Ось що далі спостерігатиме космічний телескоп Джеймса Вебба

Минулого тижня світ об’єднався у рідкісному прояві міжнародної єдності, щоб здивовано дивитися на це перші наукові зображення створений космічним телескопом Джеймса Вебба. Розроблявся десятиліттями і є результатом зусиль тисяч людей з усього світу Телескоп збирається зробити революцію в астрономії, дозволивши нам зазирнути у космос глибше, ніж будь-коли раніше.

Вебб має найбільше дзеркало, яке коли-небудь запускалося в космос, а також найбільший сонцезахисний екран, і це найпотужніший космічний телескоп, який коли-небудь створювався. Перші зображення – це лише приклад того, на що здатна ця чудова технологія. Тому, щоб дізнатися більше про те, які майбутні наукові дослідження забезпечить цей гігант, ми поговорили з Марком МакКогріном, міждисциплінарним науковцем Вебба в Європейському космічному агентстві.

МакКогрін стане одним із перших дослідників, які використають Вебба для своєї роботи Туманність Оріона, і він брав участь у плануванні телескопа більше 20 років. Він розповів нам усе про те, як Вебб розсуне кордони астрономії та дозволить зробити відкриття, про які ми навіть не уявляли.

Бачення Всесвіту в інфрачервоному діапазоні

Коли астрономи вперше почали уявляти Вебба у 1980-х роках, вони мали на увазі конкретний план: вони хотіли інструмент космологічних досліджень, щоб озиратися на найдавніші галактики у Всесвіті.

Вчені знали, що ці ранні галактики були там і були близькі до того, щоб бути доступними для нас, оскільки космічний телескоп Хаббла спостерігав деякі досить ранні галактики. Дивлячись на довжину хвилі видимого світла, Хаббл міг ідентифікувати сотні цих галактик, які утворилися протягом кількох сотень мільйонів років після Великого вибуху. Але ці галактики вже сформувалися, і дослідники хотіли озирнутися ще далі, щоб побачити їх справжнє формування.

Для цього їм потрібен був інструмент, який міг би дивитися в інфрачервоному діапазоні хвилі за межі видимого світла. Це тому, що найдавніші галактики випромінювали видиме світло, як і сучасні галактики. Але Всесвіт з часом розширюється, а це означає, що галактики, які ми бачимо в небі, віддаляються від нас. Чим старша галактика, тим вона далі. І ця відстань викликає явище, яке називається червоним зміщенням.

Подібно до ефекту Доплера, коли звуки змінюють висоту, що сприймається, залежно від відстані між ними джерело і спостерігач змінюються, довжина хвилі світла змінюється, коли його джерело віддаляється нас. Це світло зміщується до більш червоного кінця спектра, звідси і назва червоного зсуву.

Таким чином, найдавніші галактики мають світло, червоне зміщення якого настільки сильно, що його більше не можна спостерігати як видиме світло. Натомість він видимий як інфрачервоний — і це довжина хвилі, на якій працює Вебб.

Ось як Вебб може виявляти та ідентифікувати найдавніші галактики. Якщо Вебб може побачити галактику, яка яскраво світить в інфрачервоному діапазоні, але яка є тьмяною або невидимою для телескопів, що використовують переважно видиме світло як Хаббл, то дослідники можуть бути впевнені, що вони знайшли галактику, яка має надзвичайно червоне зміщення, тобто вона знаходиться дуже далеко, а отже, дуже старий.

Навіть у перше зображення глибокого поля від Вебба, ви можете побачити деякі надзвичайно старі галактики. Скупчення галактик, яке є фокусом зображення, має вік 4,6 мільярда років, але через свою масу воно огинає простір-час навколо себе. Це означає, що світло, що надходить від галактик позаду цього скупчення, також вигинається, тому скупчення діє як збільшувальне скло в ефекті, який називається гравітаційним лінзуванням. Деякі з галактик видимі в цьому глибокому полі приблизно 13 мільярдів років, тобто вони утворилися в перший мільярд років існування Всесвіту.

