NASA plaanib avaldada esimesed James Webbi kosmoseteleskoobi (JWST) tehtud pildid 12. juulil 2022. Need tähistavad astronoomia järgmise ajastu algust, kuna Webb – suurim eales ehitatud kosmoseteleskoop – hakkab koguma teaduslikke andmeid, mis aitavad vastata küsimustele universumi eksisteerimise varasemate hetkede kohta ja võimaldavad astronoomidel uurida eksoplaneete üksikasjalikumalt kui kunagi varem. Kuid selle kõige väärtuslikuma teleskoobi parimaks kasutamiseks valmisoleku tagamiseks kulus peaaegu kaheksa kuud reisimist, seadistamist, testimist ja kalibreerimist.
Kõige võimsam ruumi orbiidile jõudnud teleskoop vaatab kaugemale kosmosesse – ja seega ajas kaugemale – kui mis tahes varasem tehnoloogia, võimaldades astronoomidel näha tingimusi, mis eksisteerisid vahetult pärast Suurt Pauku.
Kust see kõik NASA teleskoobi jaoks alguse saab?
Meie Linnutee galaktikas uurib teleskoop Päikesesüsteemist väljaspool asuvaid maailmu – päikeseväliseid planeete või eksoplaneete –, uurides nende atmosfääris elumärgatavaid märke, nagu orgaanilised molekulid ja vesi.
Pärast James Webbi teleskoobi edukat käivitamist 25. detsembril 2021 alustas meeskond pikka protsessi selle viimiseks lõplikku orbiidiasendisse, teleskoobi lahtivõtmist ja pärast jahtumist pardal olevate kaamerate ja andurite kalibreerimist. Käivitamine läks sujuvalt. Üks esimesi asju, mida NASA teadlased märkasid, oli see, et teleskoobi pardal oli oodatust rohkem kütust selle orbiidi edaspidiseks kohandamiseks. See võimaldaks Webbil tegutseda palju kauem kui missiooni algne 10-aastane eesmärk.
Esimene ülesanne Webbi Kuu-reisil oma lõplikku asukohta orbiidil oli teleskoobi kasutuselevõtt. See läks ilma probleemideta, alustades päikesesirmi kasutuselevõtmisest, mis aitab teleskoopi jahutada. Siis oli veel peeglite joondamine ja andurite kaasamine. Webby kaamerad jahtusid, nagu insenerid olid ennustanud, ja esimene instrument, mille meeskond sisse lülitas, oli lähiinfrapunakaamera ehk NIRCam. NIRCam on mõeldud universumi vanimate tähtede või galaktikate poolt kiiratava nõrga infrapunavalguse uurimiseks. Aga mis edasi?
Huvitav ka:
Varane universum infrapunapiirkonnas
Kuna valgusel kulub ruumis liikumiseks piiratud aeg, vaatavad astronoomid objekte vaadates tegelikult minevikku. Päikese valgusel kulub Maale jõudmiseks umbes seitse minutit, nii et kui me Päikest vaatame, näeme seda sellisena, nagu see oli seitse minutit tagasi.
Me näeme kaugeid objekte sellisena, nagu nad olid sajandeid või aastatuhandeid tagasi, ning vaatleme kõige kaugemaid objekte ja galaktikaid juba enne Maa teket ning nende nägemise hetkeks võivad need olla põhimõtteliselt muutunud või isegi hävinud.
JWST on nii võimas, et suudab jälgida universumit sellisena, nagu see eksisteeris umbes 13,6 miljardit aastat tagasi, 200 miljonit aastat pärast esialgset kiiret inflatsiooni, mida me kutsume Suureks Pauguks. See on kõige iidsem minevik, millesse inimkond on kunagi vaadanud. Mis teeb JWST-st nii võimsa tööriista varajase universumi pildistamiseks, on see, et see teostab oma vaatlusi elektromagnetilise spektri infrapunapiirkonnas.
