James webb: Webb Space Telescope GSFC/NASA

Почему телескоп James Webb так важен для науки / Хабр


Космический телескоп имени Джеймса Вебба успешно стартовал 25 декабря 2021 года и сейчас движется к месту своей будущей работы на расстоянии 1,5 млн км от Земли. Все астрономы радуются успешному запуску и предвкушают выдающиеся результаты исследований, которые должны значительно расширить, а может быть и изменить наши знания о Вселенной. Почему же именно он так важен для науки, и каких достижений можно ожидать от этого результата многолетнего труда «Вебб-разработчиков»?


James Webb Space Telescope (JWST) обладает несколькими преимуществами, с которыми не сравнятся другие существующие или планируемые в ближайшее время наземные или космические телескопы. Сам JWST стал настоящим долгостроем и не раз оказывался под угрозой закрытия. Проект стартовал в 1996 году, и к моменту запуска обошёлся почти в $10 млрд. Такие сроки и стоимость определяются высочайшей сложностью аппарата, и требованиями к точности конструкции, качеству наблюдений и десятилетним сроком активной работы. Отличительной чертой телескопа выступает его главное раскладное зеркало, составленное из 18 шестиугольных сегментов. У телескопа раскладывается не только зеркало, но и тепловой щит, и вместе с оптическими элементами JWST становится настоящим космическим трансформером.

Новый телескоп чаще всего сравнивают с космическим телескопом Hubble, который уже более тридцати лет служит мировой науке. Диаметр главного зеркала Hubble 2,4 м, а у JWST 6,5 метра. На Земле есть телескопы большего размера, например, Большой Канарский имеет диаметр 10,4 м, но из-за атмосферы он может сравниться только с Hubble, да и то не во всём.

Попробую перечислить преимущества JWST, которые и определяют его флагманское значение для всей мировой астрономии на ближайшее десятилетие.

▍ Расположение


Размещение телескопа в космосе даёт несколько преимуществ. Прежде всего так избавляются от искажающего влияния земной атмосферы. В то же время сейчас освоено несколько методов повышения качества наблюдений земных телескопов. Некоторые 8-метровые земные телескопы по ряду возможностей уже превышают тот же Hubble, но отсутствие атмосферы — не единственное преимущество космоса. Космические телескопы обладают возможностью длительного накопления света во время наблюдений. В фотографическом деле это называется выдержка, т.е. время открытого затвора, за которое проецируется свет на светочувствительный элемент. А возможности цифровой обработки снимков позволяют суммировать несколько кадров одного и того же места. Вместе это позволяет вести длительное накопление фотонов. Например, рекордная съёмка Hubble eXtreme Deep Field позволила создать снимок с суммарной выдержкой 2 миллиона секунд или 23 дня.

Такой обзор позволил взглянуть в ранние времена Вселенной до 13,2 млрд лет назад, т.е. самая древняя из заснятых галактик имеет возраст около 600 млн лет от Большого взрыва.

Телескоп Hubble располагается на низкой околоземной орбите, и это не самое удобное место для такого аппарата. Земля и Солнце мешают наблюдениям, и часть времени «съедает» нижний радиационный пояс. Зато такая орбита дала возможность проводить обслуживание телескопа, что значительно продлило время его работы.

Телескоп JWST располагается удобнее для наблюдений, но недоступно для шаттлов обслуживания — в точке Лагранжа L2 в системе Земля-Солнце. Это область космоса из которой и Земля, и Солнце всегда находятся примерно в одной области неба. Это значит, что наблюдения выбранных целей не придётся прерывать каждые 45 минут, как в случае с Hubble. JWST всегда будет сориентирован «спиной» к Солнцу, а значит, всё остальное небо будет доступно для наблюдений. Годовое движение вокруг Солнца позволяет наблюдать любую точку Вселенной.

Такие условия делают эту точку популярной для космических телескопов и там уже находятся телескопы Gaia и «Спектр-РГ», до этого работали Herschel и Plank. Но не стоит опасаться, что телескопы будут там биться бортами друг о друга. На самом деле собственно в точке L2 ни один из этих аппаратов находится не будет, т.к. она неустойчивая, а летают они по широкой гало-орбите вокруг неё. При этом в поперечнике гало-орбита может достигать полутора миллионов километров, т.е. вероятность столкновения у таких телескопов намного меньше, чем опасность встречи космического мусора на низкой околоземной орбите.

