İşte James Webb Uzay Teleskobu'nun bundan sonra gözlemleyeceği şey

Dünya geçen hafta nadir görülen bir uluslararası birlik gösterisinde bir araya gelerek, hayretle baktı. ilk bilimsel görseller James Webb Uzay Teleskobu tarafından üretildi. Onlarca yıldır dünyanın dört bir yanından binlerce insanın çabalarının sonucu olarak ortaya çıkan Teleskop, evrenin her zamankinden daha derinlerine bakmamızı sağlayarak astronomide devrim yaratacak şekilde tasarlandı önce.

Webb, şimdiye kadar uzaya fırlatılan en büyük aynaya, aynı zamanda en büyük güneş koruyucuya sahiptir ve şimdiye kadar yapılmış en güçlü uzay teleskopudur. İlk görüntüler, bu olağanüstü teknolojinin neler yapabileceğinin sadece küçük bir kısmı. Bu dev hayvanın gelecekte hangi bilimsel araştırmalara olanak sağlayacağı hakkında daha fazla bilgi edinmek için Avrupa Uzay Ajansı Webb Disiplinlerarası Bilim Adamı Mark McCaughrean ile konuştuk.

McCaughrean, Webb'i araştırmalarında kullanan ilk araştırmacılardan biri olacak. Avcı Bulutsusuve 20 yıldan fazla bir süredir teleskopun planlanmasında yer alıyor. Bize Webb'in astronominin sınırlarını nasıl zorlayacağını ve hayal etmeye bile başlamadığımız keşifleri nasıl mümkün kılacağını anlattı.

Evreni kızılötesi olarak görmek

Gökbilimciler 1980'lerde Webb'i ilk kez hayal etmeye başladıklarında akıllarında belirli bir plan vardı: Evrendeki en eski galaksilere geriye dönüp bakacak bir kozmoloji araştırma aracı istiyorlardı.

Bilim insanları, Hubble Uzay Teleskobu'nun bazı oldukça erken dönem galaksileri gözlemlemesi nedeniyle, bu erken galaksilerin orada olduğunu ve bizim için erişilebilir olmaya yakın olduklarını biliyordu. Görünür ışık dalga boyuna bakıldığında Hubble, Büyük Patlama'dan birkaç yüz milyon yıl sonra oluşan bu galaksilerden yüzlercesini tespit edebildi. Ancak bu galaksiler zaten oluşmuştu ve araştırmacılar, onların gerçekten oluştuklarını görmek için daha da geriye bakmak istediler.

Bunu yapabilmek için görünür ışığın ötesindeki kızılötesi dalga boyuna bakabilecek bir araca ihtiyaçları vardı. Bunun nedeni, en eski galaksilerin, tıpkı bugünkü galaksilerin yaptığı gibi görünür ışık yaymasıydı. Ancak evren zamanla genişliyor ve bu da gökyüzünde gördüğümüz galaksilerin bizden uzaklaştığı anlamına geliyor. Galaksi ne kadar eskiyse o kadar uzaktadır. Ve bu mesafe kırmızıya kayma adı verilen bir olguya neden olur.

Seslerin algılanan perdelerini aralarındaki mesafeye göre değiştirdiği Doppler etkisine benzer. kaynak ve gözlemci değişir, kaynağın uzaklaştıkça ışığın dalga boyu değişir biz. Bu ışık, spektrumun daha kırmızı ucuna kaydırılır, dolayısıyla kırmızıya kayma adı verilir.

O halde en eski galaksiler, artık görünür ışık olarak gözlemlenemeyecek kadar kırmızıya kayan ışığa sahiptir. Bunun yerine kızılötesi olarak görülebilir ve bu, Webb'in çalıştığı dalga boyudur.

Webb, en eski gökadaları bu şekilde tespit edip tanımlayabiliyor. Webb, kızılötesinde parlak bir şekilde parlayan, ancak öncelikle görünür ışık tabanlı teleskoplar için sönük veya görünmez olan bir galaksiyi görebiliyorsa Hubble gibi, o zaman araştırmacılar aşırı derecede kırmızıya kayan bir galaksi bulduklarından emin olabilirler; bu da onun çok uzakta olduğu ve dolayısıyla çok uzak olduğu anlamına gelir. eskimiş.