Kui valgus nendest kaugetest allikatest meieni liigub, venitab universumi kiirenev paisumine seda valgust. See tähendab, et kuigi nende varajaste tähtede ja galaktikate valgus on sarnane lähedalasuvate tähtede ja galaktikate valgusega, on selle lainepikkus "nihutatud" elektromagnetilise spektri infrapunapiirkonda.
Kõige kaugemad ja vanimad galaktikad
Üks viis, kuidas vaatluskeskus varaseid galaktikaid tuvastada, on kuue kõige kaugema ja heledaima kvasari vaatlemine. Kvasarid asuvad aktiivsete galaktikate tuumade (AGN) keskmes ja neid toidavad ülimassiivsed mustad augud. Need on sageli heledamad kui kõigi selle galaktika tähtede kiirgus, milles nad asuvad.
JWST meeskonna valitud kvasarid on ühed eredamad, mis tähendab, et neid toidavad mustad augud on ka kõige võimsamad, tarbides – õigemini kogunedes – gaasi ja tolmu kõige suurema kiirusega. Nad toodavad tohutul hulgal energiat, mis soojendab ümbritsevat gaasi ja surub selle väljapoole, luues võimsaid joad, mis pursuvad läbi galaktikate tähtedevahelisse ruumi.
Lisaks ümbritsevatele galaktikatele märgatavat mõju avaldavate kvasarite kasutamisele nende evolutsiooni mõistmiseks kasutavad JWST teadlased kvasareid ka universumi ajaloo perioodi, mida nimetatakse reionisatsiooni ajastuks, uurimiseks. See oli hetk, mil universum muutus kõige läbipaistvamaks ja võimaldas valgusel vabalt liikuda. See juhtus seetõttu, et galaktikatevahelises keskkonnas olev neutraalne gaas laetus või ioniseerus.
JWST uurib seda, kasutades meie ja kvasari vahelise gaasi uurimiseks taustavalgusallikatena eredaid kvasareid. Vaadeldes, millist valgust tähtedevaheline gaas neelab, saavad teadlased kindlaks teha, kas tähtedevaheline gaas on neutraalne või ioniseeritud.
100 galaktikat korraga
Üks instrumentidest, mida JWST universumi vaatlemiseks kasutab, on lähiinfrapunaspektrograaf (NIRSpec). See instrument ei tooda vaadeldavatest galaktikatest visuaalselt vapustavaid pilte, nagu Hubble'i kosmoseteleskoobi abil tehtud tuhandete galaktikate lainurkpilt (allpool). Selle asemel annab see nende galaktikate kohta olulist spektrograafilist teavet, võimaldades paljusid neist korraga näha.
Nende galaktikate spektrid sisaldavad palju teavet, eriti keemilise koostise kohta. Neid koostisi uurides näevad teadlased, kui kiiresti suudavad galaktikad muuta oma gaasikoostise tähtedeks ja mõistavad seeläbi paremini universumi arengut.
Selleks vajaliku täpsusega on vaja blokeerida suur hulk valgust ja see tähendab tavaliselt ühe objekti uurimist korraga. Mõned objektid, mida JWST kavatseb uurida, on nii kaugel, et nende valgus on uskumatult hämar, mis tähendab, et neid tuleb jälgida sadu tunde, et koguda piisavalt andmeid spektraalse pildi koostamiseks.
Õnneks on NIRSpec varustatud veerand miljoni üksikaknaga, mille mikroluugid on inimese juuksekarva suurused, mis on paigutatud vahvlimustrisse. See tähendab, et nende ruloode mustrit kohandades suudab JWST vaadelda suurel hulgal objekte ühes vaates samaaegseks vaatlemiseks ning see on programmeeritav mis tahes objektivälja jaoks taevas. NASA hinnangul võimaldab see NIRSpecil samaaegselt koguda spektreid 100 vaatluskeskusest, mida ükski teine spektroskoop pole varem suutnud.
