Вот на что космический телескоп Джеймса Уэбба нацелится в следующий раз
На прошлой неделе мир собрался на редкое зрелище международного единства, чтобы с удивлением посмотреть на первые научные изображения , сделанные космическим телескопом Джеймса Уэбба. Десятилетия создания и результат усилий тысяч людей со всего мира, телескоп призван произвести революцию в астрономии, позволив нам заглянуть в космос глубже, чем когда-либо прежде.
У Уэбба самое большое зеркало, когда-либо запущенное в космос, а также самый большой солнцезащитный козырек, и это самый мощный космический телескоп из когда-либо построенных. Первые изображения — это всего лишь представление о том, на что способна эта замечательная технология. Поэтому, чтобы узнать больше о том, какие будущие научные исследования позволит этот гигант, мы поговорили с Марком Маккорианом, междисциплинарным ученым Уэбба в Европейском космическом агентстве.
Маккориан будет одним из первых исследователей, которые будут использовать Уэбба для работы с туманностью Ориона , и он участвовал в планировании телескопа более 20 лет. Он рассказал нам всем о том, как Уэбб раздвинет границы астрономии и сделает открытия, о которых мы даже не подозревали.
Увидеть вселенную в инфракрасном диапазоне
Когда астрономы впервые начали представлять Уэбба в 1980-х годах, у них был конкретный план: они хотели, чтобы инструмент исследования космологии оглядывался на самые ранние галактики во Вселенной.
Ученые знали, что эти ранние галактики существовали и были близки к тому, чтобы быть доступными для нас, потому что космический телескоп Хаббла наблюдал несколько довольно ранних галактик. Глядя на длину волны видимого света, Хаббл смог идентифицировать сотни таких галактик, которые образовались в течение нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва. Но эти галактики уже сформировались, и исследователи хотели заглянуть еще дальше, чтобы увидеть, как они действительно формируются.
Для этого им нужен был инструмент, который мог бы смотреть в инфракрасном диапазоне, за пределами видимого света. Это потому, что самые ранние галактики излучали видимый свет точно так же, как галактики сегодня. Но Вселенная со временем расширяется, а это значит, что галактики, которые мы видим на небе, удаляются от нас. Чем старше галактика, тем она дальше. И это расстояние вызывает явление, называемое красным смещением.
Подобно эффекту Доплера, при котором звуки меняют свою воспринимаемую высоту по мере изменения расстояния между источником и наблюдателем, длина волны света изменяется по мере того, как его источник удаляется от нас. Этот свет смещен в более красную часть спектра, отсюда и название «красное смещение».
Таким образом, самые старые галактики имеют свет, смещенный в красную сторону настолько сильно, что его больше невозможно наблюдать как видимый свет. Вместо этого он виден как инфракрасный — и это длина волны, на которой работает Уэбб.
Именно так Уэбб смог обнаружить и идентифицировать самые ранние галактики. Если Уэбб сможет увидеть галактику, ярко светящуюся в инфракрасном диапазоне, но тусклую или невидимую для телескопов, использующих преимущественно видимый свет, таких как Хаббл, то исследователи могут быть уверены, что нашли галактику с чрезвычайно красным смещением, то есть она очень сильно смещена. далеко и, следовательно, очень старый.
Даже на первом глубокопольном изображении , сделанном Уэббом, вы можете увидеть очень старые галактики. Скопление галактик, которое находится в центре изображения, имеет возраст 4,6 миллиарда лет, но из-за своей массы оно искривляет пространство-время вокруг себя. Это означает, что свет, исходящий от галактик позади этого скопления, также искривляется, поэтому скопление действует как увеличительное стекло в эффекте, называемом гравитационным линзированием. Некоторым из галактик, видимых в этом глубоком поле, около 13 миллиардов лет, то есть они образовались в первый миллиард лет существования Вселенной.
Расширение, чтобы делать больше
Однако если Уэбб изначально задумывался как космологический инструмент, то вскоре он расширился и стал чем-то большим.
За десятилетия планирования Webb дизайнеры поняли, что инструмент, который они создавали, можно использовать в гораздо более разнообразных областях, чем просто космология. Они добавили новые инструменты, такие как MIRI, который смотрит в среднем инфракрасном диапазоне, а не в ближнем инфракрасном диапазоне, и более полезен для изучения звездообразования и формирования планет, чем для космологии. В этом различии есть своя проблема, так как этот прибор имеет детекторы, отличные от других приборов, и требует собственного охладителя . Но, наряду с другими инструментами, он расширяет возможности Webb до целого ряда возможностей.
