;
Кейсы 3 августа 2020

Посмотрите, что способен увидеть в космосе преемник Хаббла. Обзор телескопа Уэбб

Далее

Космический телескоп Джеймса Уэбба (иногда его называют JWST или Webb) — это орбитальная инфракрасная обсерватория, которая дополнит и расширит открытия космического телескопа Хаббла с более длинным волновым охватом и улучшенной чувствительностью. Устройство Уэббуа позволяет ему заглядывать в пылевые облака, где сегодня формируются звезды и планетные системы. Как Уэббу эту удается, а Хабблу — нет? Сравниваем два телескопа: их размеры и результаты наблюдений. А также рассказываем про первое задание для телескопа, который лишь недавно был полностью собран.

Уэбб против Хаббла

Замена старого телескопа или преемник?

Уэбб часто называют заменой Хабблу, но в НАСА его предпочитают называть преемником легендарного телескопа. В конце концов, научные цели Уэбба были поставлены на основании полученных результатов от Хаббла.

Достижения Хаббла подтолкнула ученых к идее использовать волны большей длины, чтобы «выйти за пределы» наблюдений. Более удаленные объекты имеют высокое смещение в красный спектр. Таким образом, для наблюдения за этими отдаленными объектами (например, первыми галактиками, образовавшимися во Вселенной) требуется инфракрасный телескоп.

Это еще одна причина, по которой Уэбб не является заменой Хабблу; его возможности не идентичны. Уэбб будет в первую очередь смотреть на Вселенную в инфракрасном диапазоне, в то время как Хаббл изучает ее в первую очередь на оптических и ультрафиолетовых длинах волн (хотя он имеет некоторые возможности работы в инфракрасном свете).

Наблюдения в инфракрасном свете позволяют заглянуть за пылевую завесу, и увидеть, что за ней скрывается.

Почему Уэбб видит больше?

Свет распространяется в диапазоне частот вдоль электромагнитного спектра. Наши глаза эволюционировали, чтобы обнаружить полосу спектра, которая известна как «видимый свет», что неудивительно, учитывая, что наша атмосфера блокирует многие другие длины волн. Однако есть много других форм света, которые мы не можем видеть как внутри, так и за пределами нашей атмосферы.

НАСА

Инфракрасный свет имеет большую длину волны и может проходить сквозь объекты в пространстве, которые блокирует видимый свет, такие как газ и пыль. Вот почему изображения, полученные с помощью телескопов, которые обнаруживают инфракрасные частоты, могут выделять объекты за пределами этих облаков и казаться более четкими, чем те, которые сделаны с помощью других телескопов.

У Уэбба также гораздо большее зеркало, чем у Хаббла. Эта большая площадь сбора света означает, что Уэбб может заглянуть дальше во времени, чем Хаббл способен это сделать.

Кроме того, Хаббл находится на очень близкой орбите вокруг Земли, а Уэбб будет на расстоянии 1,5 млн км во второй точке Лагранжа (L2).

Будет ли Уэбб делать такие же красивые снимки как Хаббл?

Да. Кроме того, что с помощью телескопа Уэбба ученые смогут увидеть то, что никогда раньше не видели, у исследователей появится возможность наблюдать уже открытые объекты в новом свете. В буквальном смысле.

Красота и качество астрономического изображения зависит от двух вещей: резкости и количества пикселей в камере. В обоих случаях Уэбб очень похож и во многих отношениях лучше, чем Хаббл. Хотя изображения Уэбба будут инфракрасными, их можно преобразовать с помощью компьютера в видимое изображение. Кроме того, он может видеть оранжевый и красный видимый свет. Изображения Уэбба будут другими, но такими же красивыми, как у Хаббла.