▍ Размер


Диаметр JWST примерно в два с половиной раза больше Hubble, а это один из важных параметров, определяющих разрешающую способность телескопа, т.е. возможность различать наименьшие детали на снимках. Впрочем, разрешение телескопа также зависит от длины волны света, на которой ведётся наблюдение, и здесь инфракрасный телескоп проигрывает, тому, который наблюдает в более коротковолновом видимом диапазоне. Длина волны света, видимого нашими глазами диапазона, в среднем составляет 0,5 мкм, а основные приборы JWST регистрируют от 0,6 до 5 мкм, а это значит, что разрешение снимков JWST будет начинаться с двойного превосходства над Hubble (благодаря большему диаметру главного зеркала), и уходить в пять раз меньшее разрешение (из-за большей длины волны света).

Зато большой диаметр телескопа означает ещё и большую площадь главного зеркала, собирающей свет. Здесь JWST в пять раз превосходит Hubble, что также повышает качество наблюдений.

▍ Температура


Обеспечение теплового режима в космосе — сложная инженерная задача, которая зависит от условий работы космического аппарата. Например, теплоизоляция телескопа Hubble заботится прежде всего о сохранении стабильной температуры телескопа, независимо от его расположения на солнечной или теневой стороне околоземной орбиты. Однако, температура самого Hubble и его светочувствительных детекторов близка к комнатной. В отличие от него, у JWST рабочая температура на 223 градуса ниже нуля Цельсия. Это позволяет наблюдать гораздо большее число объектов космоса, которые излучают или отражают свет в инфракрасном диапазоне.

Пятислойный теплоизолирующий щит JWST погружает оптические системы телескопа в искусственную тень, в результате чего они охлаждаются до сверхнизких температур путём естественного излучения. В дополнение к ним, один из приборов телескопа имеет активную систему охлаждения, которая снижает температуру детектора ещё на 44 градуса до -267 Цельсия или 6 кельвинов. Всё это необходимо, чтобы видеть не только «дальше» и «глубже», но и «холоднее» или «темнее».

▍ Диапазон наблюдаемого света


Астрономические наблюдения сейчас ведутся практически во всех диапазонах электромагнитного излучения, но есть две основные причины, которые сделали приоритетным именно инфракрасный для JWST. Это межзвёздное поглощение и космологическое красное смещение. Первый эффект вызван пылью в межзвёздном пространстве, а второй — расширением Вселенной после Большого взрыва.

Космос — довольно пыльное место. Хотя нашими глазами этого не видно, но одна из причин, почему наше небо не сияет миллиардами звёзд — именно межзвёздная пыль. У астрономов есть даже термин «зона избегания» — это часть неба, где облака межзвёздной пыли в плоскости нашей галактики настолько плотные, что не позволяют вести наблюдения отдалённых объектов. Именно межзвёздная пыль долгое время не позволяла подтвердить присутствие сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики и именно с помощью инфракрасного наблюдения это удалось подтвердить. Причина такого преимущества инфракрасного света проста — пыль поглощает свет на длине волны, которая короче размера пылинки. Размер межзвёздных пылинок от 0,1 мкм до 100 мкм, а количество их растёт пропорционально уменьшению их размера. То есть на длине волны видимого диапазона света около 0,5 мкм свет в межзвёздном пространстве будет поглощаться намного эффективнее, чем в более длинноволновом инфракрасном диапазоне. Это хорошо видно при наблюдении наиболее запылённых участков космоса.

Можно, конечно, уйти в ещё более длинноволновой диапазон — субмиллиметровый и миллиметровый, тогда пыль станет ещё меньшим препятствием. Этим путём идут российские учёные, создающие телескоп «Миллиметрон», но тогда нарастает проблема снижения разрешающей способности телескопа, о чём говорилось выше. Таким образом, инфракрасный диапазон для JWST это компромисс между возможностью хоть немного заглянуть в межзвёздные облака, и при этом сохранить высокую резкость снимков.

Космологическое красное смещение — ещё одна проблема обычных телескопов, которая не позволяет тому же Hubble увидеть самые древние галактики. Наша Вселенная разлетается в разные стороны, что приводит к «растягиванию» длины волны света от удаляющихся источников. Это значит, чем древнее будет космологический объект, тем краснее он будет выглядеть. В какой-то момент его свет окончательно уйдёт из видимого диапазона света в инфракрасную часть спектра, и даже могущественный Hubble его не увидит. То есть в задачи JWST входит наблюдение за процессом формирования самых древних галактик. Например сегодня, учёные не понимают, как сформировались сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик. Как появляются обычные чёрные дыры — мы уже разобрались, а вот со сверхмассивными пока загадка. Вроде бы можно этого добиться путём слияния множества обычных чёрных дыр, но откуда их взять в необходимом количестве на раннем этапе жизни Вселенной? Пока непонятно.

