Наши знания о вселенной ограничены возможностями наших чувств, но наш разум не знает таких ограничений. Когда свет костра не позволяет нам увидеть источник треска ветки в лесной тьме, мы представляем себе всевозможные ужасные перспективы. Но отойдите на несколько шагов, подожгите себе спину, и мы увидим глубже и яснее. Воображение встречается с информацией, и мы внезапно понимаем, с чем имеем дело.
Но для понимания космоса требуется нечто большее, чем хорошее зрение и некоторое расстояние от городских огней; для этого требуются инструменты, способные расширить наши чувства за пределы наших эволюционных ограничений, нашей атмосферы или даже нашей планетарной орбиты. Астрономия и космология вынуждены и ограничены качеством этих инструментов.
Около 400 лет назад телескоп обнаружил неожиданные спутники, планеты и солнечные пятна, породив целую череду новых космических теорий и более совершенных инструментов для их проверки, открывая вздымающиеся туманности и скопление звезд по пути.
В середине 20-го века радиотелескопы показали, что галактики, далекие от статических пятен, на самом деле активны и полны энергии. До появления космического телескопа «Кеплер» мы думали, что экзопланеты во Вселенной встречаются редко; теперь мы подозреваем, что их может быть больше, чем звезд. Более трех десятилетий работы космического телескопа Хаббл на орбите Земли помогли проникнуть сквозь завесу времени, сфотографировать звездные ясли и доказать, что галактики сталкиваются. Теперь космический телескоп Джеймса Уэбба готов повернуться спиной к солнечному свету, отойти от Земли и сделать острые, тонкие наблюдения возможными только в холодных темных пространствах за пределами Луны.
Намеченный на 22 декабря 2021 года, дата запуска с европейского космодрома в Куру, Французская Гвиана, Уэбб был построен в результате международного сотрудничества между НАСА, Европейским космическим агентством (ЕКА) и Канадским космическим агентством (CSA)., и ему поручено ответить на несколько очень амбициозных вопросов. Это также приблизит астрономов как никогда раньше к началу времен, давая возможность взглянуть на достопримечательности, давно предполагаемые, но никогда ранее не наблюдавшиеся, от рождения галактик до света от самых первых звезд.
Миссия: Стоя на плечах гигантов
Миссия Уэбба основывается на работе Больших обсерваторий НАСА, четырех замечательных космических телескопов, инструменты которых охватывают самые передовые области электромагнитного спектра и расширяют их. Четыре перекрывающихся миссии позволили ученым наблюдать за одними и теми же астрономическими объектами в видимом, гамма-, рентгеновском и инфракрасном спектрах.
Хаббл размером со школьный автобус, который видит в основном в видимом спектре с некоторым ультрафиолетовым и ближним инфракрасным покрытием, запустил программу в 1990 году и, при дальнейшем обслуживании, будет дополнять и работать с Уэббом. Телескоп, названный в честь Эдвина Хаббла, астронома, открывшего многие события, для исследования которых он был создан, с тех пор стал одним из самых продуктивных инструментов в истории науки. теория к наблюдаемому факту.
К Хабблу в большой четверке присоединились Комптоновская гамма-обсерватория (CGRO), рентгеновская обсерватория Чандра и космический телескоп Спитцер.
- CGRO, запущенный в 1991 году и в настоящее время выведенный из эксплуатации, обнаружил высокоэнергетические, жестокие явления в диапазоне от 30 килоэлектрон-вольт (кэВ) до 30 гигаэлектрон-вольт (ГэВ), включая извергающие энергию ядра активных галактик.
- Chandra, запущенная в 1999 году и до сих пор вращающаяся на высоте около 86 500 миль (139 000 километров) в космосе, осуществляет мониторинг черных дыр, квазаров и высокотемпературных газов в рентгеновском спектре и обеспечивает жизненно важные данные о рождении, росте и конечной судьбе вселенной.
- Спитцер, который был запущен в 2003 году и находился на орбите, отстающей от Земли, наблюдая за небом в тепловом инфракрасном диапазоне (3-180 микрон), полосе пропускания, полезной для наблюдения за рождением звезд, галактическими центрами и холодными, тусклыми звездами, и для обнаружения молекул в космосе. Первоначально Spitzer был построен на срок не менее двух с половиной лет, но Spitzer продолжал работать до 30 января 2020 года.
Уэбб отличается тем, что у него есть возможность глубоко вглядываться в ближний и средний инфракрасный диапазон, и у него будет четыре научных инструмента для захвата изображений и спектров астрономических объектов. Почему это имеет значение? Звезды и планеты, которые только формируются, скрыты за пылью, поглощающей видимый свет. Однако испускаемый инфракрасный свет может пробить это пыльное одеяло, открывая то, что находится позади. Ученые надеются, что это позволит им наблюдать самые первые звезды во Вселенной; образование и столкновение молодых галактик; и рождение звезд и протопланетных систем, возможно, даже тех, которые содержат химические составляющие жизни.
