Sådan fungerer James Webb -rumteleskopet

Vores viden om universet er bundet af omfanget af vores sanser, men vores sind kender ingen sådanne grænser. Når et lejrbåls skær blænder os for kilden til et kvist-snap i det skovklædte mørke, vi forestiller os alle mulige frygtelige udsigter. Men tag et par skridt ud, sæt ilden på ryggen, og vi ser dybere og tydeligere. Fantasi møder information, og vi ved pludselig, hvad vi har med at gøre.

Men det kræver mere end et godt sæt øjne og et stykke fra byens lys for at forstå kosmos; det kræver instrumenter, der er i stand til at udvide vores sanser ud over vores evolutionære grænser, vores atmosfære eller endda vores planetbane. Astronomi og kosmologi er både tvunget og begrænset af kvaliteten af ​​disse instrumenter.

For omkring 400 år siden, teleskopet afslørede uventede måner, planeter og solpletter, udløser en række nye kosmiske teorier og bedre værktøjer til at teste dem, afslørende bølgende stjernetåger og sammenfaldende stjerner undervejs.

I midten af ​​det 20. århundrede, radioteleskoper viste, at galakser - langt fra statiske klatter - faktisk var aktive og sprængfyldte af energi. Før Kepler -rumteleskopet, vi troede, at exoplaneter var sjældne i universet; nu formoder vi, at de måske er flere end stjernerne. Mere end tre årtier med det jordkredslende Hubble-rumteleskop hjalp med at gennembore tidens slør, fotografere stjerneskoler og bevise, at galakser støder sammen. Nu, James Webb -rumteleskopet står klar til at placere ryggen mod sollyset, skridt væk fra Jorden og gør den ivrige, sarte observationer kun mulige i kulden, mørke rum ud over månen.

Planlagt til en 18. december, 2021, lanceringsdato fra Europas rumhavn i Kourou, Fransk Guyana, Webb blev bygget af et internationalt samarbejde mellem NASA, European Space Agency (ESA) og Canadian Space Agency (CSA), og er tiltalt for at besvare nogle meget ambitiøse spørgsmål. Det vil også tage astronomer tættere end nogensinde på tidens begyndelse, giver glimt af seværdigheder, der længe er hypotetiseret, men aldrig før set, fra galaksernes fødsel til lys fra de allerførste stjerner.

1. Missionen:Standing on the Shoulders of Giants
2. Tag en rundvisning i James Webb -rumteleskopet
3. Instrumenterne:Sight Beyond Sight
4. Spørgsmål Webb kunne besvare

Missionen:Standing on the Shoulders of Giants

Webb's mission bygger på og udvider arbejdet i NASAs store observatorier, fire bemærkelsesværdige rumteleskoper, hvis instrumenter dækker havnefronten for elektromagnetiske spektre. De fire overlappende missioner har gjort det muligt for forskere at observere de samme astronomiske objekter i det synlige, gammastråle, Røntgen og infrarøde spektre.

Hubble i skolebusstørrelse, som primært ser i det synlige spektrum med en vis ultraviolet og nær-infrarød dækning, startede programmet i 1990 og, med yderligere service, vil supplere og arbejde med Webb. Passende opkaldt efter Edwin Hubble, astronomen, der opdagede mange af de begivenheder, den blev bygget til at undersøge, teleskopet er siden blevet et af de mest produktive instrumenter i videnskabelig historie, bringe fænomener som stjernefødsel og død, galaktisk udvikling og sorte huller fra teori til observeret kendsgerning.

Tilslutning til Hubble i de fire store er Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), Chandra røntgenobservatorium og Spitzer rumteleskop.

• CGRO, lanceret i 1991 og nu taget ud af drift, registreret høj energi, voldsomme briller i 30 kiloelektron volt (keV) til 30 gigaelectron volt (GeV) spektrum, herunder energispyende kerner i aktive galakser.
• Chandra, indsat i 1999 og stadig kredser i omkring en højde af 86, 500 miles (139, 000 kilometer) i rummet, overvåger sorte huller, kvasarer og høj temperatur gasser i røntgen spektret, og giver vigtige data om universets fødsel, vækst og ultimative skæbne.
• Spitzer, som blev lanceret i 2003 og indtog en jord-efterfølgende bane, se himlen i termisk infrarød (3-180 mikron), en båndbredde, der er nyttig til at observere stjernefødsler, galaktiske centre og cool, svage stjerner, og til at detektere molekyler i rummet. Spitzer blev oprindeligt bygget til at vare i mindst to og et halvt år, men Spitzer fortsatte med at operere indtil 30. januar, 2020.