Кроме, собственно, оптических особенностей, James Webb Space Telescope обладает и довольно серьёзным набором спектрометрических приборов, поэтому какие-то его открытия не всегда будут сопровождаться красивыми фотографиями. Тут могут быть найдены и органические вещества в водяных фонтанах Энцелада и Европы, и определён состав атмосфер относительно близких экзопланет. Возможно, именно благодаря JWST у какой-нибудь из соседних звёзд будет найдена землеподобная планета, пригодная к переселению, на случай если Земля окажется под угрозой уничтожения какой-нибудь кометой из облака Оорта…

Космический телескоп James Webb столкнулся с небольшим метеоритом — Газета.Ru

Космический телескоп James Webb столкнулся с небольшим метеоритом — Газета.Ru | Новости

close

100%

В одно из главных зеркал космического телескопа James Webb попал микрометеорит, размеры которого превысили те параметры, которые инженеры закладывали при тестах на Земле. Это случилось в период с 23 по 25 мая, специалисты NASA наблюдают «незначительный, но заметный эффект в данных», но надеются, что удар все же не повлияет существенным образом на дальнейшую работу обсерватории, сообщает New Scientist.

James Webb был запущен в конце 2021 года и вышел на постоянную орбиту возле точки Лагранжа L2 в январе 2022 года. С тех пор группа инженеров готовит инструменты телескопа для научных наблюдений. Самой деликатной и сложной частью обсерватории считается его главное зеркало, состоящее из 18 шестиугольных сегментов с золотым напылением. Микрометеориты постоянно прошивают все пространство Солнечной системы, но большинство из них по своим размерам не превышают пылинку и не должны наносить существенный вред зеркалу телескопа, поскольку оно спроектировано таким образом, чтобы выдерживать небольшие удары. Однако тот, что попал в телескоп в мае, был больше, чем все, что учитывалось в ходе наземных тестов NASA, и предсказать его появление не представлялось возможным, поскольку он не был частью какого-либо известного метеорного потока — в противном случае операторы телескопа смогли бы повернуть его, чтобы избежать прямого удара.

«С момента запуска у нас было четыре небольших поддающихся измерению удара микрометеороидами, которые соответствовали предварительным ожиданиям, однако недавний удар оказался более значительным, чем предполагалось в наших прогнозах, — пояснил Ли Файнберг из Центра космических полетов имени Годдарда NASA в официальном блоге проекта. — Мы будем использовать новые данные для корректировки работы телескопа, а также для поиска новых подходов, гарантирующих максимизацию производительности James Webb на многие годы вперед».

Хотя эффект этого воздействия на получаемые данные достаточно заметен и его можно выявить, группа, работающая с обсерваторией, все же надеется, что будущие изображения телескопа не будут сильно испорчены. На данный момент James Webb по-прежнему выдает даже чуть более качественную картинку, чем можно было надеяться, и готовится к плановым научным наблюдениям.

Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter

Новости

Дзен

Telegram

Андрей Колесников

Что подумают «наверху»?

О четырех десятилетиях без Леонида Ильича

Георгий Бовт

Вам карцер или граммофон?

О том, как и зачем в России вытрезвляли

Алена Солнцева

Спасатель из киновселенной

О выставке «Балабанов» и один его незавершенный фильм

Дмитрий Воденников

Покой и селедка

О синем цвете Кузьмы Петрова-Водкина

Юлия Меламед

Любимый тошнотворный праздник

О почитании мертвых

Найдена ошибка?

Закрыть

Спасибо за ваше сообщение, мы скоро все поправим.

Продолжить чтение

Кольца Нептуна хорошо видны на изображении, полученном телескопом Джеймса Уэбба : NPR

Кольца Нептуна хорошо видны на изображении, полученном телескопом Джеймса Уэбба В последний раз ученые так четко видели кольца Нептуна, когда «Вояджер-2» пролетел мимо далекой планеты в 1989 году. Теперь космический телескоп Джеймса Уэбба сделал новое четкое изображение.

Пространство

Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба сделал невероятные фотографии Нептуна и его колец.

НАСА


скрыть заголовок

переключить заголовок

НАСА

Космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба сделал невероятные фотографии Нептуна и его колец.

НАСА

Космический телескоп Джеймса Уэбба поразил астрономов и обычных людей потрясающими изображениями далеких галактик и ближайших соседей Земли.

Телескоп для дальнего космоса стоимостью 10 миллиардов долларов сделал то, что НАСА называет самым четким изображением колец Нептуна за более чем 30 лет.

Телескоп доставил изображение ледяного гиганта Нептуна, а также семи из 14 известных спутников, вращающихся вокруг планеты, сообщило НАСА. На снимке также видны слабые пылевые полосы вокруг планеты.

«Прошло три десятилетия с тех пор, как мы в последний раз видели эти тусклые пыльные кольца, и это первый раз, когда мы видим их в инфракрасном диапазоне», — сказала Хайди Хаммель, эксперт по системе Нептун и междисциплинарный ученый проекта Webb.

Хаммел написал в Твиттере: «Я ужасно плакал, когда увидел ПЕРВЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ JWST NEPTUNE! «О, М, ПОСМОТРИ КОЛЬЦА!» Я кричал, заставляя своих детей, мою маму и даже моих кошек смотреть».

Не буду врать. Я ужасно плакала, когда увидела ПЕРВЫЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ JWST NEPTUNE! «О М М Г — ПОСМОТРИТЕ НА КОЛЬЦА» — кричала я, заставляя моих детей, мою маму, даже моих кошек смотреть. Более 20 лет на разработку и доставку JWST. https://t.co/48bxjAlztC pic.twitter.com/qPtiW2hyFm

— Д-р Хайди Б. Хаммель (@hbhammel) 21 сентября 2022 г.

Обычно Нептун выглядит голубым из-за метана в атмосфере, но снимки с инфракрасной камеры Уэбба показывают, что планета имеет более белый цвет. На новой фотографии видны тонкие линии красивого света вокруг Нептуна, которые, по словам НАСА, представляют собой высотные облака метанового льда, отражающие солнечный свет.

Нептун обычно кажется голубым на фотографиях из-за газообразного метана в атмосфере. Это изображение ледяного гиганта было сделано в 1989 «Вояджером-2», единственным космическим кораблем, совершившим полет к планете.

НАСА


скрыть заголовок

переключить заголовок

НАСА

На фото также виден один из спутников Нептуна — Тритон. Но из-за дифракционных всплесков на изображении его можно легко принять за далекую звезду. По данным НАСА, поверхность Тритона покрыта замороженным конденсированным азотом, который отражает в среднем 70% солнечных лучей.

Изображение колец является самым четким с 1989 года, когда космический аппарат НАСА «Вояджер-2» стал первым космическим кораблем, совершившим полет к Нептуну, находящемуся примерно в 4,8 миллиардах миль от Земли, что более чем в 30 раз превышает расстояние от Земли до Солнца.

Нептун — самая далекая планета в нашей Солнечной системе (Плутон был понижен в должности до карликовой планеты в 2006 году), ей требуется 165 земных лет, чтобы совершить полный оборот по орбите. Интересно, что, по данным НАСА, день на Нептуне длится всего 16 часов.

Сообщение спонсора

Стать спонсором NPR

‘Bit of Panic’: астрономы вынуждены переосмыслить ранние выводы JWST

  • Поделиться на Facebook

  • Поделиться в Twitter

  • Поделитесь на Reddit

  • 9007

    • 9007

  • .

  • Версия для печати

Далекие галактики заполняют фон этого инженерного тестового снимка, сделанного прибором Fine Guidance Sensor космического телескопа Джеймса Уэбба во время ввода обсерватории в эксплуатацию в мае 2022 года. Предоставлено: NASA/CSA и команда FGS/Flickr (CC BY 2.0) )

Астрономы так стремились использовать новый космический телескоп Джеймса Уэбба, что некоторые забежали вперед. Многие начали анализировать данные Уэбба сразу после выпуска первой партии, 14 июля, и быстро разместили свои результаты на серверах препринтов, но теперь им приходится их пересматривать. Детекторы телескопа не были тщательно откалиброваны, когда стали доступны первые данные, и этот факт ускользнул от внимания некоторых астрономов в их волнении.

Похоже, что исправления пока существенно не меняют многие из захватывающих ранних результатов, таких как открытие ряда кандидатов на самую далекую галактику из когда-либо обнаруженных. Но продолжающийся процесс калибровки заставляет астрономов считаться с ограничениями ранних данных Уэбба.

Выяснение того, как переделать работу, «сложно и неприятно», — говорит Марко Кастеллано, астроном из Итальянского национального института астрофизики в Риме. «Было много разочарований, — говорит Гарт Иллингворт, астроном из Калифорнийского университета в Санта-Круз. «Я не думаю, что кто-то действительно ожидал, что это станет такой серьезной проблемой, какой она становится», — добавляет Гвидо Робертс-Борсани, астроном из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Калибровка особенно сложна для проектов, требующих точного измерения яркости астрономических объектов, таких как тусклые далекие галактики. В течение нескольких недель некоторые астрономы собирали обходные пути, чтобы продолжить свои исследования. Следующий официальный раунд обновлений калибровок Уэбба ожидается в ближайшие недели от Научного института космического телескопа (STScI) в Балтиморе, штат Мэриленд, который управляет телескопом. Эти обновления должны сократить планки погрешностей калибровки телескопа с десятков процентных пунктов, которые смущали астрономов в некоторых областях, до нескольких процентных пунктов. И точность данных будет продолжать улучшаться по мере того, как в ближайшие месяцы будут продолжаться работы по калибровке.

Это первое опубликованное научное изображение с телескопа Уэбба, на котором видно глубокое поле неба, включающее множество далеких галактик. Авторы и права: НАСА, ЕКА, CSA и STScI

STScI дал понять, что первоначальные калибровки телескопа были грубыми, говорит Джейн Ригби, научный сотрудник Уэбба из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. Большая часть проблемы связана с тем, что Webb, запущенный в декабре 2021 года, представляет собой новый телескоп, детали которого все еще прорабатываются. «Прошло много времени с тех пор, как у сообщества был совершенно новый космический телескоп — большой с такими удивительными преобразующими способностями», — говорит Ригби.

«Мы знали, что он не будет идеальным прямо из коробки», — говорит Марта Бойер, астроном из STScI, которая помогает руководить работой по калибровке.

Споры о калибровке

Все телескопы должны быть откалиброваны. Обычно это делается путем наблюдения за хорошо изученной звездой, такой как Вега, заметная звезда на ночном небе. Астрономы изучают данные, собираемые различными инструментами телескопа, такие как яркость звезды в различных длинах волн света, и сравнивают их с измерениями той же звезды, полученными другими телескопами и лабораторными стандартами.

Работа с данными Уэбба включает в себя несколько типов калибровки, но текущие разногласия связаны с одним из основных инструментов телескопа, его камерой ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam). В течение шести месяцев после запуска Webb исследователи STScI работали над калибровкой NIRCam. Но, учитывая требования к Уэббу, у них было достаточно времени только для того, чтобы навести его на одну или две калибровочные звезды и получить данные, используя только один из десяти детекторов NIRCam. Затем они оценили калибровку остальных девяти детекторов. «Вот где возникла проблема, — говорит Бойер. «Каждый детектор будет немного отличаться».

Через несколько дней после первого выпуска данных Уэбба на сервере препринтов arXiv начали появляться нерецензированные документы, сообщающие о нескольких кандидатах на самую далекую из когда-либо зарегистрированных галактик. Эти исследования опирались на яркость удаленных объектов, измеренную с помощью Уэбба на различных длинах волн. Затем, 29 июля, STScI выпустил обновленный набор калибровок, которые существенно отличались от того, с чем работали астрономы.

«Это вызвало небольшую панику», — говорит Натан Адамс, астроном из Манчестерского университета, Великобритания, который вместе со своими коллегами указал на проблему в 9 раз.Августовское обновление препринта, опубликованного в конце июля. «Для тех, включая меня, кто написал статью в течение первых двух недель, это было что-то вроде: «О нет, все, что мы сделали неправильно, нужно ли все это отправить в мусорное ведро?»

A молодая обсерватория

Чтобы попытаться стандартизировать все измерения, STScI работает над подробным планом, чтобы указать Уэббу на несколько типов хорошо изученных звезд и наблюдать за ними с помощью каждого детектора в каждом режиме для каждого инструмента на телескопе. «Это займет некоторое время», — говорит Карл Гордон, астроном из STScI, который помогает руководить работой.

Тем временем астрономы переделывают рукописи, описывающие далекие галактики на основе данных Уэбба. «Все вернулись и посмотрели еще раз, и все не так плохо, как мы думали», — говорит Адамс. Многие из самых захватывающих кандидатов в отдаленные галактики, кажется, все еще находятся на расстоянии или близко к первоначально оцененному расстоянию. Но другие предварительные исследования, такие как те, которые делают выводы о ранней Вселенной путем сравнения большого количества слабых галактик, могут не выдержать испытания временем. Другие области исследований, такие как изучение планет, затронуты не так сильно, потому что они меньше зависят от этих предварительных измерений яркости.

«Мы пришли к пониманию того, насколько эта обработка данных является постоянной и развивающейся ситуацией, только потому, что обсерватория такая новая и такая молодая», — говорит Габриэль Браммер, астроном из Копенгагенского университета, который занимается разработкой калибровок Уэбба.