Эти первые звезды могут содержать ключ к пониманию структуры Вселенной. Теоретически то, где и как они образовались, связано с ранними структурами темной материи - невидимой, загадочной материи, которую можно обнаружить по гравитации, которую она оказывает - и их жизненные циклы и смерти вызвали обратную связь, которая повлияла на формирование первых галактик. И как сверхмассивные недолговечные звезды, масса которых примерно в 30-300 раз превышает массу (и в миллионы раз больше яркости) нашего Солнца, эти первенцы вполне могли взорваться как сверхновые, а затем коллапсировать, образуя черные дыры, а затем расширяться и сливаться. в огромные черные дыры, которые занимают центры самых массивных галактик.
Наблюдение за всем этим - подвиг, недоступный любому инструменту или телескопу, созданному до сих пор.
Первый свет
Термин «первый свет» относится к первым звездам, когда-либо сформировавшимся во Вселенной, которые вспыхнули через 400 миллионов лет после Большого взрыва и полностью состоят из первичного газа. Однако эти древние солнца не являются самыми древними источниками излучения. Эта честь принадлежит космическому фоновому излучению, микроволновому излучению, высвобождаемому при образовании первых атомов примерно через 400 000 лет после Большого взрыва и наблюдаемому с помощью миссий NASA Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) и Cosmic Background Explorer (COBE). Уэбб, однако, не увидит это раннее излучение.
Совершите экскурсию по космическому телескопу Джеймса Уэбба
Уэбб немного похож на ромбовидный плот с толстой изогнутой мачтой и парусом, если парус был построен гигантскими медоносными пчелами, жующими бериллий. «Плот» (или солнцезащитный козырек) сделан из мембранных слоев - толщиной с человеческий волос - из каптона, высокоэффективного пластика, покрытого отражающим металлом. Вместе они защищают главный отражатель и приборы.
«киль» Уэбба - это то, что вы могли бы представить как его унифицированную структуру поддона. Вот где массивный солнцезащитный козырек складывается для взлета. В центре находится шина космического корабля, в которой собраны все вспомогательные функции, обеспечивающие работу Webb, включая электропитание, управление ориентацией, связь, управление командами и данными, а также температурный контроль. Антенна с высоким коэффициентом усиления украшает внешний вид Webb, как и набор звездных датчиков, которые работают с точным датчиком наведения, чтобы все было направлено в правильном направлении. Наконец, на одном конце солнцезащитного козырька и перпендикулярно ему находится триммер импульса, который компенсирует давление фотонов на корабль, подобно тому, как это делает триммер на парусном корабле..
Над козырьком находится "парус" или гигантские зеркала Уэбба. У Уэбба есть главное зеркало диаметром 21,4 фута (6,5 метра), которое измеряет свет от далеких галактик. (Для сравнения, зеркало космического телескопа Хаббла составляет 7,8 футов [2,4 метра]). Он состоит из 18 шестиугольных бериллиевых секций, которые раскрываются после запуска, а затем координируются, чтобы действовать как одно огромное главное зеркало. Это зеркало имеет гораздо более легкую конструкцию и позволяет складывать всю конструкцию, как стол с откидными полами. Шестиугольная форма зеркал позволяет конструкции быть примерно круглой, без зазоров. Если бы зеркальные сегменты были кругами, между ними были бы промежутки.
Давайте подробнее рассмотрим инструменты, которые сделают все эти исследования возможными.
Инструменты: Взгляд за пределы видимости
Несмотря на то, что он частично видит в видимом диапазоне (красный и золотой свет), Уэбб по своей сути является большим инфракрасным телескопом.
- Его основной формирователь изображения, камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), воспринимает сигналы в диапазоне 0,6-5,0 микрон (ближний инфракрасный диапазон). Это означает, что он может обнаруживать инфракрасный свет от самых ранних рождающихся звезд и галактик; провести перепись ближайших галактик; и замечайте объекты, проходящие через пояс Койпера, пространство ледяных объектов, вращающихся по орбите за Нептуном. Это также поможет исправить телескопическое зрение Уэбба по мере необходимости.
- NIRCam оснащен коронографом, который позволяет камере наблюдать за тонкими ореолами, окружающими яркие звезды, блокируя их ослепляющий свет - важный инструмент для обнаружения экзопланет.
- Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) работает в том же диапазоне длин волн, что и NIRCam. Как и другие спектрографы, он анализирует физические характеристики объектов, таких как звезды, путем разделения их света на спектр, структура которого меняется в зависимости от температуры, массы и химического состава цели. NIRSpec будет изучать тысячи древних галактик с настолько слабым излучением, что гигантскому зеркалу Уэбба потребуется наводить на них сотни часов, чтобы собрать достаточно света для формирования спектра. Чтобы помочь в этой задаче, спектрограф имеет сетку из 62 000 отдельных заслонок, каждая из которых способна открываться и закрываться, блокируя свет более ярких звезд. Благодаря этому массиву микрозатворов NIRSpec станет первым космическим спектрографом, предназначенным для одновременного наблюдения за 100 различными объектами.