Сравниваем размеры телескопов

У Уэбба будет первичное зеркало диаметром 6,5 м, это дает ему значительно большую площадь сбора, чем зеркала, доступные в космическом телескопе нынешнего поколения. Зеркало Хаббла намного меньше — 2,4 м в диаметре и его площадь сбора информации составляет 4,5 м². У Джеймса Уэбба эта площадь в 6,25 раза больше. Кроме того, у Уэбба будет значительно большее поле зрения, чем у камеры NICMOS на Хаббле. Уэбб сможет охватить в 15 раз больше пространства.

Как далеко увидит Уэбб? И что не видит Хаббл?

Из-за времени, которое требуется свету, чтобы путешествовать, чем мы дальше от объекта, тем дальше назад во времени мы смотрим.

Эта иллюстрация сравнивает различные телескопы и то, как далеко они могут видеть. По сути, Хаббл может видеть эквивалент «галактик-малышей», а телескоп Уэбба сможет видеть уже «детские галактики». Одна из причин, по которой Уэбб сможет увидеть первые галактики, заключается в том, что это инфракрасный телескоп.

Чем дальше объект, тем больше назад мы смотрим из-за времени, которое требуется свету, чтобы путешествовать. Когда мы смотрим на объекты через усовершенствованный телескоп, мы видим эти объекты почти такими же, какими они были, когда свет впервые покинул их 13,6 миллиарда лет назад.

Благодаря своей способности видеть Вселенную в более длинноволновом инфракрасном свете Джеймс Уэбб сможет видеть некоторые из самых отдаленных галактик в нашей Вселенной, помимо видимого/ультрафиолетового излучения Хаббла. Это потому, что свет от удаленных объектов растягивается расширением нашей Вселенной, и эффект, известный как красное смещение. Таким образом, в то время как Хаббл смог просматривать «малыши» галактик, Джеймс Уэбб начнет всматриваться в их рождение.

Вселенная (и, следовательно, галактики в ней) расширяется. Когда мы говорим о самых отдаленных объектах, на самом деле в игру вступает Эйнштейн. Расширение вселенной означает, что пространство между объектами фактически растягивается, заставляя объекты (галактики) отходить друг от друга. Кроме того, любой свет в этом пространстве также будет растягиваться, сдвигая длину волны этого света в сторону более длинных волн. Это может сделать отдаленные объекты очень тусклыми (или невидимыми) на видимых длинах волн света, потому что этот свет достигает нас уже как инфракрасный свет. Инфракрасные телескопы, такие как Уэбб, идеально подходят для наблюдения за этими ранними галактиками.

Сравниваем орбиту Уэбба и Хаббла 

Земля находится в 150 млн. км от Солнца, а Луна вращается вокруг Земли на расстоянии примерно 384 500 км. Космический телескоп Хаббла вращается вокруг Земли на высоте ~570 км над ней. На самом деле Уэбб не будет вращаться вокруг Земли — он будет находиться на расстоянии 1,5 млн км.

Уэбб будет вращаться вокруг Солнца на расстоянии 1,5 миллиона километров (1 миллион миль) от Земли в так называемой второй точке Лагранжа или L2. (Обратите внимание, что эта графика не в масштабе)

Поскольку Хаббл находится на околоземной орбите, космический челнок смог запустить его в космос. Уэбб будет запущен на ракете Ariane 5, и поскольку не будет находиться на околоземной орбите, то не предназначен для обслуживания космическим челноком.

Солнечный щит Уэбба будет блокировать свет от Солнца, Земли и Луны. Это поможет Веббу оставаться в спокойном состоянии и не «отвлекаться» на ближний свет, что очень важно для инфракрасного телескопа.

Когда Земля вращается вокруг Солнца, Уэбб будет вращаться вокруг нее — но останется неподвижным в том же месте относительно Земли и Солнца

Особенности Уэбба

Зеркала

Основное зеркало Уэбба имеет 18 сегментов, которые работают вместе как один; все они могут быть настроены индивидуально. Его сегменты имеют массу ~20 кг каждый и высотой около метра. Покрытие зеркал настолько тонкое, что человеческий волос в 1 000 раз толще! У каждого сегмента свои особенности.

Почему шестиугольная форма?