«Первоначальный фокус телескопа был гораздо больше направлен на вселенную с большим красным смещением», — подытожил Маккориан. «Это была высшая цель — найти эти первые звезды и галактики, образовавшиеся после Большого взрыва. Все остальное после этого «приятно иметь». Но в ходе проекта нам удалось превратить это в четыре темы: космология, звездообразование, планетарная наука и эволюция галактик. И мы позаботились о том, чтобы обсерватория была способна на все это».
Камеры и спектрографы
У Уэбба на борту четыре инструмента: камера ближнего инфракрасного диапазона или NIRCam, спектрограф ближнего инфракрасного диапазона или NIRSpec, формирователь изображений ближнего инфракрасного диапазона и бесщелевой спектрограф или NIRISS, а также прибор среднего инфракрасного диапазона или MIRI. Также есть датчик, называемый датчиком точного наведения (FGS), который помогает направить телескоп в правильном направлении.
Инструменты представляют собой смесь камер и спектрографов, которые представляют собой инструменты для разделения света на разные длины волн, чтобы вы могли видеть, какие длины волн были поглощены. Это позволяет вам увидеть, из чего состоит объект, глядя на свет, который он излучает.
Хотя изображения, сделанные камерами, привлекают наибольшее внимание общественности, нельзя недооценивать спектрографы как научный инструмент. Около половины отведенного в настоящее время времени наблюдений посвящено спектроскопии для решения таких задач, как анализ состава атмосфер экзопланет. Отчасти потому, что на получение спектра объекта уходит больше времени, чем на его изображение, а отчасти потому, что спектроскопия может делать то, чего не может визуализировать.
Камеры и спектрографы также работают вместе, поскольку фильтры, используемые при построении изображений, полезны для выбора объектов для изучения с помощью спектрографов.
«Представьте, что вы делаете глубокое поле, делая несколько глубоких изображений с помощью NIRCam», — объяснил Маккориан. «Затем вы используете разные фильтры для выбора кандидатов, потому что в этой области будет слишком много вещей, которые нужно рассматривать одну за другой с помощью спектроскопии. Поэтому вам нужно изображение, чтобы найти кандидатов», например, глядя на цвета на изображении, чтобы решить, что данный объект является, скажем, галактикой с большим красным смещением, а не тусклой близкой звездой.
Это уже было продемонстрировано на практике с первым изображением Уэбба в глубоком поле . Изображение было сделано с помощью камеры NIRCam, которая смогла запечатлеть огромное количество галактик, как близких, так и далеких, на одном потрясающем изображении. Затем были выбраны определенные цели, такие как галактика возрастом более 13 миллиардов лет , и они наблюдались с помощью спектрографа NIRSpec, собирая данные о составе и температуре этой ранней галактики.
«Это такой красивый, чистый спектр», — сказал Маккориан. «Никто никогда и нигде не видел ничего подобного. Итак, теперь мы знаем, что эта машина работает невероятно мощно».
Несколько режимов
Чтобы понять все возможности Webb, вы должны знать, что каждый из четырех инструментов не имеет только одного режима — их можно использовать несколькими способами для наблюдения за разными целями. Всего между четырьмя инструментами существует 17 режимов , и каждый из них должен был быть протестирован и проверен, прежде чем телескоп был объявлен готовым к началу научных операций.
Например, возьмем прибор NIRSpec. Он может выполнять несколько типов спектроскопии, в том числе спектроскопию с фиксированной щелью, которая является высокочувствительным режимом для исследования отдельных целей (например, анализ света, испускаемого слиянием нейтронных звезд, называемого килоновой), или спектроскопию полевых устройств, которая рассматривает спектры для несколько пикселей на небольшой площади для получения контекстной информации о цели (например, взгляд на очень далекую галактику, искаженную гравитационным линзированием).
Третий тип спектроскопии, который использует NIRSpec, — это что-то действительно особенное, называемое многообъектной спектроскопией. В нем используются крошечные оконные жалюзи, расположенные в формате, называемом массивом микрозатворов. «В основном это небольшие устройства диаметром пару сантиметров, которых у нас четыре. В каждом из этих устройств есть 65 000 маленьких отдельных заслонок», — сказал Маккориан.
Каждая из этих заслонок может открываться или закрываться индивидуально, что позволяет исследователям выбирать, на какие части поля они смотрят. Чтобы использовать эти микрозатворы, исследователи сначала делают снимок с помощью другого инструмента, такого как NIRCam, чтобы выбрать интересующие объекты. Затем они командуют ставням, соответствующим этим интересующим объектам, открыться, в то время как другие остаются закрытыми.