- Датчик точного наведения/сканер ближнего инфракрасного диапазона и безщелевой спектрограф (FGS-NIRISS) на самом деле представляет собой два объединенных датчика, которые помогут исследовать обнаружение первого света, обнаружение и определение характеристик экзопланет, а также транзитную спектроскопию экзопланет. FGS также поможет направить телескоп в разные стороны.
- Последний инструмент Webb расширяет свой диапазон за пределы ближнего и среднего инфракрасного диапазонов, что удобно для обнаружения планет, комет, астероидов, нагретой звездным светом пыли и протопланетных дисков. И камера, и спектрограф, этот прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI) охватывает самый широкий диапазон длин волн от 5 до 28 микрон. Его широкополосная широкополосная камера сделает еще больше снимков, которые сделали Хаббл знаменитым.
Но инфракрасное наблюдение необходимо для понимания Вселенной. Пыль и газ могут блокировать видимый свет звезд в звездных яслях, но пропускает инфракрасное излучение. Более того, по мере того, как Вселенная расширяется и галактики расходятся, их свет «растягивается» и смещается в красную сторону, скользя в сторону более длинных электромагнитных (ЭМ) длин волн, таких как инфракрасное излучение. Чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется и тем больше смещается ее свет в красную сторону, следовательно, ценность телескопа, подобного Уэббу.
Инфракрасные спектры также могут предоставить массу информации об атмосферах экзопланет и о том, содержат ли они молекулярные ингредиенты, связанные с жизнью. На Земле мы называем водяной пар, метан и углекислый газ «парниковыми газами», потому что они поглощают тепловое инфракрасное излучение (также известное как тепло). Поскольку эта тенденция сохраняется везде, ученые могут использовать Уэбба для обнаружения таких веществ в атмосферах далеких миров, ища контрольные образцы поглощения в их спектроскопических показаниях..
Скрытая Вселенная
Астрономы называют инфракрасный диапазон электромагнитного (ЭМ) спектра «скрытой вселенной». Хотя любой объект с высокой температурой излучает инфракрасный свет, атмосфера Земли блокирует большую его часть, делая его невидимым для наземной астрономии.
Вопросы, на которые Уэбб мог бы ответить
Космический телескоп Джеймса Уэбба - самый большой и мощный космический телескоп из когда-либо построенных. Это будет самый сложный телескоп, запущенный в космос. Данные, которые он предоставляет во время своей миссии, которая, как ожидается, продлится от пяти до десяти лет, могут изменить наше понимание Вселенной.
Почему? Потому что его цель - изучить все этапы нашей космической истории, включая Большой взрыв. Но у телескопа Уэбба во время его миссии есть четыре различные цели, и они сгруппированы в четыре темы:
- Конец темных веков: первый свет и реионизация: Уэбб будет использовать инфракрасные возможности, чтобы «увидеть» прошлое примерно от 100 до 250 миллионов лет после Большого взрыва, когда формировались первые звезды и галактики. У нас есть доказательство теплового следа Большого взрыва от микроволновых спутников COBE и WMAP примерно через 380 000 лет после того, как он произошел. Но мы до сих пор не знаем, как выглядел первый свет Вселенной и когда образовались эти первые звезды. Некоторые из вопросов, на которые мог бы ответить Уэбб, включают в себя, что такое первые галактики; когда и как произошла реионизация; а какие источники вызвали реионизацию?
- Ассамблея галактик: необыкновенные инфракрасные возможности Уэбба позволят нам увидеть самые тусклые, самые ранние галактики, а также массивные спирали. Эти способности помогут ответить на такие вопросы о галактиках, как их эволюция и развитие на протяжении миллиардов лет; какова связь между черными дырами и галактиками, в которых они находятся; и как химические элементы распределяются по галактикам?
- Рождение звезд и протопланетных систем: В отличие от Хаббла, Уэбб будет видеть сквозь массивные пылевые облака, где рождаются звезды и планетарные системы. Это потому, что Уэбб видит тепло или инфракрасный свет, излучаемый звездами внутри пылевых облаков. Хаббл не может этого сделать. Надеюсь, это поможет ответить на такие вопросы, как коллапс облаков газа и пыли, в результате которого образуются звезды; почему большинство звезд формируются группами; и как образуются планетные системы?
- Планетарные системы и происхождение жизни: помимо изучения планет за пределами нашей Солнечной системы, Уэбб позволит ученым узнать больше о нашем собственном доме, в том числе о малых телах в нашей Солнечной системе: астероидах, кометах и объектах пояса Койпера.. Можно было бы ответить на многие вопросы, в том числе о том, как собираются строительные блоки планет; как планеты достигают своих конечных орбит; как развивалась жизнь на Земле; и была ли жизнь на Марсе?
Часто задаваемые вопросы
Что первым увидит телескоп Джеймса Уэбба?
Телескоп Джеймса Уэбба увидит Вселенную в инфракрасном свете, что позволит ему увидеть объекты, которые слишком холодны, чтобы их можно было увидеть в видимом свете.