Det, der gør Webb anderledes, er, at den har evnen til at se dybt ind i nær- og mellem-infrarød, og den vil have fire videnskabelige instrumenter til at fange billeder og spektre af astronomiske objekter. Hvorfor betyder det noget? Stjerner og planeter, der lige er ved at danne sig, er skjult bag støv, der opsuger synligt lys. Imidlertid, infrarødt lys udsendt kan gennembore dette støvede tæppe, afslører, hvad der ligger bag. Forskere håber, at det vil give dem mulighed for at observere de allerførste stjerner i universet; dannelse og kollision af spædbarnsgalakser; og fødslen af ​​stjerner og protoplanetære systemer, muligvis endda dem, der indeholder livets kemiske bestanddele.

Disse første stjerner kunne indeholde nøglen til at forstå universets struktur. Teoretisk set hvor og hvordan de dannede vedrører tidlige mønstre af mørkt stof - uset, mystisk stof, der kan påvises af den tyngdekraft, det udøver - og deres livscyklusser og dødsfald forårsagede tilbagemeldinger, der påvirkede dannelsen af ​​de første galakser [kilde:Bromm et al.]. Og som supermassiv, kortlivede stjerner, anslået til omkring 30-300 gange massens (og millioner af gange lysstyrken) af vores sol, disse førstefødte stjerner kunne godt være eksploderet, da supernovaer derefter kollapsede for at danne sorte huller, senere hævelse og fusionering i de enorme sorte huller, der indtager centrene for de mest massive galakser.

At være vidne til noget af dette er en bedrift ud over ethvert instrument eller teleskop, der er bygget hidtil.

Udtrykket første lys refererer til de første stjerner der nogensinde er dannet i universet, som antændte 400 millioner år efter big bang og udelukkende består af ældre gas. Disse gamle soler er ikke de ældste strålekilder, imidlertid. Den ære tilhører den kosmiske baggrundsstråling, mikrobølgestrålingen frigivet ved dannelsen af ​​de første atomer omkring 400, 000 år efter big bang og observeret af NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) og Cosmic Background Explorer (COBE) missioner. Webb, imidlertid, får ikke set denne tidlige stråling.

Tag en rundvisning i James Webb -rumteleskopet

Webb ligner lidt en diamantformet tømmerflåde med en tyk, buet mast og sejl - hvis sejlet blev bygget af kæmpe, beryllium-tyggende honningbier. "Flåden" (eller solskærmen) er lavet af membranlag - alle så tynde som et menneskehår - af Kapton, en højtydende plast belagt med et reflekterende metal. Sammen beskytter de hovedreflektoren og instrumenterne.

Webb's "køl" er, hvad du ville tænke på som dens enhedspallestruktur. Det er her, den massive solskærm foldes op for at blive taget af. I midten ligger rumfartøjsbussen, som pakker alle de supportfunktioner, der holder Webb kørende, herunder elektrisk strøm, holdningskontrol, kommunikation, kommando og datahåndtering, og termisk kontrol. En antenne med høj forstærkning pryder Webbs ydre, ligesom et sæt stjernesporere, der arbejder med den fine styresensor for at holde alt peget i den rigtige retning. Endelig, i den ene ende af solskærmen, og vinkelret på det, er en momentum trim fane, der opvejer det tryk, som fotoner udøver på skibet, meget som en trimflap gør på et sejlskib.

Over solskærmen er "sejlet, "eller Webb's kæmpe spejle. Webb har et primært spejl, der er 21,4 fod (6,5 meter) på tværs, der måler lyset fra fjerne galakser. (Til sammenligning, Hubble -rumteleskopets spejl er 2,4 meter). Den er lavet af 18 sekskantede berylliumsektioner, der udfolder sig efter lanceringen, koordiner derefter for at fungere som et stort primært spejl. Dette spejl har et meget lettere design og gør det muligt for hele strukturen at folde sig som et bladblad. Spejlenes sekskantede form gør, at strukturen kan være nogenlunde cirkulær, uden huller. Hvis spejlsegmenterne i stedet var cirkler, der ville være huller imellem dem.

Lad os se nærmere på de instrumenter, der vil gøre alle disse undersøgelser mulige.