Loe ka:
- 100 aastat kvantfüüsikat: 1920. aastate teooriatest arvutiteni
- 5 tulevast kosmosemissiooni, millele mõelda
Jupiteri suurused eksoplaneedid
Alates 1990. aastate keskpaigast ja Päikese-sarnase tähe ümber tiirleva planeedi avastamisest on meie eksoplaneetide kataloog laienenud, hõlmates nüüdseks üle 4 kinnitatud maailma. Enamik neist maailmadest, sealhulgas eksoplaneet 51 Pegasi b, mille avastas Šveitsi meeskond Michel Maior ja Didier Calo 1995. aastal, on kuumad Jupiterid. Need eksoplaneedid tiirlevad oma tähtede vahetus läheduses, sooritades pöörde tavaliselt mõne tunniga, mistõttu on neid eksoplaneetide vaatlustehnikate abil lihtne tuvastada.
Need maailmad on sageli oma tähega seotud loodetult, mis tähendab, et üks pool, igavese päeva pool, on väga kuum. Sellise maailma ilmekas näide on WASP-121b, mida hiljuti jälgis Hubble'i pardal asuv spektroskoopiline kaamera. Meie päikesesüsteemi Jupiterist pisut suurem raud ja alumiinium aurustuvad selle planeedi päevasel poolel ning ülehelikiirusega tuuled kannavad selle auru öö poole. Kui need elemendid jahtuvad, sadestuvad nad metallivihmana, kusjuures osa alumiiniumist võib seguneda teiste elementidega ja sadestuda vedelate rubiini- ja safiirivihmadena.
Nende hiiglaslike planeetide lähedus oma ematähele võib põhjustada loodete jõud, mis annavad neile ragbipalli kuju. Mis juhtus eksoplaneediga WASP-103b. Osa JWST-i rollist, mis asub Maast miljoni kilomeetri kaugusel, on nende agressiivsete planeetide keskkonna ja atmosfääri uurimine.
Super Maad
Teine eksoplaneetide kategooria, mida kosmoseteleskoop vaatlemiseks kasutab, on niinimetatud super-Maad. Need on maailmad, mis võivad olla 10 korda massiivsemad kui Maa, kuid siiski kergemad kui jäähiiglased, nagu Neptuun või Uraan.
Super-Maad ei pea tingimata olema kivised, nagu meie planeet, vaid võivad koosneda gaasist või isegi gaasi ja kivimi segust. NASA ütleb, et vahemikus 3–10 Maa massi võib olla väga erinevaid planeetide koostisi, sealhulgas veemaailmad, lumepalliplaneedid või planeedid, mis koosnevad sarnaselt Neptuuniga enamasti tihedast gaasist.
Kaks esimest NASA JWST radari alla sattuvat super-Maad on laavaga kaetud 55 Cancri e, mis näib olevat kivine planeet 41 valgusaasta kaugusel, ja LHS 3844b, mis on Maast kaks korda suurem ja näib olevat on kivine pind, mis sarnaneb Kuuga, kuid millel puudub märkimisväärne atmosfäär.
Mõlemad maailmad tunduvad meile tuntud eluks üsna sobimatud, kuid teised eksoplaneedid Linnutee erinevates kohtades, mida JWST uurib, võivad olla paljutõotavamad.
Huvitav ka:
- 10 veidramat asja, mida me 2021. aastal mustade aukude kohta õppisime
- Marsi terraformeerimine: kas punane planeet võib muutuda uueks Maaks?
TRAPPIST-1 süsteem
Esimese töötsükli jooksul uurib teleskoop tähelepanelikult TRAPPIST-1 süsteemi, mis asub Maast 41 valgusaasta kaugusel. Selle 2017. aastal avastatud planeedisüsteemi teeb ebatavaliseks asjaolu, et selle seitse kivist maailma eksisteerivad nende tähe aktiivsusvööndis, mis teeb sellest suurima potentsiaalselt elamiskõlbliku maapealse maailma, mis eales avastatud.
Astronoomid määratlevad tähe ümber asuva elamiskõlbliku tsooni piirkonnana, kus temperatuur võimaldab vedelal veel eksisteerida. Kuna see piirkond ei ole vedela vee eksisteerimiseks liiga kuum ega liiga külm, nimetatakse seda sageli Kuldvillaku tsooniks.