Розширення, щоб робити більше

Хоча Webb спочатку концептуалізувався як інструмент космології, невдовзі він став набагато більше, ніж це.

Протягом десятиліть планування Webb дизайнери зрозуміли, що створюваний ними інструмент можна використовувати в набагато більш різноманітних галузях, ніж просто космологія. Вони додали нові інструменти, такі як MIRI, який працює в середньому інфрачервоному діапазоні, а не в ближньому інфрачервоному діапазоні, і є більш корисним для вивчення утворення зірок і планет, ніж космології. Ця різниця створює певний виклик, як і цей інструмент різні детектори від інших інструментів і вимагає свого власний кулер. Але разом з іншими інструментами він розширює те, що може робити Вебб, до цілого ряду можливостей.

«Початковий фокус телескопа був набагато більше на Всесвіті з високим червоним зміщенням», — резюмував Маккогрін. «Це була найвища мета — знайти перші зірки та галактики, які утворилися після Великого вибуху. Усе інше після цього «приємно мати». Але в ході проекту нам вдалося перетворити це на чотири теми: космологія, утворення зірок, планетологія та еволюція галактик. І ми переконалися, що обсерваторія буде здатна на все це».

Фотоапарати та спектрографи

Вебб має на борту чотири інструменти: камеру ближнього інфрачервоного діапазону або NIRCam, спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону або NIRSpec, камера ближнього інфрачервоного діапазону та безщілинний спектрограф або NIRISS, а також прилад середнього інфрачервоного діапазону або МІРІ. Існує також датчик під назвою Fine Guidance Sensor (FGS), який допомагає спрямовувати телескоп у правильному напрямку.

Інструменти являють собою поєднання камер і спектрографів, які є інструментами для поділу світла на різні довжини хвилі, щоб ви могли бачити, які довжини хвиль були поглинені. Це дає змогу побачити, з чого складається об’єкт, дивлячись на світло, яке він випромінює.

Хоча зображення, зроблені камерами, привертають найбільшу увагу громадськості, спектрографи не можна недооцінювати як науковий інструмент. Близько половини відведеного наразі часу для спостережень присвячено спектроскопії для таких завдань, як аналіз складу атмосфер екзопланет. Частково це тому, що отримання спектру об’єкта займає більше часу, ніж його зображення, а частково тому, що спектроскопія може робити те, чого не може отримати зображення.

Камери та спектрографи також працюють разом, оскільки фільтри, які використовуються для отримання зображень, корисні для вибору об’єктів для дослідження за допомогою спектрографів.

«Уявіть, що ви робите глибоке поле, робите кілька глибоких зображень за допомогою NIRCam», — пояснив Маккогрін. «Потім ви використовуєте різні фільтри, щоб вибрати кандидатів, тому що в цьому полі буде надто багато речей, які потрібно розглядати одну за одною за допомогою спектроскопії. Тож вам потрібні зображення, щоб знайти кандидатів», наприклад, дивлячись на кольори на зображенні, щоб вирішити, що даний об’єкт є, скажімо, галактикою з високим червоним зміщенням, а не слабкою сусідньою зіркою.

Це вже було продемонстровано на практиці, с Перше глибоке кадрове зображення Вебба. Зображення було зроблено за допомогою камери NIRCam, яка змогла зафіксувати величезну кількість ближніх і далеких галактик на одному приголомшливому зображенні. Тоді конкретні цілі, як a галактика віком понад 13 мільярдів років, були вибрані та спостерігалися за допомогою спектрографа NIRSpec, збираючи дані про склад і температуру цієї ранньої галактики.

«Це такий гарний, чистий спектр», — сказав Маккогрін. «Ніхто ніколи й ніде не бачив нічого подібного. Тепер ми знаємо, що ця машина працює неймовірно потужно».

Кілька режимів

Щоб зрозуміти всі можливості Webb, ви повинні знати, що кожен із чотирьох інструментів має не лише один режим – їх можна використовувати кількома способами для спостереження за різними цілями. Загалом є 17 режимів між чотирма інструментами, і кожен з них мав бути випробуваний і перевірений, перш ніж телескоп був оголошений готовим до початку наукових операцій.