Hatta ilk derin alan görüntüsü Webb'den bazı son derece yaşlı galaksileri görebilirsiniz. Görüntünün odak noktası olan galaksi kümesi 4,6 milyar yaşındadır ancak kütlesi nedeniyle etrafındaki uzay-zamanı bükmektedir. Bu, bu kümenin arkasındaki galaksilerden gelen ışığın da büküldüğü anlamına gelir; dolayısıyla küme, yerçekimsel merceklenme adı verilen bir etkiyle bir büyüteç gibi davranır. Bazı galaksiler Bu derin alanda görülen yıldızların yaşı yaklaşık 13 milyar yıldır, yani evrenin ilk milyar yılında oluştukları anlamına gelir.

Daha fazlasını yapmak için genişliyoruz

Webb başlangıçta bir kozmoloji aracı olarak kavramsallaştırıldıysa da, kısa sürede bundan çok daha fazlası haline geldi.

Tasarımcılar, Webb için on yıllardır süren planlamalar sonucunda, geliştirdikleri aracın kozmolojiden çok daha farklı alanlar için kullanılabileceğini fark ettiler. Yakın kızılötesi yerine orta kızılötesi dalga boyuna bakan ve kozmolojiden ziyade yıldız ve gezegen oluşumunu incelemek için daha kullanışlı olan MIRI gibi yeni araçlar eklediler. Bu farklılık, bu enstrümanın sahip olduğu zorlukları da beraberinde getiriyor. farklı dedektörler diğer araçlardan ve onun gerektirir kendi soğutucusu. Ancak diğer araçlarla birlikte Webb'in yapabileceklerini çok çeşitli olasılıklara genişletiyor.

McCaughrean şöyle özetledi: "Teleskopun orijinal odağı daha çok yüksek kırmızıya kayma evreni üzerindeydi." "Büyük Patlama'dan sonra oluşan ilk yıldızları ve galaksileri bulmak en büyük hedefimizdi. Bundan sonraki her şey 'olması güzel'. Ancak projenin ilerleyişiyle bunu dört temaya dönüştürmeyi başardık: kozmoloji, yıldız oluşumu, gezegen bilimi ve galaksi evrimi. Ve gözlemevinin tüm bunları yapabilecek kapasitede olmasını sağladık.”

Kameralar ve spektrograflar

Webb'in gemide dört cihazı vardır: Yakın Kızılötesi Kamera veya NIRCam, Yakın Kızılötesi Spektrograf veya NIRSpec, Yakın Kızılötesi Görüntüleyici ve Yarıksız Spektrograf veya NIRISS ve Orta Kızılötesi Cihaz veya MIRI. Teleskobu doğru yöne yönlendirmeye yardımcı olan İnce Kılavuz Sensörü (FGS) adı verilen bir sensör de bulunmaktadır.

Aletler, ışığı farklı dalga boylarına bölen ve böylece hangi dalga boylarının emildiğini görebilmenizi sağlayan kameralar ve spektrografların bir karışımıdır. Bu, yaydığı ışığa bakarak bir nesnenin neyden oluştuğunu görmenizi sağlar.

Kamuoyunun en çok ilgisini kameraların çektiği görüntüler çekse de spektrografların bilimsel bir araç olduğu göz ardı edilmemelidir. Şu anda tahsis edilen gözlem süresinin yaklaşık yarısı, dış gezegen atmosferlerinin bileşimini analiz etmek gibi görevler için spektroskopiye ayrılmıştır. Bunun nedeni kısmen bir nesnenin spektrumunu almanın, onun görüntüsünü almaktan daha fazla zaman alması ve kısmen de spektroskopinin görüntülemenin yapamadığı şeyleri yapabilmesidir.

Görüntülemede kullanılan filtreler, spektrograflarla incelenecek nesnelerin seçilmesinde yararlı olduğundan, kameralar ve spektrograflar da birlikte çalışır.