Гексагональная форма допускает примерно круглое сегментированное зеркало с «высоким коэффициентом заполнения и шестикратной симметрией». Высокий коэффициент заполнения означает, что сегменты соединяются без зазоров. Если бы сегменты были круглыми, между ними были бы промежутки. Симметрия хороша тем, что для 18 сегментов нужно всего 3 разных оптических рецепта, по 6 на каждый (см. Правую диаграмму выше). Наконец, желательна приблизительно круглая общая форма зеркала, поскольку она фокусирует свет в наиболее компактную область на детекторах. Например, овальное зеркало дает изображения, вытянутые в одном направлении. Квадратное зеркало посылало много света из центральной области.

Вот как свет будет поступать на телескоп Уэбба.

Чувствительность, разрешение и длина волны телескопа Уэбб

Уэбб настолько чувствителен, что может обнаружить тепловую сигнатуру шмеля на расстоянии луны и может видеть детали размером с копейку США на расстоянии около 40 км.

Уэбб увидит Вселенную в свете, невидимом для человеческого глаза. Хотя кажется, что это в первую очередь инфракрасный свет, он также может видеть красный и золотой видимый свет. (Диапазон длин волн Уэбба составляет от 0,6 до 28,5 мкм).

Развертывание Уэбба. Как это произойдет?

Команда Webb Telescope также решила построить зеркало в сегментах на структуре, которая складывается, чтобы он мог поместиться в ракету. Зеркало раскроется после запуска: каждый из 18 зеркальных сегментов гексагональной формы имеет диаметр 1,32 м. Вторичное зеркало Уэбба имеет диаметр 0,74 м.

https://www.youtube.com/watch?v=bTxLAGchWnA&feature=youtu.be

Что будет изучать телескоп Уэбб?

Первые звезды и галактики

Благодаря беспрецедентной чувствительности к инфракрасному излучению он будет смотреть во времени более чем на 13,5 млрд лет, чтобы увидеть первые галактики, рожденные после Большого взрыва. 

Как собираются галактики

Уэбб поможет астрономам сравнивать самые слабые и самые ранние галактики с современными великими спиралями и эллиптиками, помогая нам понять, как галактики собираются за миллиарды лет. 

Рождение звезд и планетных систем

Уэбб сможет видеть сквозь массивные облака пыли, непрозрачные для обсерваторий видимого света, таких как Хаббл, где рождаются звезды и планетные системы.

Экзопланеты

Уэбб расскажет нам больше об атмосферах внесолнечных планет и, возможно, даже найдет строительные блоки жизни в других местах вселенной. В дополнение к другим планетным системам Уэбб будет также изучать объекты в нашей собственной Солнечной системе.

Первое задание Уэбба: он изучит Юпитер, его кольца и две интригующие луны

Разнообразная команда из более чем 40 исследователей, возглавляемая астрономом Инке де Патером из Калифорнийского университета, Беркли и Тьерри Фуше из Обсерватории Парижа, разработала амбициозную программу наблюдений, которая проведет некоторые из первых научных наблюдений Уэбба в Солнечной системе. Они будут изучать Юпитер, его кольцевую систему и две его луны: Ганимед и Ио.

Это будет действительно сложный эксперимент, подчеркивают ученые. Юпитер настолько яркий, а инструменты Уэбба настолько чувствительны, что наблюдение за яркой планетой, ее более слабыми кольцами и лунами станет отличным испытанием инновационных технологий Уэбба.

Юпитер и его штормы

В дополнение к калибровке инструментов Уэбба для яркости Юпитера астрономы также должны учитывать вращение планеты, потому что Юпитер завершает один день всего за 10 часов. Несколько изображений должны быть сшиты вместе в мозаику, чтобы полностью захватить определенную область — например, знаменитый шторм, известный как Большое Красное Пятно, — задача, которая усложняется, когда сам объект движется. В то время как многие телескопы изучали Юпитер и его штормы, большое зеркало Уэбба и мощные инструменты дадут новые идеи.