Для прикладу візьмемо прилад NIRSpec. Він може виконувати кілька типів спектроскопії, включаючи спектроскопію з фіксованою щілиною, яка є високочутливим режимом для дослідження окремих цілей. (наприклад, аналіз світла, випромінюваного злиттям нейтронних зірок, які називаються кілоновими), або спектроскопія польових одиниць, яка розглядає спектри для кількох пікселів над невеликою областю, щоб отримати контекстну інформацію про ціль (наприклад, дивлячись на надзвичайно віддалену галактику, яка була спотворена гравітацією лінзування).

Третій тип спектроскопії, яку виконує NIRSpec, — це щось справді особливе, що називається багатооб’єктною спектроскопією. У ньому використовуються крихітні віконця, розташовані у форматі, що називається масивом мікрозатворів. «По суті, це невеликі пристрої розміром кілька сантиметрів, яких у нас чотири. У кожному з цих пристроїв є 65 000 маленьких окремих жалюзі», – сказав Маккогрін.

Кожну з цих шторок можна окремо контролювати, відкриваючи чи закриваючи, дозволяючи дослідникам вибирати, на які частини поля вони дивляться. Щоб використовувати ці мікрозатвори, дослідники спочатку роблять зображення за допомогою іншого інструменту, наприклад NIRCam, щоб вибрати об’єкти, що цікавлять. Потім вони наказують віконницям, що відповідають цим цікавим об’єктам, відкритися, тоді як інші залишаються закритими.

Це дозволяє світлу від цілей, як-от певних галактик, просвічувати детектори телескопа, не допускаючи просочування світла з фону. «Відкриваючи лише двері, де знаходиться галактика, і закриваючи всі інші двері, коли світло проходить через цей об’єкт розповсюджується на спектр, і ви не маєте іншого світла, яке проходить через нього», – Маккогрін. сказав. «Це робить його більш чутливим».

Цю багатооб’єктну спектроскопію можна використовувати для перегляду окремих галактик на зображеннях глибокого поля, що особливо корисно для вивчення найдавніших галактик із сильним червоним зміщенням. І цей метод здатний отримувати спектри до 100 об’єктів одночасно, що робить його дуже ефективним способом збору даних.

Боротьба із занадто великою кількістю світла

Як показують мікрозатвори, однією складною частиною роботи з високочутливими інструментами є надлишок світла. Візьмемо роботу Джеймса Вебба буде робити на Юпітері у перші кілька місяців роботи – насправді дуже важко зобразити кільця та супутники навколо Юпітера, оскільки сама планета дуже яскрава. Якщо тьмяний об’єкт, який ви намагаєтеся спостерігати, знаходиться поруч із дуже яскравим, це може перешкодити вашим показанням, тому ви бачите лише світло від яскравішого об’єкта.

Подібна проблема виникає, коли ви намагаєтеся спостерігати за далекими екзопланетами, які дуже тьмяні порівняно з зірками, навколо яких вони обертаються. Щоб впоратися з цією проблемою, Джеймс Вебб має в своєму рукаві ще один трюк під назвою коронографія.

І NIRCam, і MIRI мають режими коронографії, найпростішою формою яких є розміщення невеликого металевого диска перед яскравим об’єктом, щоб блокувати його світло. Тоді вам легше буде спостерігати за іншими, більш тьмяними джерелами світла навколо нього. Але цей підхід має свої обмеження: якщо яскравий об’єкт рухається за диском, його світло може розлитися через краї та зіпсувати спостереження. Ви можете зробити диск меншим, щоб він блокував лише центральну найяскравішу точку об’єкта, але тоді у вас все одно буде багато надлишкового світла, з яким потрібно мати справу. Ви можете зробити диск більшим, але тоді він блокуватиме інші об’єкти, які знаходяться поблизу яскравого об’єкта.