Selles tsoonis viibimine ei tähenda aga, et planeet on elamiskõlbulik. Nii Veenus kui ka Marss asuvad Päikest ümbritsevas tsoonis ja kumbki planeet ei saa teiste tingimuste tõttu mugavalt elule sellisel kujul, nagu me seda mõistame. Planetary Society oletab, et võtmeteguriteks võivad olla ka muud tegurid, nagu päikesetuule tugevus, planeedi tihedus, suurte kuude ülekaal, planeedi orbiidi orientatsioon ja planeedi pöörlemine (või selle ilmne puudumine). elamiskõlblikkuse jaoks.
Orgaanilised molekulid ja planeetide sünd
NASA JWST-i universumi infrapuna-uuringu üks eeliseid on võime piiluda tihedatesse ja massiivsetesse tähtedevahelise gaasi- ja tolmupilvedesse. Kuigi see ei pruugi tunduda väga põnev, muutub väljavaade palju atraktiivsemaks, kui mõelda, et need on tähed ja planeedid, mida nimetatakse tähtede lasteaedadeks.
Neid ruumipiirkondi ei saa nähtava valguse spektris jälgida, kuna tolmusisaldus muudab need läbipaistmatuks. See tolm võimaldab aga elektromagnetkiirgust levida infrapuna lainepikkuste vahemikus. See tähendab, et JWST suudab uurida nende gaasi- ja tolmupilvede tihedaid piirkondi, kui need kokku varisevad ja moodustavad tähti.
Lisaks on kosmoseteleskoobiga võimalik uurida ka tolmu- ja gaasikettaid, mis ümbritsevad noori tähti ja sünnitavad planeete. See mitte ainult ei näita, kuidas Päikesesüsteemi planeedid, sealhulgas Maa, moodustuvad, vaid võib ka näidata, kuidas eluks olulised orgaanilised molekulid jaotuvad nendes protoplanetaarsetes ketastes.
Ja seal on üks suurepärane lasteaed, mille kallal töötavad teadlased, kellel on aega eriti JWST-d jälgida.
Loe ka:
- Punase planeedi vaatlemine: Marsi illusioonide ajalugu
- Teleportatsioon teaduslikust vaatenurgast ja selle tulevik
Loomise sambad
Loomise sambad on üks eredamaid ja ilusamaid kosmilisi vaatamisväärsusi, mida inimkond on kunagi kujutanud. Hubble'i kosmoseteleskoop, mis jäädvustas loomissammastest kauneid pilte (allpool olev pilt), suutis piiluda sügavale neisse valgusaasta kõrgustesse gaasi- ja tolmutornidesse.
Kotka udukogus ja Maast 6500 valgusaasta kaugusel Mao tähtkujus asuvad läbipaistmatud veerud – Loomise sambad – on intensiivse tähtede tekke kohad. Et koguda üksikasju sammaste sees toimuvate tähtede sünniprotsesside kohta, jälgis Hubble neid optilises ja infrapunavalguses.
Infrapunavalgus on vajalik loomise sammastes toimuvate protsesside jälgimiseks, sest nagu ka teiste sõimede puhul, ei suuda nähtav valgus tungida läbi selle emissiooniudukogu tiheda tolmu.
Hubble on optimeeritud nähtava valguse jaoks, kuid siiski suutis see sammastest teha vapustavaid infrapunapilte, mis näitavad mõningaid nende sees elavaid noori tähti. Just see tekitas JWST-i meeskonnas põnevust – nende võimas infrapuna-kosmoseteleskoop paljastab selle põneva kosmosepiirkonna.
