Статья спасена из Яндекс.Кью
Сегодня человечество отправило в космос одно из лучших своих изобретений -- 6.5-метровый инфракрасный телескоп Джеймса Уэбба (планета подешевела на 10 млрд $).
Что значит инфракрасный, почему это важно и чем отличается от привычного оптического телескопа? Человек видит глазом в достаточно узком (оптическом) диапазоне длин волн электромагнитного спектра (почему так -- об этом я писал здесь) от 400 до 700 нм. Допустим, мы хотим увидеть самые ранние галактики. Но они очень далеко от нас, и фотонов от них приходит не так много -- нужно большое зеркало, чтобы сфокусировать как можно больше фотонов (у телескопа Уэбба зеркало ~6.5 м). Как известно -- чем дальше галактика, тем её спектр дальше смещён в красную часть диапазона электромагнитных длин волн, а значит -- инфракрасный диапазон представляет особый интерес.
Но! Чем дальше от нас объект исследований -- тем больше препятствий у света по пути от него. Межгалактическая среда, галактики, облака газа и т.д. -- всё это находится на луче зрения. Окей, пучок фотонов достиг нашей Галактики, но и наша межзвёздная среда тоже состоит из газа и в зависимости от траектории -- свет испытывает различное взаимодействие с веществом.
Хорошо наблюдать внегалактические объекты перпендикулярные плоскости нашей Галактики. Иначе -- поток от объекта поглощается достаточно сильно. А сквозь ядро Галактики в оптике мы от далёкого объекта вообще ничего не разглядим. Наблюдать в плоскости Млечного Пути необходимо в инфракрасных лучах (они поглощаются гораздо слабее). Но тому препятствует земная атмосфера, в ней содержится водяной пар H₂O. Вода -- источник жизни! И поглощения в ИК-области. Более того, в ИК-диапазоне светятся здания, сооружения, астрономы. Да и сам телескоп и инструменты. А это шум, который не помогает в исследованиях. То есть, даже сами приборы необходимо охлаждать целиком! При этом, инфракрасное стекло не должно треснуть. Стоимость таких сложных приборов – не трудно догадаться – очень высока. А раз атмосфера срезает нам ИК-лучи, то инфракрасному телескопу прямая дорога только в космос! Звучит недёшево.
БЕЗ ПРАВА НА ОШИБКУ.
Телескоп отправляется куда дальше своего младшего брата – телескопа им. Хаббла (высота ~600 км) – в точку Лагранжа на расстоянии ~1.5 млн км от Земли. А значит -- к нему не отправить экипаж астронавтов на случай поломок или модернизации. С другой стороны, будет хорошая радиосвязь, а телескоп можно будет наблюдать в полночь. За месяц ожидается разворачивание солнцезащитного козырька (размером с теннисный корт), чтобы избежать нагрева телескопа и инструментов (температура которых снижена до –223°), дабы избежать собственного ИК-излучения. Чтобы выиграть как можно больше света -- зеркало покрыто слоем золота с высоким коэффициентом отражения. Ещё одно принципиальное отличие от оптических инструментов касается детекторов излучения. Привычные кремниевые детекторы излучения уже не годятся -- их чувствительность падает в области микрона (10000 Å). Уэбб чувствует от 0.6 мкм до 28 мкм.
0.6 мкм -- оранжевый цвет
0.7-1 мкм -- ближний ИК
1-20 микронов -- классический ИК-диапазон
С ростом длины волны падает частота фотонов и, следовательно, энергия (E = hν). Матрицы (ПЗС) работают на основе явления фотоэффекта. Энергии ИК-фотонов уже не хватает, чтобы выбить электрон при попадании на привычную матрицу на основе кремния. Необходимо применять иные технологии, где превращение кванта света в электрон реализуется на меньших энергиях (Уэбб оснащён ртутно-кадмиево-теллуровыми, мышьяко-кремниевыми детекторами).
Уже по написанному ясно, что Уэбб принципиально иначе позволит увидеть Вселенную, к тому же -- ещё и доселе невиданные её части.
Что таит в себе ИК?
ИК = звёзды, окутанные облаками пыли, молекулы в атмосферах экзопланет и свет от первых звёзд и самых ранних галактик. Такие наблюдения, в том числе, расширят уровень наших знаний о Солнечной системе. О том, как формируются звёзды и экзопланеты. Как формировались и эволюционируют галактики.
Уэбб поможет исследовать каждый этап космической истории: телескоп заглянет в раннюю Вселенную -- как появились первые звёзды и галактики и как они далее эволюционировали? Без сомнений, мы узнаем больше о тёмной материи и тёмной энергии. Как звёзды заканчивают свою жизнь, как образуются планетные системы и это только то, что мы можем предположить :) А сколько неизведанных тайн он нам откроет?
Инструменты.
На борту JWST 4 инструмента, 2 из которых оснащены блоками интегрально-полевой спектроскопии (IFU, Integral Field Unit), о которой хочется рассказать подробнее. Панорамная спектроскопия -- это сильно продвинутый метод наблюдений, позволяющий проводить двумерный спектральный анализ астрономических объектов. В случае JWST -- в диапазоне от 2 до 27 микронов. Фактически, будет получаться трёхмерный куб данных, где двумерная плоскость -- это обычный привычный нам кадр прямого изображения (как фото), а по третьей координате -- будет длина волны. Фактически, это набор монохроматичных (в одном цвете) изображений объектов, где каждый кадр получен в разных длинах волн!
Иными словами -- мы можем посмотреть спектр в каждом пикселе полученного изображения! Такие кубы данных несут колоссальную информацию! Учёные могут смотреть как ведёт себя газ, излучающий конкретные длины волн, смотреть его движение и строить карты лучевых скоростей:
Слайд взят из курса лекций Моисеева А.В. "Многорежимный фокальный редуктор телескопа БТА" (см. здесь). Изображение ~16".5 x 16".5 в отдельных эмиссионных линиях (Hα, запрещённого ионизованного азота, запрещённого дважды ионизованного кислорода). Диск галактики Mrk 78 вращается под неким углом к наблюдателю -- красным цветом обозначена удаляющаяся часть галактики, синим -- приближающаяся.
А это туманность Ориона, полученная с помощью спектрографа MUSE на наземном телескопе VLT (исходники) с пространственным разрешением лучше угловой секунды. Туманность представлена в различных эмиссионных линиях -- из полученного куба данных. Причём в каждой точке изображения фактически имеется спектр! Теперь вообразите на что способен 6-метровый JWST в космосе без атмосферы!
Понятно, что такого рода инструменты на JWST позволят исследовать физические и кинематические структуры популяций галактик на больших красных смещениях в ранней Вселенной. Телескоп даст возможность наблюдать эволюцию фундаментальных свойств галактик в космическом времени, а значит -- сильно ограничивать модели формирования и эволюции галактик. Двумерная спектральная информация крайне важна, ведь галактики с большим красным смещением часто демонстрируют сложные 2D-структуры (очень сложные поля скоростей из-за взаимодействий и слияний и т.д.). Решение таких задач с помощью классической длиннощелевой спектроскопии сильно затруднено и ограничено. Двумерная спектральная информация даст возможность изучения крупномасштабных истечений газа и их роли в обогащении межгалактической среды. Всем астрофизикам мира не терпится увидеть первый свет JWST! Сейчас телескоп идеально стартовал с Земли и вышел на запланированную орбиту. Если и дальше не возникнет никаких проблем -- через 7 месяцев воображение человечества будет взбудоражено порцией невероятных наблюдательных данных, анализ которых колоссально расширит наши понимание и знания о Вселенной, частью которой мы являемся :)