McCaughrean, "Derin bir alan yaptığınızı, NIRCam ile derin görüntüler çektiğinizi hayal edin," diye açıkladı. "Sonra adayları seçmek için farklı filtreler kullanıyorsunuz çünkü o alanda spektroskopiyle tek tek bakılacak çok fazla şey olacak. Bu nedenle, adayları bulmak için görüntülemeye ihtiyacınız var,” örneğin belirli bir nesnenin, örneğin, yakınlardaki sönük bir yıldız değil, kırmızıya kayması yüksek bir galaksi olduğuna karar vermek için bir görüntüdeki renklere bakmak gibi.

Bu zaten pratikte kanıtlanmıştır, Webb'in ilk derin alan görüntüsü. Görüntüleme, hem yakındaki hem de uzaktaki çok sayıda galaksiyi tek bir çarpıcı görüntüde yakalayabilen NIRCam kamerayla yapıldı. Daha sonra belirli hedefler, örneğin 13 milyar yıldan daha eski galaksi, bu erken galaksinin bileşimi ve sıcaklığı hakkında veri toplayan NIRSpec spektrografı ile seçildi ve gözlemlendi.

McCaughrean, "Bu çok güzel ve temiz bir spektrum" dedi. "Daha önce hiç kimse hiçbir yerde böyle bir şey görmemişti. Artık bu makinenin inanılmaz derecede güçlü çalıştığını biliyoruz.”

Çoklu modlar

Webb'in tüm yeteneklerini anlamak için dört cihazın her birinin yalnızca bir modu olmadığını bilmelisiniz; bunlar farklı hedeflere bakmak için birden fazla şekilde kullanılabilir. Toplamda var 17 mod Dört alet arasında bir bağlantı vardı ve teleskopun bilimsel operasyonlara başlamaya hazır olduğu ilan edilmeden önce bunların her birinin test edilmesi ve doğrulanması gerekiyordu.

Örneğin NIRSpec cihazını ele alalım. Bireysel hedeflerin araştırılması için oldukça hassas bir mod olan sabit yarık spektroskopisi de dahil olmak üzere çeşitli spektroskopi türlerini gerçekleştirebilir. (kilonova adı verilen nötron yıldızlarının birleşmesiyle yayılan ışığın analiz edilmesi gibi) veya çoklu yıldızların spektrumlarına bakan alan birimi spektroskopisi Bir hedef hakkında bağlamsal bilgi almak için küçük bir alan üzerindeki pikselleri (yerçekimi tarafından çarpıtılmış son derece uzak bir galaksiye bakmak gibi) mercekleme).

NIRSpec'in yaptığı üçüncü tip spektroskopi, çok nesneli spektroskopi adı verilen gerçekten özel bir şeydir. Mikro deklanşör dizisi adı verilen bir formatta düzenlenmiş küçük pencere benzeri panjurlar kullanır. “Bunlar temelde birkaç santimetre çapında küçük cihazlar, bunlardan elimizde dört tane var. McCaughrean, bu cihazların her birinde 65.000 küçük ayrı panjur bulunduğunu söyledi.

Bu kepenklerin her biri ayrı ayrı açılıp kapanacak şekilde kontrol edilebiliyor, bu da araştırmacıların bir alanın hangi bölümlerine bakacaklarını seçmelerine olanak tanıyor. Bu mikro deklanşörleri kullanmak için araştırmacılar öncelikle ilgilenilen nesneleri seçmek üzere NIRCam gibi başka bir araç kullanarak bir görüntü çekiyorlar. Daha sonra bu ilgi çekici nesnelere karşılık gelen kepenklerin açılmasını emrederler, diğerleri ise kapalı kalır.

Bu, belirli galaksiler gibi hedeflerden gelen ışığın, arka plandan gelen ışığın sızmasına izin vermeden teleskobun dedektörleri üzerine parlamasını sağlar. “Sadece galaksinin bulunduğu kapıyı açarak ve diğer tüm kapıları kapatarak, ışık içeriden geldiğinde McCaughrean, "Bu nesne bir spektrum halinde yayılıyor ve diğer ışıkların hiçbiri gelmiyor" dedi. söz konusu. “Bu onu daha hassas hale getiriyor.”