Отже, існує інша форма цього режиму коронографії, яка використовує апаратне забезпечення, яке називається чотириквадрантною фазовою маскою. «Це дуже розумна оптика», — сказав Маккогрін. «У нього немає металевого диска, але він має чотири різні шматки скла, які надають різні фази світлу, що надходить. Коли ми думаємо про світло як про хвилю, а не як про фотони, світло має фазу. Якщо ви розмістите джерело яскравості прямо на хресті, де зустрічаються ці чотири різні фазові пластини, ви зможете попрацюйте так, щоб світло фактично гасило від зірки через інтерференцію хвиль ефект».

Це означає, що якщо ви вирівнюєте його правильно, щоб яскравий об’єкт знаходився точно посередині цих квадрантів, світло від зірки буде знищено, але світло від інших об’єктів, таких як планети, залишиться видно. Це робить його ідеальним для спостереження за екзопланетами, що обертаються поблизу своїх зірок-господарів, які інакше було б неможливо побачити.

Використання часу

Ще один спосіб впоратися з поєднанням яскравих і тьмяних об’єктів – зняти кілька показань протягом певного часу. На відміну від телефону, який робить знімок і одразу скидає налаштування, детектори Webb можуть знімати кілька показань без скидання.

«Тож ми можемо зробити серію знімків протягом певного часу за допомогою того самого детектора, оскільки він збирає світло від слабких джерел», — пояснює Маккогрін. «Але коли ми дивимося на дані, ми можемо використовувати перші зображення для яскравих джерел до того, як вони насичуються, а потім продовжувати накопичувати світло від слабких джерел і отримати чутливість. Він ефективно розширює динамічний діапазон, багаторазово зчитуючи дані детекторів».

Інший режим, у якому можуть працювати інструменти, називається спостереженнями за часовими рядами, що, по суті, полягає в знятті багатьох показань один за одним для фіксації об’єктів, які змінюються з часом. Це корисно для зйомки об’єктів, які спалахують, наприклад пульсуючих нейтронних зірок, які називаються магнетарами, або для перегляду екзопланет, які рухаються поперек зірки-господаря в русі, що називається транзитом.

«Оскільки планета проходить перед зіркою, ви хочете зловити її на краях транзиту, а також у середині транзиту», — сказав МакКогрін. «Тож ви просто продовжуєте спостерігати за цим і продовжуєте збирати дані».

Одна з труднощів цього методу полягає в тому, що він вимагає, щоб телескоп залишався в майже ідеальному вирівнюванні, тому що якщо він хоч трохи зрушиться, це внесе шум у дані. Але хороша новина полягає в тому, що телескоп надзвичайно добре працює з точки зору наведення на об’єкт і перебування в завдяки датчику точної навігації, який фіксує сусідні зірки та налаштовується на будь-які збурення, такі як сонячні вітри.

Труднощі в роботі з Веббом

Як і з кожною технологією, існують обмеження щодо можливостей Вебба. Одним із великих практичних обмежень для вчених, які використовують Webb, є кількість даних, які вони можуть зібрати з телескопа. На відміну від Хаббла, який обертається навколо Землі, Вебб обертається навколо Сонця за а положення під назвою L2.

Це приблизно 1 мільйон миль від Землі, тому Вебб оснащений a потужна радіоантена який може надсилати дані на Землю зі швидкістю 28 мегабіт на секунду. Це досить вражаюче — як зазначив Маккогрін, це значно швидше, ніж Wi-Fi у його готелі, яким ми користувалися розмовляти, навіть на набагато більшій відстані — але це не близько до загального обсягу даних, які можуть приймати прилади другий.

Обсерваторія має невелику кількість твердотільного накопичувача, близько 60 ГБ, який може записувати дані протягом короткого часу, якщо прилади збирають більше даних, ніж можна надіслати назад, діючи як буфер. Це може здатися невеликим у порівнянні з типом пам’яті, який ви зазвичай отримуєте на телефоні чи ноутбуці, але Вимоги до апаратного забезпечення, яке є безпечним від випромінювання та може витримати десятиліття використання, досить різні.

