden medför sin egen utmaning som detta instrument har olika detektorer från de andra instrumenten och kräver dess egen kylare. Men, tillsammans med andra instrument, utökar det vad Webb kan göra till en hel rad möjligheter.

"Teleskopets ursprungliga fokus var mycket mer på universum med hög rödförskjutning," sammanfattade McCaughrean. "Det var det högsta målet, att hitta dessa första stjärnor och galaxer som bildades efter Big Bang. Allt annat efter det är "trevligt att ha." Men under projektets framsteg lyckades vi omvandla det till fyra teman: kosmologi, stjärnbildning, planetarisk vetenskap och galaxevolution. Och vi såg till att observatoriet skulle vara kapabelt till alla dessa.”

Kameror och spektrografer

Webb har fyra instrument ombord: Near-Infrared Camera eller NIRCam, Near-Infrared Spectrograph eller NIRSpec, Near InfraRed Imager och Slitless Spectrograph eller NIRISS, och det mellaninfraröda instrumentet eller MIRI. Det finns också en sensor som kallas Fine Guidance Sensor (FGS), som hjälper till att peka teleskopet i rätt riktning.

Instrumenten är en blandning av kameror och spektrografer, som är instrument för att dela upp ljus i olika våglängder så att man kan se vilka våglängder som har absorberats. Detta låter dig se vad ett föremål består av genom att titta på ljuset det avger.

Även om bilderna tagna av kamerorna får mest uppmärksamhet från allmänheten, bör spektrograferna inte underskattas som ett vetenskapligt verktyg. Ungefär hälften av den för närvarande tilldelade observationstiden ägnas åt spektroskopi, för uppgifter som att analysera sammansättningen av exoplanetatmosfärer. Dels beror det på att det tar mer tid att ta ett spektrum av ett objekt än att ta en bild av det, och dels för att spektroskopi kan göra saker som bildbehandling inte kan.

Kameror och spektrografer fungerar också tillsammans, eftersom filtren som används vid bildbehandling är användbara för att välja objekt att studera med spektrograferna.

"Föreställ dig att du gör ett djupt fält och tar några djupa bilder med NIRCam," förklarade McCaughrean. "Sedan använder man olika filter för att välja ut kandidater, för det kommer att bli alldeles för många saker att titta på i det fältet en efter en med spektroskopi. Så du behöver avbildningen för att hitta kandidaterna”, till exempel genom att titta på färgerna i en bild för att avgöra att ett givet objekt är, säg, en galax med hög rödförskjutning och inte en svag närliggande stjärna.

Detta har redan visats i praktiken, med Webbs första djupfältsbild. Avbildningen gjordes med NIRCam-kameran, som kunde fånga upp ett stort antal galaxer både nära och fjärran i en fantastisk bild. Sedan särskilda mål, som ett galax över 13 miljarder år gammal, plockades ut och observerades med NIRSpec-spektrografen och samlade in data om denna tidiga galax sammansättning och temperatur.

"Det är ett så vackert, rent spektrum," sa McCaughrean. "Ingen har någonsin sett något liknande förut från någonstans. Så nu vet vi att den här maskinen fungerar otroligt kraftfullt.”

Flera lägen

För att förstå Webbs fulla möjligheter bör du veta att de fyra instrumenten inte bara har ett läge vardera – de kan användas på flera sätt för att titta på olika mål. Totalt finns det 17 lägen mellan de fyra instrumenten, och var och en av dessa måste testas och verifieras innan teleskopet förklarades redo att starta vetenskapsoperationer.

Ta till exempel NIRSpec-instrumentet. Den kan utföra flera typer av spektroskopi, inklusive fixerad spaltspektroskopi, vilket är ett mycket känsligt läge för att undersöka individuella mål (som att analysera ljuset som avges genom att slå samman neutronstjärnor som kallas kilonova), eller fältenhetsspektroskopi, som tittar på spektra för flera pixlar över ett litet område för att få kontextuell information om ett mål (som att titta på en extremt avlägsen galax som har förvrängts av gravitation linser).

Den tredje typen av spektroskopi som NIRSpec gör är något alldeles speciellt som kallas multiobjektspektroskopi. Den använder små fönsterliknande fönsterluckor arrangerade i ett format som kallas en mikroslutarmatris. "De är i grunden små enheter på ett par centimeter i diameter, varav vi har fyra. I var och en av dessa enheter finns det 65 000 små individuella luckor, säger McCaughrean.

Var och en av dessa luckor kan styras individuellt för att öppna eller stänga, vilket gör att forskare kan välja vilka delar av ett fält de tittar på. För att använda dessa mikroslutare tar forskarna först en bild med ett annat instrument som NIRCam för att välja objekt av intresse. Sedan beordrar de luckorna som motsvarar dessa föremål av intresse att öppna, medan de andra förblir stängda.