Штормовые циклоны окружают Северный полюс Юпитера, захваченный в инфракрасном свете космическим кораблем НАСА Юнона.

Кредиты: НАСА/JPL-Caltech/SwRI/ASI/INAF/JIRAM

Уэбб также изучит атмосферу полярного региона, где космический корабль НАСА Юнона обнаружил скопления циклонов. Спектроскопические данные Уэбба предоставят гораздо больше деталей, чем это было возможно в предыдущих наблюдениях, измерениях ветра, частиц облаков, состава газа и температуры.

Кольца Юпитера

У всех четырех газовых гигантов планет Солнечной системы есть кольца, причем Сатурн является самым выдающимся. Кольцевая система Юпитера состоит из трех частей: плоского основного кольца; гало внутри основного кольца в форме двойной выпуклой линзы; и тонкое кольцо, внешнее по отношению к основному кольцу. Кольцевая система Юпитера исключительно слабая, потому что частицы, из которых состоят кольца, настолько малы и редки, что не отражают много света. Рядом с яркостью планеты они практически исчезают, бросая вызов астрономам.

На космическом корабле НАСА «Галилео» было получено изображение кольцевой системы Юпитера, включая диффузное внешнее тонкое кольцо.

Кредиты: НАСА/JPL/Корнельский университет

Луна Юпитера — Ганимед 

Несколько особенностей ледяного Ганимеда делают его захватывающим для астрономов. Помимо того, что она является самой большой луной в Солнечной системе и даже больше, чем планета Меркурий, это единственная известная луна, обладающая собственным магнитным полем. Команда исследует самые внешние части атмосферы Ганимеда, его экзосферы, чтобы лучше понять взаимодействие Луны с частицами в магнитном поле Юпитера.

Есть также доказательства того, что у Ганимеда может быть жидкий соленый морской океан под его толстым поверхностным льдом, который Уэбб будет исследовать с подробным спектроскопическим исследованием поверхностных солей и других соединений. Опыт группы, изучающий поверхность Ганимеда, может быть полезен при дальнейшем изучении других спутников ледяной Солнечной системы, предположительно, имеющих подповерхностные океаны, включая спутник Сатурна Энцелад и спутник Юпитера Европа.

Луна Юпитера — Ио

В отличие от Ганимеда, другого спутника, команда изучит Ио, самый вулканически активный мир в Солнечной системе. Динамическая поверхность покрыта сотнями огромных вулканов, которые затмят те, что на Земле, а также озерами расплавленной лавы и гладкими поймами затвердевшей лавы. Астрономы планируют использовать Уэбба, чтобы узнать больше о влиянии вулканов Ио на его атмосферу.

Еще одна загадка, которую Уэбб рассмотрит на Ио, — это существование «скрытых вулканов», которые испускают газовые струи без светоотражающей пыли, которую можно обнаружить с помощью космического корабля, такого как миссии НАСА «Вояджер» и «Галилео», и поэтому до сих пор остаются незамеченными. Высокое пространственное разрешение Уэбба позволит выделить отдельные вулканы, которые раньше были бы похожи на одну большую точку доступа, позволяя астрономам собирать подробные данные о геологии Ио.

Космический корабль НАСА «Галилео» ловит Ио в разгар извержения вулкана.

Кредиты: НАСА/JPL/DLR

Уэбб также предоставит беспрецедентные данные о температуре горячих точек Ио и определит, ближе ли они к вулканизму на Земле сегодня или имеют гораздо более высокую температуру, подобную окружающей среде на Земле в первые годы после ее образования. Предыдущие наблюдения миссии «Галилео» и наземных обсерваторий намекали на эти высокие температуры; Уэбб продолжит исследования и предоставит новые доказательства, которые могут решить вопрос.

Читать также

Астрономы нашли лучшее место на Земле для телескопа

В Испании и Великобритании зафиксировали рекордно высокую температуру

Германия запретила одноразовые пластиковые трубочки, приборы и посуду

Загрузка...