Это позволяет свету от целей, таких как определенные галактики, проникать в детекторы телескопа, не позволяя также просачиваться фоновому свету. «Открывая только дверь, где находится галактика, и закрывая все остальные двери, когда свет исходит от этого объекта, он распространяется в спектр, и весь остальной свет не проходит», — сказал Маккориан. . «Это делает его более чувствительным».
Эта многообъектная спектроскопия может использоваться для изучения конкретных галактик на изображениях глубокого поля, что особенно полезно для изучения самых ранних галактик с сильным красным смещением. И этот метод способен получать спектры до 100 объектов одновременно, что делает его очень эффективным способом сбора данных.
Работа со слишком большим количеством света
Как показывают микрозатворы, одной из сложных частей работы с высокочувствительными инструментами является работа со слишком большим количеством света. Возьмем работу, которую Джеймс Уэбб проделает на Юпитере в первые несколько месяцев его работы — на самом деле очень сложно изобразить кольца и спутники вокруг Юпитера, потому что сама планета очень яркая. Если слабый объект, который вы пытаетесь наблюдать, находится рядом с очень ярким, он может исказить ваши показания, и вы увидите только свет от более яркого объекта.
Аналогичная проблема возникает, когда вы пытаетесь наблюдать далекие экзопланеты, которые очень тусклые по сравнению со звездами, вокруг которых они вращаются. Чтобы справиться с этой проблемой, у Джеймса Уэбба есть еще одна хитрость под названием коронография.
И NIRCam, и MIRI имеют режимы коронографии, самая простая форма которых — поместить небольшой металлический диск перед ярким объектом, чтобы заблокировать его свет. Тогда вы сможете легче наблюдать за другими, более тусклыми источниками света вокруг него. Но у этого подхода есть свои ограничения: если яркий объект движется за диском, его свет может вылиться за края и испортить наблюдения. Вы можете сделать диск меньше, чтобы он блокировал только самую яркую центральную точку объекта, но тогда вам все равно придется иметь дело с большим количеством лишнего света. Вы можете сделать диск больше, но тогда он будет блокировать другие объекты, находящиеся рядом с ярким объектом.
Итак, есть еще одна форма этого режима коронографии, в которой используется аппаратное обеспечение, называемое четырехквадрантной фазовой маской. «Это очень умная оптика, — сказал Маккориан. «У него нет металлического диска, но есть четыре разных кусочка стекла, которые придают разные фазы входящему свету. Когда мы думаем о свете как о волне, а не как о фотонах, свет имеет фазу. Если вы поместите яркий источник прямо на крест, где встречаются эти четыре разные фазовые пластины, вы можете сделать так, что свет на самом деле будет отражаться от звезды из-за эффекта волновой интерференции».
Это означает, что если вы выровняете его так, чтобы яркий объект находился точно в середине этих квадрантов, свет от звезды будет погашен, но свет от других объектов, таких как планеты, все равно будет виден. Это делает его идеальным для наблюдения за экзопланетами, вращающимися вокруг своих звезд, которые в противном случае было бы невозможно увидеть.
Использование времени
Еще один способ справиться с сочетанием ярких и тусклых объектов — проводить многократные измерения с течением времени. В отличие от чего-то вроде вашего телефона, который делает снимок и сразу же перезагружается, детекторы в Уэббе могут снимать несколько показаний без сброса.
«Поэтому мы можем делать серию снимков с помощью одного и того же детектора, поскольку он накапливает свет от слабых источников», — объясняет Маккориан. «Но когда мы смотрим на данные, мы можем использовать первые изображения для ярких источников до того, как они насыщаются, а затем продолжать наращивать свет от слабых источников и получать чувствительность. Он эффективно расширяет динамический диапазон, многократно считывая показания детекторов».
Другой режим, в котором могут работать инструменты, называется наблюдением за временными рядами, который, по сути, просто снимает множество показаний одно за другим, чтобы зафиксировать объекты, которые меняются во времени. Это полезно для съемки объектов, которые вспыхивают, таких как пульсирующие нейтронные звезды, называемые магнетарами, или для наблюдения за экзопланетами, которые движутся по поверхности своей родительской звезды в движении, называемом транзитом.
«Поскольку планета проходит перед звездой, вы хотите поймать ее на краях транзита, а также в середине транзита», — сказал Маккориан. «Поэтому вы просто продолжаете смотреть это и продолжаете собирать данные».
Одна из проблем с этим методом заключается в том, что он требует, чтобы телескоп оставался почти в идеальном положении, потому что даже незначительное смещение вносило бы шум в данные. Но хорошая новость заключается в том, что телескоп работает очень хорошо с точки зрения наведения на объект и остается на месте благодаря датчику точного наведения, который захватывает близлежащие звезды и приспосабливается к любым возмущениям, таким как солнечный ветер.