Instrumenterne:Sight Beyond Sight

Selvom det ser noget ind i det visuelle område (rødt og guldlys), Webb er grundlæggende et stort infrarødt teleskop.

• Dens primære billedkamera, nær infrarødt kamera (NIRCam), sanser i området 0,6-5,0 mikron (nær-infrarød). Det betyder, at det kan registrere infrarødt lys fra de tidligste stjerner og galakser, der fødes; foretage en optælling af nærliggende galakser; og få øje på genstande, der svinger gennem Kuiperbæltet, vidden af ​​iskolde objekter, der kredser ud over Neptun. Det vil også hjælpe med at korrigere Webbs teleskopiske syn efter behov.
• NIRCam er udstyret med en coronagraph, som gør det muligt for kameraet at observere de sprøde glorier, der omgiver lyse stjerner ved at blokere deres blændende lys - et vigtigt redskab til at opdage eksoplaneter.
• Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) opererer i det samme bølgelængdeområde som NIRCam. Ligesom andre spektrografer, den analyserer de fysiske egenskaber ved objekter som f.eks. stjerner ved at opdele deres lys i et spektrum, hvis mønster varierer alt efter målets temperatur, masse og kemisk makeup.NIRSpec vil studere tusinder af gamle galakser med stråling så svag, at Webb's kæmpe spejl vil blive påkrævet at pege på dem i hundredvis af timer for at indsamle nok lys til at danne et spektrum. For at hjælpe med denne opgave, spektrografen har et gitter på 62, 000 individuelle skodder, hver i stand til at åbne og lukke for at blokere lyset fra lysere stjerner. Takket være dette microshutter -array, NIRSpec bliver det første rumbaserede spektrograf designet til at observere 100 forskellige objekter på én gang.
• Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager og Slitless Spectrograph (FGS-NIRISS) er faktisk to sensorer pakket sammen, der hjælper med at undersøge første lysregistrering, eksoplanet -registrering og -karakterisering, og eksoplanet transit spektroskopi. FGS vil også hjælpe med at rette teleskopet i forskellige retninger.
• Det sidste Webb-instrument udvider sit område ud over nær-infrarød og ind i mellem-infrarød, praktisk til at plukke planeter, kometer, asteroider, stjernelyset opvarmet støv og protoplanetariske diske. Både et kamera og et spektrograf, dette mid-infrarøde instrument (MIRI) dækker det bredeste bølgelængdeområde, fra 5-28 mikron. Dens bredbåndsbredbåndskamera vil tage flere af de slags billeder, der gjorde Hubble berømt.

Men infrarød observation er afgørende for at forstå universet. Støv og gas kan blokere det synlige lys af stjerner i stjernekammerer, men infrarød passerer igennem. I øvrigt, som universet udvider sig og galakser bevæger sig fra hinanden, deres lys "strækker sig ud" og bliver rødforskydt, glider mod længere elektromagnetiske (EM) bølgelængder såsom infrarød. Jo længere væk galaksen er, jo hurtigere den trækker sig tilbage og jo mere rødforskydt lyset, derfor, værdien af ​​et teleskop som Webb.

Infrarøde spektre kan også give et væld af oplysninger om eksoplanetatmosfærer - og om de indeholder molekylære ingredienser forbundet med livet. På jorden, vi kalder vanddamp, metan og kuldioxid "drivhusgasser", fordi de absorberer termisk infrarød (alias varme). Fordi denne tendens gælder alle steder, forskere kan bruge Webb til at opdage sådanne stoffer i atmosfærerne i fjerne verdener ved at lede efter talende absorptionsmønstre i deres spektroskopiske aflæsninger.

Astronomer kalder det infrarøde område af det elektromagnetiske (EM) spektrum det "skjulte univers". Selvom ethvert objekt med varme udstråler infrarødt lys, Jordens atmosfære blokerer det meste, gør den usynlig for jordbaseret astronomi.

Spørgsmål Webb kunne besvare

James Webb -rumteleskopet er det største, mest kraftfulde rumteleskop, der nogensinde er bygget. Det bliver det mest komplekse teleskop, der er lanceret i rummet. De data, den giver under sin mission, som forventes at vare mellem fem og ti år, kunne ændre vores forståelse af universet.