Detta gör att ljuset från målen, som speciella galaxer, kan lysa igenom på teleskopets detektorer, utan att tillåta ljus från bakgrunden att läcka igenom också. ”Genom att bara öppna dörren där galaxen är och stänga alla andra dörrar, när ljuset kommer in från det där föremålet, det sprids ut i ett spektrum, och du har inte allt annat ljus som kommer igenom, säger McCaughrean sa. "Det gör det känsligare."

Denna multiobjektspektroskopi kan användas för att titta på särskilda galaxer i djupfältsbilder, vilket är särskilt användbart för att studera de tidigaste galaxerna som är mycket rödförskjutna. Och den här metoden kan få spektra från upp till 100 objekt samtidigt – vilket gör det till ett mycket effektivt sätt att samla in data.

Hanterar för mycket ljus

Som mikroslutarna visar är en knepig del av att arbeta med mycket känsliga instrument att hantera för mycket ljus. Ta verket James Webb kommer att göra på Jupiter under de första månaderna av drift – det är faktiskt väldigt svårt att avbilda ringarna och månarna runt Jupiter eftersom planeten själv är så ljus. Om det svaga föremålet du försöker observera är bredvid ett mycket ljust, kan det blåsa ut dina avläsningar så att allt du ser är ljus från det ljusare föremålet.

Ett liknande problem uppstår när man försöker observera avlägsna exoplaneter, som är väldigt mörka jämfört med stjärnorna de kretsar kring. För att hantera den här utmaningen har James Webb ett annat trick i rockärmen som kallas koronografi.

Både NIRCam och MIRI har koronografilägen, vars enklaste form är att placera en liten metallskiva framför det ljusa föremålet för att blockera dess ljus. Då kan du lättare observera de andra, svagare ljuskällorna runt den. Men det här tillvägagångssättet har sina begränsningar: om det ljusa föremålet rör sig bakom skivan kan dess ljus spilla ut över kanterna och förstöra observationerna. Du kan göra skivan mindre så att den bara blockerar den centrala ljusaste punkten på objektet, men då skulle du fortfarande ha mycket överskottsljus att hantera. Du kan göra skivan större, men då skulle den blockera andra föremål som är nära det ljusa föremålet.

Så det finns en annan form av detta koronografiläge som använder hårdvara som kallas fyrkvadrantfasmasken. "Det här är ett mycket smart stycke optik," sa McCaughrean. "Den har ingen metallskiva, men den har fyra olika glasbitar som ger olika faser i ljuset som kommer in. När vi tänker på ljus som en våg, snarare än som fotoner, har ljus en fas. Om du sätter ljuskällan precis på korset där de fyra olika fasplattorna möts, kan du räkna ut det så att ljuset faktiskt avbryter stjärnan på grund av våginterferensen effekt."

Det betyder att om du ställer upp det precis så att det ljusa föremålet är exakt i mitten av dessa kvadranter, ljuset från stjärnan kommer att elimineras, men ljuset från andra objekt som planeter kommer fortfarande att vara det synlig. Det gör den idealisk för att observera exoplaneter som kretsar nära sina värdstjärnor som annars skulle vara omöjliga att se.

Att använda tid

Ytterligare ett sätt att hantera en blandning av ljusa och mörka objekt är att ta flera avläsningar över tiden. Till skillnad från något som din telefon, som tar en bild och sedan omedelbart återställs, kan detektorerna i Webb göra flera avläsningar utan att återställas.

"Så vi kan ta en serie bilder över tiden med samma detektor, eftersom den bygger upp ljuset från de svaga källorna", förklarar McCaughrean. "Men när vi tittar på data kan vi använda de första bilderna för de ljusa källorna innan de mättas, och sedan fortsätta bygga upp ljus från de svaga källorna och få känsligheten. Det utökar effektivt det dynamiska området genom att läsa ut detektorerna flera gånger."

Ett annat läge instrumenten kan arbeta i kallas tidsserieobservationer, vilket i princip bara tar många avläsningar efter varandra för att fånga objekt som förändras över tiden. Det är användbart för att fånga objekt som blinkar, till exempel pulserande neutronstjärnor som kallas magnetarer, eller för att titta på exoplaneter som rör sig över ansiktet på deras värdstjärna i en rörelse som kallas transit.

"När en planet passerar framför stjärnan vill du fånga den vid kanterna av transiteringen såväl som i mitten av transiteringen," sa McCaughrean. "Så du bara fortsätter att titta på det och du fortsätter att ta data."

En utmaning med den här metoden är att den kräver att teleskopet förblir i nästan perfekt inriktning eftersom om det rörde sig ens lite, skulle det introducera brus i data. Men den goda nyheten är att teleskopet presterar extremt bra när det gäller att peka på ett föremål och stanna i plats, tack vare Fine Guidance Sensor som låser sig på närliggande stjärnor och justerar för eventuella störningar som solenergi vindar.

Utmaningar i arbetet med Webb

Som med all teknik finns det begränsningar för vad Webb kan göra. En av de stora praktiska begränsningarna för forskare som använder Webb är mängden data som de kan samla in från teleskopet. Till skillnad från Hubble, som kretsar runt jorden, kretsar Webb runt solen vid en position som kallas L2.