Проблемы в работе с Уэббом
Как и в случае с любой другой технологией, возможности Уэбба ограничены. Одним из больших практических ограничений для ученых, использующих Webb, является количество данных, которые они могут собрать с помощью телескопа. В отличие от Хаббла, который вращается вокруг Земли, Уэбб вращается вокруг Солнца в точке, называемой L2 .
Это примерно в 1 миллионе миль от Земли, поэтому Уэбб оснащен мощной радиоантенной , которая может отправлять данные обратно на Землю со скоростью 28 мегабит в секунду. Это впечатляет — как отметил Маккориан, это значительно быстрее, чем Wi-Fi в его отеле, который мы использовали для разговоров, даже на гораздо большем расстоянии, — но это не близко к общему объему данных, которые могут принимать инструменты. в секунду.
У обсерватории есть небольшой объем твердотельного хранилища, около 60 ГБ , который может записывать данные в течение короткого времени, если инструменты собирают больше данных, чем могут быть отправлены обратно, выступая в качестве буфера. Это может показаться не таким уж большим по сравнению с типом хранилища, которое вы обычно получаете на телефоне или ноутбуке, но требования к оборудованию, которое защищено от радиации и может выдерживать десятилетия использования, довольно разные.
Это ограничение означает, что исследователи должны быть избирательны в отношении того, каким данным они отдают приоритет в нисходящих каналах связи с телескопа, выбирая только самые важные данные для своих нужд. Вы можете задаться вопросом, почему в этом случае Уэбб не расположен ближе к Земле, но орбита L2 важна для его работы — и причина связана с температурой.
«Люди думают, что космос холодный, но не тогда, когда вы находитесь рядом с большим объектом, который нагревает вас каждый день, как Земля или Солнце», — сказал Маккориан. «Поэтому, если вы хотите смотреть в инфракрасном диапазоне, вам нужно убедиться, что ваш телескоп невероятно холодный, чтобы он не излучал на длинах волн, которые вы пытаетесь обнаружить». Вот почему у Уэбба есть огромный солнцезащитный козырек, который помогает охлаждать его, и почему он находится на уровне L2, чтобы солнцезащитный козырек мог блокировать тепло как от солнца, так и от Земли.
«Мы построили обсерваторию, которая должна быть на уровне L2, она должна быть там, чтобы остыть, чтобы она могла предоставить эту науку. А поскольку он находится на уровне L2, у нас есть только определенная полоса пропускания», — пояснил Маккориан. «Бесплатных обедов не бывает, скажем так».
Сообщество решает
Первый год наблюдений Уэбба тщательно спланирован. В течение первых пяти месяцев научной деятельности он будет работать над научными программами раннего выпуска , которые предназначены для расширения возможностей аппаратного обеспечения Уэбба и проверки того, на что оно способно. В течение первого года он будет работать над программами, которые были выбраны в Цикл 1 , включая исследования экзопланет, черных дыр, глубоких полей и многого другого.
Однако помимо этого, дальнейшая работа, которую предстоит выполнить с помощью Webb, в значительной степени открыта. Исследователи подают предложения о том, какие данные они хотят собрать с помощью Webb, и эти предложения рецензируются, чтобы выбрать те, которые наиболее интересны с научной точки зрения. «Сообщество решает, что делать с обсерваторией», — сказал Маккориан.
Это участие сообщества уже изменило способ использования Уэбба — например, исследования экзопланет в настоящее время занимают около одной трети доступного времени наблюдений в первом раунде исследований. Когда Маккориан и его коллеги планировали, как можно использовать Уэбба в начале 2000-х годов, они не предполагали, что будет проводиться столько исследований экзопланет, потому что в то время было обнаружено так мало экзопланет.
Это отличает Уэбб от миссий с очень конкретной целью, таких как обсерватория ЕКА Gaia, которая разработана специально для создания трехмерной карты галактики, и больше от Хаббла, который был разработан для удовлетворения многих исследовательских потребностей. «Это определенно универсальная обсерватория, — сказал Маккориан. «Достаточно посмотреть на Хаббл и на то, как он развивался с годами. Отчасти за счет установки новых инструментов, но в основном за счет того, что научное сообщество решило, что существуют разные приоритеты и разные области, которые необходимо сделать».
Такая гибкость возможна, потому что Webb предназначен для исследований во многих областях, включая приложения, о которых мы еще не думали. Прогнозируется, что Webb прослужит не менее 20 лет, и мы едва начали изучать, что он может сделать за это время.
«Это захватывающая вещь. Если вы строите очень мощную, очень способную обсерваторию общего назначения, она во многом ограничена только творчеством сообщества», — сказал Маккориан. «Уэбб — это то, что мы делаем из этого сейчас».