Jupiter, selle rõngad ja satelliidid
Päikesesüsteemi kosmoseteleskoobi üks sihtmärke saab olema suurim planeet, gaasihiiglane Jupiter. NASA andmetel on enam kui 40 teadlasest koosnev meeskond välja töötanud vaatlusprogrammi, mis uurib Jupiterit, selle rõngaste süsteemi ja kahte kuud: Ganymedes ja Io. See on üks esimesi Päikesesüsteemi teleskoobiuuringuid, mis nõuavad selle kalibreerimist gaasihiiglase heleduse suhtes, võimaldades samal ajal jälgida selle palju tuhmimat rõngasüsteemi.
Jupiterit jälgiv JWST meeskond peab arvestama ka planeedi 10-tunnise tööpäevaga. See nõuaks eraldi kujutiste kokkuõmblemist, et uurida viienda planeedi ühte kindlat piirkonda, mis tiirleb kiiresti Päikesest eemale, näiteks Suur Punane Laik – Päikesesüsteemi suurim torm, mis on piisavalt sügav ja lai, et haarata endasse kogu Maa. .
Astronoomid püüavad paremini mõista Suure Punase Laigu kohal asuva atmosfääri temperatuurikõikumiste põhjuseid, Jupiteri erakordselt hämarate rõngaste omadusi ja vedela soolase vee ookeani olemasolu Jupiteri kuu Ganymedese pinna all.
Asteroidid ja maalähedased objektid
Üks teistest olulistest rollidest, mida JWST Päikesesüsteemis mängib, on asteroidide ja teiste süsteemi väiksemate kehade uurimine infrapunapiirkonnas. Uuring hõlmab NASA klassifitseeritud maalähedasi objekte (NEO), mis on komeedid ja asteroidid, mis on lähedalasuvate planeetide gravitatsioonilise tõmbe mõjul tõugatud orbiitidele, mis võimaldavad neil Maa naabrusesse siseneda.
JWST viib läbi asteroidide ja NEO-de vaatlusi infrapunapiirkonnas, mis ei ole võimalik Maa atmosfäärist maapealsete teleskoopide või vähem võimsate kosmoseteleskoopide abil. Nende asteroidide hinnangute eesmärk on uurida nende kehade pinnalt valguse neeldumist ja emissiooni, mis peaks aitama paremini mõista nende koostist. JWST võimaldab ka astronoomidel paremini klassifitseerida asteroidide kuju, nende tolmusisaldust ja gaasi eraldamist.
Asteroidide uurimine on ülioluline teadlastele, kes soovivad mõista Päikesesüsteemi ja selle planeetide sündi 4,5 miljardit aastat tagasi. Selle põhjuseks on asjaolu, et need koosnevad "rikkumata" materjalidest, mis eksisteerisid planeetide tekkimise ajal, mis pääsesid väiksemate planeete moodustavate kehade gravitatsioonist.
Lisaks planeetide, tähtede sünni ja galaktikate endi varajaste hetkede uurimisele näitab see missioon taas, kuidas JWST lahendab mõned teaduse kõige olulisemad saladused.
Mis järgmiseks?
Alates 15. juunist 2022 on kõik NASA Webbi instrumendid sisse lülitatud ja esimesed pildid on tehtud. Lisaks on testitud ja sertifitseeritud nelja pildistamisrežiimi, kolme aegseeria režiimi ja kolme spektroskoopilist režiimi, jäänud on vaid kolm. Nagu juba mainitud, plaanib NASA 12. juulil välja anda Webbi võimekust illustreerivate teaser-vaatluste komplekti. Need näitavad kosmosepiltide ilu ja annavad astronoomidele aimu saadavate andmete kvaliteedist.
Pärast 12. juulit hakkab James Webbi kosmoseteleskoop täielikult oma teadusliku missiooni kallal töötama. Järgmise aasta üksikasjalikku ajakava pole veel avaldatud, kuid astronoomid üle maailma ootavad pikisilmi esimesi andmeid võimsaimast kosmoseteleskoobist, mis eales ehitatud.
Saate aidata Ukrainal võidelda Vene sissetungijate vastu. Parim viis selleks on annetada raha Ukraina relvajõududele läbi Päästa elu või ametliku lehe kaudu NBU.
Liituge meie lehtedega Twitter ja Facebook.
Loe ka: