Mechanika Webbova vesmírného dalekohledu: Jak NASA odemkla další věk astronomie

Jako Newyorčan bych řekl, že pokusit se zahlédnout hvězdu z Times Square není nic jiného než hloupá záležitost.

Chcete-li na něj pohlédnout matně, musíte se dívat pryč od zářivkových pouličních světel, blikajících billboardů, burzovních ukazatelů a dalších světelných rušivých prvků. Nejlepší je jet vlakem asi sto mil na sever od státu. Tam už pozorování hvězd nevyžadovalo žádné úsilí. Vznáší se nad vámi úchvatný baldachýn třpytu, ať chcete nebo ne.

Ale i z těch nejhlubších, nejtemnějších a nejvzdálenějších míst nikdy neuvidíte každou hvězdu pouhým okem. Nemůžete fyzicky lokalizovat všechny galaxie, mlhoviny, exoplanety a kvasary – mohu jít dále – ve vaší zorné linii, a to ani pomocí vašeho oblíbeného optického dalekohledu. Existují miliardy a miliardy (přes miliardy) dalších vesmírných jevů. Prostě naše lidské oči nejsou stavěny na to, aby viděly světlo, které vyzařují. Říká se tomu infračervené světlo.

Spousta vesmírných pokladů je tedy pro nás neviditelná. Naštěstí to neznamená, že jsou mimo náš záběr.

Jak jednou poznamenal Stephen Hawking, lidé jsou jedineční v tom, že vždy najdeme způsob, jak překonat své smrtelné limity. Děláme to s Naše mysli a stroje„A jistě, astronomové v průběhu let vyvinuli pozoruhodná infračervená řešení – což nakonec připravilo cestu pro vesmírný teleskop Jamese Webba NASA.“

Bojujte proti lidskému omezení

Velkorozpočtové vesmírné teleskopy jako Hubble a Spitzer již vysvětlují některé záhady kosmického infračerveného záření. Obsahují přístroje, které skenují oblohu a hledají nepolapitelné světlo, a poté převádějí tyto informace do signálů, kterým mohou lidští žáci rozumět. To nám zase umožňuje vidět ve vesmíru spoustu věcí, které jsou obvykle našim očím skryty.

Pokud jsou však tyto masivní dalekohledy prvním a druhým článkem v astronomickém infračerveném detekčním řetězci, je to mocná nová agentura Webový vesmírný dalekohled Včetně první sady kompletních fotografií Vydáno 12. července Úplně nová sezóna.

Úrovně přesahující infračervené možnosti HST a Spitzera, JWST byl pro tento úkol ve skutečnosti postaven.

Přibližte obrázek

Jeho první snímky už zachytily mnohem víc než náš dech. Ve skutečnosti pracovníci NASA, kteří jako první pohlédli na snímky „prvního světla“ JWST, řekli, že jsou jít k slzám. „To, co jsem viděla, mě dojalo jako vědce, inženýra i člověka,“ řekla Pam Milroyová, zástupkyně administrátora NASA.

Než se ale dostaneme k detailům infračervené mechaniky JWST, musíme si promluvit o elektromagnetickém spektru. Přesněji řečeno, existuje určitá záhada, kterou pro nás lidé představují.

Proč nevidíme infračervené světlo?

V určitém okamžiku svého života jste pravděpodobně přemýšleli, jaké by to bylo vidět novou barvu. Jedna nepopsatelná, „zelená“ metoda opravdu nemá žádnou definici kromě „barviva housenky“ – nebo, pokud jste fanouškem objektivity, „vlnové délky 550 nm“. Po chvíli přemýšlení se vsadím, že jste se usadili v nepříjemné realitě, na kterou nikdy nebudete znát odpověď.

je to kvůli Barvy nejsou víc než Světelné produkty se odrážejí od některých zdrojů.

Různé barvy diktují různé vlnové délky světla, které si můžete představit jako cik-cak cik-cak různých rozměrů. Když vidíme například modrý deštník, naše oči zachycují těsnější modré vlnové délky, které vystupují z voděodolného materiálu. Zatímco si užíváme ohnivý západ slunce, naše oči vnímají řadu delších, uvolněnějších červených a žlutých vlnových délek.

Všechny tyto vlnové délky jsou úhledně regulovány podle toho, co je známé jako „elektromagnetické spektrum“. Ale tady je problém.

Přestože existuje nekonečné množství vlnových délek světla, lidé mohou „vidět“ pouze jednu malou část spektra: oblast viditelného světla, která zapouzdřuje barvy duhy. Právě z tohoto důvodu nikdy nezažijeme potěšení sledovat jinou barvu než duhu.

Naše těla to nedovolí a nemůžeme udělat nic, abychom to změnili – samozřejmě kromě vybudování supervelmocného dalekohledu.

Špehování na tajných vlnových délkách

Vzhledem k tomu, že infračervené světlo obchází oblast viditelného světla, navzdory svému názvu se nezdá červené. Nic se nezdá. Ve skutečnosti to lze nejlépe popsat jako termální podpis – na infračervených vlnových délkách můžeme „cítit“, což je důvod, proč mnoho termovizních zařízení obsahuje infračervené detektory. Hasiči například přivolají infračervené záření, aby viděli, kde v budově hoří oheň, aniž by museli dovnitř.

Ale konkrétně pro astronomii je velký problém nevidět infračervené vlnové délky.

Vesmír se rozpíná. nepřetržitě. Což znamená, že když toto čtete, hvězdy, galaxie a kvasary – ultrasvítivé objekty, které fungují jako kosmické lampy – putují stále dále a dále od Země. A jak to dělají, vlnové délky světla, které vydávají, se postupně rozšiřují mimo naši perspektivu, něco jako tahání za gumičku. Natahují se, naklánějí se a natahují, dokud se neobrátí na červený konec spektra. Jsou „červený posuv“.

Vezměte si například hvězdu zrozenou blízko počátku času. V určitém okamžiku, jakmile se objevila Země, mohla tato hvězda vyslat vlnové délky modrého světla směrem k naší mladé planetě. Ale jak se pohybovalo dále, v tandemu s expanzí vesmíru, tyto vlnové délky modrého světla se začaly rozšiřovat od výhodného bodu Země a stávaly se červenějšími…červenějšími…a červenějšími.

„Redshift je úsek světla směrem k delším vlnovým délkám, ke kterému dochází, když světlo prochází rozpínajícím se vesmírem, a lze jej použít k měření vzdálenosti,“ řekl Paul Geithner, zástupce projektového manažera v JWST. Řekl to v prohlášení.

Ve skutečnosti Nircam na JWST řekl: „Pořídíte sérii snímků s filtry, které zachycují různé vlnové délky, a použijete změny jasu, které mezi těmito snímky zaznamenáte, k odhadu rudého posuvu vzdálených galaxií.“

Ale nakonec tyto vlnové délky přesahují spektrum viditelného světla. Vstoupí do infračervených vod – a zmizí z našich prostých očí. Podívejme se znovu na příklad této starověké hvězdy.

Nyní, o miliardy let později, se z naší perspektivy tyto načervenalé vlnové délky pomalu přesunuly až do infračervené oblasti spektra. Prastará hvězda nám posílá jakési světlo hvězd, které naše oči nevidí.

Hvězdy a galaxie, Muzeum islámského umění

To znamená, že všechny extrémně vzdálené, vzácné a možná na informace bohaté hvězdy a galaxie jsou pro nás neviditelné, spolu se vším, co tyto hvězdy a galaxie svítí. Chybí nám části historie našeho vesmíru – kapitoly jeho počátků.

Ale díky infračerveným lovcům nám infračervené detektory JWST mohou ukázat ty chybějící kousky. Mohou vysvětlit, jak vesmír vypadal během prvních okamžiků po Velkém třesku. Mohou také najít vzdálené exoplanety plovoucí mezi jejich vnějšími měsíci a hledající vzdálené umělé světlo, které by mohlo naznačovat přítomnost mimozemského života. Představí nám krajinu vesmíru dostatečně jasnou, aby nám připomněla naše mikroskopické místo v ní.

Abychom vše posunuli ještě o krok dále, infračervené vlnové délky mají navíc tu výhodu, že jsou dostatečně dlouhé na to, aby cestovaly hmotou, včetně hustých, hmotných hvězdných mračen. Pokud by tedy JWST zachytil infračervené světlo vyzařované takovým mrakem, byl by schopen vykreslit obraz scény uvnitř – možná dokonce scény zrození starověkých hvězd.

„Není jasné, jak vesmír přešel z jednoduššího stavu, kdy se skládal pouze z vodíku a hélia, do vesmíru, který vidíme dnes,“ řekl Geithner. „[T]Webbův dalekohled uvidí velké vzdálenosti do vesmíru a éru času, kterou jsme nikdy předtím neviděli, a pomůže nám odpovědět na tyto důležité otázky.“

Nejvyhledávanějším aspektem JWST je ale to, že kromě otázek, které si vědci kladou desítky let, dokáže velmi dobře odpovědět na pár otázek, které nikoho nenapadlo položit.