Це обмеження означає, що дослідники мають вибирати, яким даним вони віддають пріоритет у низхідних каналах зв’язку з телескопом, вибираючи лише найважливіші дані для своїх потреб. Ви можете задатися питанням, чому в цьому випадку Вебб не розташований ближче до Землі, але орбіта L2 є важливою для того, як він працює, і причина полягає в температурах.

«Люди думають, що космос холодний, але ні, якщо ви перебуваєте поруч із великим об’єктом, який щодня нагріває вас, як Земля чи Сонце», — сказав Маккогрін. «Отже, якщо ви хочете дивитися в інфрачервоному діапазоні, вам потрібно переконатися, що ваш телескоп неймовірно холодний, щоб він не випромінював на тих довжинах хвиль, які ви намагаєтеся виявити». Ось чому Webb має величезний сонцезахисний екран, який допомагає зберігати прохолоду, і чому він знаходиться на L2, щоб сонцезахисний екран міг блокувати тепло як від сонця, так і від земля.

«Ми побудували обсерваторію, яка повинна бути на L2, вона повинна бути там, щоб охолоджуватися, щоб вона могла донести цю науку. І оскільки це L2, ми маємо лише певну пропускну здатність», – пояснив Маккогрін. «Немає такого поняття, як безкоштовний обід, скажемо так».

Громада вирішує

Перший рік спостережень Вебба ретельно спланований. Протягом перших п'яти місяців наукових операцій він працюватиме далі наукові програми раннього випуску, які створені, щоб розширити межі апаратного забезпечення Webb і побачити, на що воно здатне. Протягом першого року він працюватиме над програмами, які були відібрані Цикл 1, включаючи дослідження екзопланет, чорних дір, глибоких полів тощо.

Крім того, майбутня робота за допомогою Webb в основному відкрита. Дослідники подають пропозиції щодо того, які дані вони хочуть збирати за допомогою Webb, і ці пропозиції рецензуються, щоб вибрати ті, які є найбільш науково цікавими. «Громада вирішує, що робити з обсерваторією», — сказав Маккогрін.

Ця участь спільноти вже змінила спосіб використання Webb — наприклад, дослідження екзопланет наразі займає приблизно одну третину доступного часу спостереження в першому раунді досліджень. Коли на початку 2000-х років МакКогрін і його колеги планували, як можна використовувати Webb, вони навіть не уявляли, було б десь близько стільки екзопланетних досліджень, тому що на той час було відкрито так мало екзопланет час.

Це відрізняє Вебб від місій із дуже конкретною метою, як-от обсерваторія Gaia ESA, яка розроблений спеціально для створення 3D-карти галактики, і більше схожий на Hubble, який був розроблений, щоб зустріти багатьох дослідницькі потреби. «Це однозначно обсерваторія загального призначення», — сказав Маккогрін. «Потрібно лише подивитися на Hubble і на те, як він розвивався протягом багатьох років. Частково через впровадження нових інструментів, але здебільшого через те, що наукове співтовариство вирішило, що існують інші пріоритети та різні сфери, які потрібно зробити».

Ця гнучкість можлива, тому що Webb розроблений, щоб бути корисним для досліджень у багатьох галузях, включаючи програми, про які ми ще не думали. Вебб є за прогнозами триватиме принаймні 20 років, і ми ледве почали досліджувати, що він може зробити за цей час.

«Це захоплююча річ. Якщо ви побудуєте дуже потужну, дуже спроможну обсерваторію загального призначення, багато в чому це буде обмежено лише креативністю спільноти», – сказав Маккогрін. «Вебб — це те, що ми з нього зараз робимо».

Рекомендації редакції

• Джеймс Вебб помічає стародавній пил, який міг походити від найдавніших наднових
• Збільште приголомшливе зображення Джеймса Вебба, щоб побачити галактику, яка утворилася 13,4 мільярда років тому
• Джеймс Вебб помічає найвіддаленішу активну надмасивну чорну діру з коли-небудь виявлених
• Джеймс Вебб знаходить ключі до великомасштабної структури Всесвіту
• Джеймс Вебб виявляє важливу молекулу в приголомшливій туманності Оріона