Hvorfor? Fordi dens mål er at undersøge alle faser af vores kosmiske historie, herunder big bang. Men der er fire forskellige mål for Webb -teleskopet under dets mission, og de er grupperet i fire temaer:

1. Slutningen på den mørke middelalder:Første lys og reionisering:Webb vil bruge infrarøde funktioner til at "se" tilbage til omkring 100 millioner til 250 millioner år efter big bang, da de første stjerner og galakser dannede sig. Vi har varmesignaturbevis for big bang fra mikrobølge COBE- og WMAP -satellitterne fra omkring 380, 000 år efter det skete. Men vi ved stadig ikke, hvordan universets første lys så ud, og hvornår disse første stjerner dannede sig. Nogle af de spørgsmål, Webb kan besvare, omfatter, hvad der er de første galakser; hvornår og hvordan skete reionisering; og hvilke kilder forårsagede reionisering?
2. Montering af galakser:Webb's ekstraordinære infrarøde funktioner gør det muligt for os at se de svageste, de tidligste galakser samt massive spiraler. Disse evner vil hjælpe med at besvare spørgsmål om galakser som hvordan de udvikler sig og udvikler sig over milliarder af år; hvad er forholdet mellem sorte huller og de galakser, der er vært for dem; og hvordan fordeles kemiske grundstoffer gennem galakser?
3. Fødslen af ​​stjerner og protoplanetære systemer:I modsætning til Hubble, Webb vil gennem massive støvskyer se, hvor stjerner og planetariske systemer fødes. Det er fordi Webb ser varmen - eller det infrarøde lys - der udsendes af stjernerne inde i støvskyerne. Det kan Hubble ikke. Forhåbentlig vil det hjælpe med at besvare spørgsmål som hvordan skyer af gas og støv falder sammen for at danne stjerner; hvorfor dannes de fleste stjerner i grupper; og hvordan dannes planetariske systemer?
4. Planetariske systemer og livets oprindelse:Ud over at studere planeter uden for vores solsystem, Webb vil give forskere mulighed for at lære mere om vores eget hjem, herunder små kroppe i vores solsystem:asteroider, kometer og Kuiper Belt -objekter. Mange spørgsmål kunne besvares, herunder hvordan byggestenene til planeter samles hvordan når planeter deres ultimative baner; hvordan udviklede livet sig på Jorden; og var der nogensinde liv på Mars?

Oprindeligt udgivet:9. okt. 2014

Masser mere information

relaterede artikler

• Hvem var James Webb?
• Sådan fungerer Big Bang -teorien
• Kunne Dark Matter skabe 'Shadow Life'?
• Sådan fungerer Hubble -rumteleskop
• NASAs 10 største præstationer

Kilder

• Billings, Lee. "Rumvidenskab:Teleskopet der spiste astronomi." Natur. Vol. 467. Side 1028. 27. okt. 2010. (11. september, 2014) http://www.nature.com/news/2010/101027/full/4671028a.html
• Bromm, Volker, et al. "Dannelsen af ​​de første stjerner og galakser." Natur. Vol. 459. 7. maj, 2009. (19. september, 2014) http://sdcc3.ucsd.edu/~ir118/SIO87W13/FirstStars.pdf
• NASA. "James Webb -rumteleskopet." (23. september, 2021) http://www.jwst.nasa.gov/
• NASA. "Et kig på tallene som NASAs Hubble -rumteleskop indtræder i sit 25. år." 12. maj kl. 2014. (18. september, 2014) http://www.nasa.gov/content/goddard/a-look-at-the-numbers-as-nasas-hubble-space-telescope-enters-its-25th-year/#.VBr4UfldV8E
• Farvel, Dennis. "Flere øjne på himlen." New York Times. 21. juli kl. 2014. (11. september, 2104) http://www.nytimes.com/2014/07/22/science/space/more-eyes-on-the-skies.html?_r=0
• Space Telescope Science Institute (STSI). "James Webb Space Telescope FGS - Fine Guidance Sensor." (11. september, 2014) http://www.stsci.edu/jwst/instruments/fgs/
• Space Telescope Science Institute (STSI). "James Webb Space Telescope Near-InfraRed Imager og Slitless Spectrograph." (11. september, 2014) http://www.stsci.edu/jwst/instruments/niriss
• Stiavelli, M., et al. "En strategi til at studere første lys med JWST." Space Telescope Science Institute. (11. september, 2014) http://www.stsci.edu/jwst/science/strategy-to-study-First-Light.pdf