Bu çok nesneli spektroskopi, derin alan görüntülerinde belirli gökadalara bakmak için kullanılabilir; bu, özellikle yüksek oranda kırmızıya kayan en eski gökadaları incelemek için faydalıdır. Ve bu yöntem aynı anda 100'e kadar nesneden spektrum alma kapasitesine sahiptir; bu da onu veri toplamanın çok etkili bir yolu haline getirir.

Çok fazla ışıkla uğraşmak

Mikro perdelerin gösterdiği gibi, son derece hassas aletlerle çalışmanın zorlu kısımlarından biri de çok fazla ışıkla uğraşmak. James Webb'in işini ele alın Jüpiter'de yapılacak Operasyonun ilk birkaç ayında Jüpiter'in etrafındaki halkaları ve uyduları görüntülemek aslında çok zor çünkü gezegenin kendisi çok parlak. Gözlemlemeye çalıştığınız soluk nesne çok parlak bir nesnenin yanındaysa, okumalarınızı patlatabilir ve böylece yalnızca daha parlak nesneden gelen ışık görürsünüz.

Yörüngelerinde döndükleri yıldızlara kıyasla çok sönük olan uzak ötegezegenleri gözlemlemeye çalıştığınızda da benzer bir sorun ortaya çıkıyor. Bu zorluğun üstesinden gelmek için James Webb'in koronografi adı verilen başka bir numarası daha var.

Hem NIRCam hem de MIRI koronografi modlarına sahiptir; bunun en basit şekli, ışığını engellemek için parlak nesnenin önüne küçük bir metal disk yerleştirmektir. Böylece etrafındaki diğer sönük ışık kaynaklarını daha rahat gözlemleyebilirsiniz. Ancak bu yaklaşımın da sınırlamaları var: Eğer parlak nesne diskin arkasında hareket ederse, ışığı kenarlardan taşabilir ve gözlemleri bozabilir. Diski küçülterek nesnenin yalnızca en parlak merkezi noktasını kapatabilirsiniz, ancak bu durumda yine de başa çıkmanız gereken çok fazla fazla ışık kalır. Diski büyütebilirsiniz, ancak bu durumda parlak nesneye yakın olan diğer nesneler engellenecektir.

Bu koronografi modunun dört çeyrek faz maskesi adı verilen donanımı kullanan başka bir biçimi daha var. McCaughrean, "Bu çok akıllı bir optik parçası" dedi. "Metal bir diski yok ama gelen ışığa farklı aşamalar kazandıran dört farklı cam parçası var. Işığı fotonlar yerine dalga olarak düşündüğümüzde ışığın bir fazı vardır. Parlak kaynağı bu dört farklı faz plakasının buluştuğu çaprazın üzerine koyarsanız, dalga girişiminden dolayı ışığın yıldızdan gelen ışığı iptal etmesini sağlayacak şekilde çalışın etki."

Bu şu anlama geliyor; parlak nesne bu çeyreğin tam ortasında olacak şekilde onu tam olarak hizalarsanız, Yıldızdan gelen ışık iptal edilecek, ancak gezegenler gibi diğer nesnelerden gelen ışık hala devam edecek. görünür. Bu, onu, aksi takdirde görülmesi imkansız olabilecek, ev sahibi yıldızlarına yakın yörüngede dönen ötegezegenleri gözlemlemek için ideal kılar.

Zamanı kullanmak

Parlak ve loş nesnelerin bir karışımını işlemenin bir başka yolu da zaman içinde birden fazla okuma yapmaktır. Telefonunuz gibi fotoğraf çekip hemen sıfırlayan bir cihazın aksine, Webb'deki dedektörler sıfırlamaya gerek kalmadan birden fazla ölçüm yapabilir.

McCaughrean, "Böylece, zayıf kaynaklardan gelen ışığı oluşturduğu için aynı dedektörle zaman içinde bir dizi fotoğraf çekebiliyoruz" diye açıklıyor. "Fakat verilere baktığımızda, ilk görüntüleri parlak kaynaklar için doygunluğa ulaşmadan önce kullanabiliriz ve ardından zayıf kaynaklardan ışık oluşturmaya devam ederek hassasiyeti elde edebiliriz. Dedektörleri birden çok kez okuyarak dinamik aralığı etkili bir şekilde genişletiyor."