Det är cirka 1 miljon miles från jorden, så Webb är utrustad med en kraftfull radioantenn som kan skicka data tillbaka till jorden med en hastighet av 28 megabit per sekund. Det är ganska imponerande - som McCaughrean påpekade, det är betydligt snabbare än Wi-Fi på hans hotell som vi använde att prata, även över ett mycket större avstånd — men det är inte i närheten av den totala mängden data som instrumenten kan ta per andra.

Observatoriet har en liten mängd fast tillståndslagring, runt 60 GB, som kan registrera data under en kort tid om instrumenten samlar in mer data än vad som kan skickas tillbaka, fungerar som en buffert. Det kanske inte låter så mycket jämfört med den typ av lagring du vanligtvis får på en telefon eller bärbar dator, men Kraven på hårdvara som är säker mot strålning och kan stå emot decennier av användning är ganska olika.

Denna begränsning innebär att forskare måste vara selektiva när det gäller vilken data de prioriterar i nedlänkar från teleskopet, och endast välja de viktigaste uppgifterna för sina behov. Du kanske undrar varför Webb inte är placerad närmare jorden i så fall, men L2-banan är avgörande för hur den fungerar – och anledningen beror på temperaturer.

"Folk tror att rymden är kall, ja, inte om du är bredvid ett stort föremål som värmer dig varje dag som jorden eller solen," sa McCaughrean. "Så om du vill titta i det infraröda, måste du se till att ditt teleskop är otroligt kallt, så att det inte sänder ut vid de våglängder som du försöker upptäcka, detektera." Det är därför Webb har en enorm solskärm som hjälper till att hålla den sval, och varför den är på L2 så att solskärmen kan blockera värme från både solen och Jorden.

"Vi har byggt ett observatorium som måste vara vid L2, det måste finnas där för att bli kallt, så det kan leverera denna vetenskap. Och eftersom det är på L2 har vi bara en viss bandbredd”, förklarade McCaughrean. "Det finns inget sådant som en gratis lunch, låt oss uttrycka det så."

Samhället bestämmer

Det första året av Webb-observationer är noggrant planerade. Under de första fem månaderna av vetenskapsverksamhet kommer det att fungera vidare vetenskapsprogram för tidiga releaser, som är designade för att tänja på gränserna för Webbs hårdvara och se vad den kan. Inom det första året kommer det att arbeta med program som har valts ut till Cykel 1, inklusive forskning om exoplaneter, svarta hål, djupa fält och mer.

Utöver det är dock det framtida arbetet som ska göras med Webb i stort sett öppet. Forskare lämnar förslag på vilken data de vill samla in med hjälp av Webb, och dessa förslag är peer-reviewed för att välja ut de som är mest vetenskapligt intressanta. "Samhället bestämmer vad som ska göras med observatoriet," sa McCaughrean.

Detta samhällsengagemang har redan förändrat hur Webb används - till exempel tar exoplanetforskning för närvarande ungefär en tredjedel av tillgänglig observationstid i den första forskningsrundan. När McCaughrean och hans kollegor planerade hur Webb skulle kunna användas i början av 2000-talet, föreställde de sig inte det skulle finnas någonstans i närheten av så mycket exoplanetforskning som görs eftersom så få exoplaneter hade upptäckts vid det tid.

Detta gör att Webb skiljer sig från uppdrag med ett mycket specifikt syfte, som ESA: s Gaia-observatorium, vilket är designad speciellt för att göra en 3D-karta över galaxen, och mer som Hubble, som designades för att möta många forskningsbehov. "Det är definitivt ett observatorium för allmänt bruk," sa McCaughrean. "Du behöver bara titta på Hubble och hur den har utvecklats under åren. Dels genom att sätta på nya instrument, men mest genom att forskarvärlden bestämmer sig för att det finns olika prioriteringar och olika områden som behöver göras.”

Denna flexibilitet är möjlig eftersom Webb är designad för att vara användbar för forskning inom en mängd områden – inklusive applikationer som vi inte har tänkt på ännu. Webb är beräknas hålla minst 20 år, och vi har knappt börjat utforska vad det kunde göra under den tiden.

"Det är det spännande. Om du bygger ett mycket kraftfullt, mycket kapabelt observatorium för allmänna ändamål, begränsas det på många sätt bara av samhällets kreativitet, sa McCaughrean. "Webb är vad vi gör det till nu."

Redaktörens rekommendationer

• James Webb ser forntida damm som kan komma från de tidigaste supernovorna
• Zooma in på den fantastiska James Webb-bilden för att se en galax som bildades för 13,4 miljarder år sedan
• James Webb ser det mest avlägsna aktiva supermassiva svarta hålet som någonsin upptäckts
• James Webb ser ledtrådar till universums storskaliga struktur
• James Webb upptäcker en viktig molekyl i den fantastiska Orionnebulosan