Aletlerin çalışabileceği diğer bir mod, zaman serisi gözlemleri olarak adlandırılıyor; bu, temelde zaman içinde değişen nesneleri yakalamak için birbiri ardına birçok okumanın alınmasından oluşuyor. Bu, magnetar adı verilen titreşen nötron yıldızları gibi yanıp sönen nesneleri yakalamak veya geçiş adı verilen bir hareketle ana yıldızlarının yüzeyi boyunca hareket eden ötegezegenlere bakmak için kullanışlıdır.

McCaughrean, "Bir gezegen yıldızın önünden geçerken, onu geçişin ortasında olduğu kadar geçişin kenarlarında da yakalamak istersiniz" dedi. "Yani izlemeye devam edin ve veri almaya devam edin."

Bu yöntemle ilgili zorluklardan biri, teleskobun mükemmele yakın bir hizada kalmasını gerektirmesidir, çünkü çok az hareket etse bile verilere gürültü ekleyecektir. Ancak iyi haber şu ki, teleskop bir nesneye yöneltme ve nesnenin içinde kalma açısından son derece iyi bir performans sergiliyor. Yakındaki yıldızlara kilitlenen ve güneş enerjisi gibi her türlü rahatsızlığa göre ayarlama yapan Hassas Yönlendirme Sensörü sayesinde yer rüzgarlar.

Webb ile çalışmanın zorlukları

Teknolojinin her parçasında olduğu gibi Webb'in yapabileceklerinin de sınırları var. Webb'i kullanan bilim adamlarının pratikteki en büyük sınırlamalarından biri, teleskoptan toplayabilecekleri veri miktarıdır. Dünya etrafında dönen Hubble'dan farklı olarak Webb, Güneş'in etrafında belirli bir yörüngede dönüyor. L2 adı verilen pozisyon.

Bu, Dünya'dan yaklaşık 1 milyon mil uzakta olduğundan Webb, güçlü radyo anteni saniyede 28 megabit hızında Dünya'ya veri gönderebiliyor. Bu oldukça etkileyici; McCaughrean'ın da belirttiği gibi, otelinde kullandığımız Wi-Fi'den çok daha hızlı. çok daha büyük bir mesafeden bile konuşabilirsiniz; ancak bu, cihazların her biri için alabileceği toplam veri miktarına yakın değildir. ikinci.

Gözlemevinde az miktarda katı hal depolama alanı var. yaklaşık 60GBCihazların geri gönderilebilecekten daha fazla veri toplaması durumunda kısa süreliğine veri kaydedebilen ve tampon görevi gören. Bu, genellikle bir telefon veya dizüstü bilgisayarda elde ettiğiniz depolama alanıyla karşılaştırıldığında çok fazla görünmeyebilir, ancak Radyasyona karşı güvenli ve onlarca yıl kullanıma dayanabilen donanımların gereksinimleri oldukça farklıdır.

Bu sınırlama, araştırmacıların teleskoptan gelen bağlantılarda hangi verilere öncelik verecekleri konusunda seçici olmaları ve ihtiyaçları için yalnızca en hayati verileri seçmeleri gerektiği anlamına gelir. Bu durumda Webb'in neden Dünya'ya daha yakın konumlandırılmadığını merak edebilirsiniz, ancak çalışma şekli için L2 yörüngesi çok önemlidir ve bunun nedeni sıcaklıklardan kaynaklanmaktadır.

McCaughrean, "İnsanlar uzayın soğuk olduğunu düşünüyor, tabi eğer Dünya ya da güneş gibi sizi her gün ısıtan büyük bir nesnenin yanındaysanız bu geçerli değil" dedi. "Dolayısıyla, kızılötesine bakmak istiyorsanız teleskopunuzun inanılmaz derecede soğuk olduğundan emin olmanız gerekir; böylece teleskopun, denediğiniz dalga boylarında ışık yaymadığından emin olursunuz. tespit etmek." Webb'in serin kalmasına yardımcı olacak muazzam bir güneşlik olmasının nedeni budur ve güneşliğin hem güneşten hem de güneşten gelen ısıyı engelleyebilmesi için L2'de olmasının nedeni budur. Toprak.

"L2'de olması gereken bir gözlemevi inşa ettik, soğuması için orada olması gerekiyor, böylece bu bilimi sunabilir. Ve L2'de olduğu için yalnızca belirli bir bant genişliğine sahibiz," diye açıkladı McCaughrean. "Bedava öğle yemeği diye bir şey yoktur, öyle diyelim."

Topluluk karar verir

Webb gözlemlerinin ilk yılı dikkatle planlandı. Bilim operasyonlarının ilk beş ayında, üzerinde çalışılacak erken yayın bilim programlarıWebb'in donanımının sınırlarını zorlamak ve neler yapabileceğini görmek için tasarlanmış olanlardır. İlk yılında seçilen programlar üzerinde çalışacak. Döngü 1dış gezegenlere, kara deliklere, derin alanlara ve daha fazlasına ilişkin araştırmalar dahil.

Bunun ötesinde, Webb kullanılarak gelecekte yapılacak çalışmalar büyük ölçüde açık. Araştırmacılar, Webb'i kullanarak hangi verileri toplamak istediklerine ilişkin teklifler sunarlar ve bu teklifler, bilimsel açıdan en ilgi çekici olanları seçmek üzere hakemli değerlendirmeden geçirilir. McCaughrean, "Gözlemeviyle ne yapılacağına topluluk karar veriyor" dedi.

Bu topluluk katılımı, Webb'in kullanılma biçimini zaten değiştirdi; örneğin, ötegezegen araştırması şu anda araştırmanın ilk turunda mevcut gözlem süresinin yaklaşık üçte birini kaplıyor. McCaughrean ve meslektaşları 2000'li yılların başında Webb'in nasıl kullanılabileceğini planlarken hayal bile edemiyorlardı. o dönemde çok az sayıda ötegezegen keşfedildiği için bu kadar ötegezegen araştırması yapılıyor olmalıydı. zaman.

Bu, Webb'i, ESA'nın Gaia gözlemevi gibi çok özel bir amacı olan görevlerden farklı kılmaktadır. Galaksinin 3 boyutlu haritasını yapmak için özel olarak tasarlandı ve daha çok Hubble'a benziyor. araştırma ihtiyaçları. McCaughrean, "Kesinlikle genel amaçlı bir gözlemevi" dedi. "Sadece Hubble'a ve onun yıllar içinde nasıl geliştiğine bakmanız yeterli. Kısmen yeni araçların devreye sokulması yoluyla, ancak çoğunlukla bilim camiasının farklı önceliklerin ve yapılması gereken farklı alanların olduğuna karar vermesi yoluyla.”

Bu esneklik, Webb'in henüz düşünmediğimiz uygulamalar da dahil olmak üzere pek çok alandaki araştırmalar için yararlı olacak şekilde tasarlanmış olması nedeniyle mümkündür. Webb sürmesi öngörülüyor en az 20 yıl ve bu süre içinde neler yapabileceğini henüz keşfetmeye başladık.

“Heyecan verici olan şey bu. McCaughrean, "Çok güçlü, çok yetenekli bir genel amaçlı gözlemevi inşa ederseniz, bu birçok açıdan yalnızca topluluğun yaratıcılığıyla sınırlanır" dedi. “Şimdi bunu Webb yapıyoruz.”

Editörlerin Önerileri

• James Webb, en eski süpernovalara ait olabilecek antik tozu tespit etti
• 13,4 milyar yıl önce oluşan bir galaksiyi görmek için çarpıcı James Webb görüntüsünü yakınlaştırın
• James Webb şimdiye kadar keşfedilen en uzaktaki aktif süper kütleli kara deliği tespit etti
• James Webb evrenin büyük ölçekli yapısına dair ipuçları tespit ediyor
• James Webb çarpıcı Orion Bulutsusu'nda önemli bir molekül tespit etti