science >> Wetenschap >  >> Astronomie

Hoe de James Webb-ruimtetelescoop werkt

Deze kunstenaarsopvatting laat zien hoe de James Webb Space Telescope eruit zal zien wanneer deze in de ruimte wordt gelanceerd. NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutiérrez

Onze kennis van het universum is gebonden aan de reikwijdte van onze zintuigen, maar onze geest kent zulke grenzen niet. Wanneer de gloed van een kampvuur ons verblindt voor de bron van een twijgklik in de beboste duisternis, we stellen ons allerlei sombere vooruitzichten voor. Maar stap een paar passen uit, zet het vuur op onze rug, en we zien dieper en helderder. Verbeelding ontmoet informatie, en we weten ineens waar we mee te maken hebben.

Maar er is meer nodig dan een paar goede ogen en enige afstand van stadslichten om de kosmos te begrijpen; het vereist instrumenten die in staat zijn om onze zintuigen buiten onze evolutionaire grenzen uit te breiden, onze atmosfeer of zelfs onze planetaire baan. Astronomie en kosmologie worden zowel gedwongen als beperkt door de kwaliteit van deze instrumenten.

Ongeveer 400 jaar geleden, de telescoop onthulde onvermoede manen, planeten en zonnevlekken, het aanwakkeren van een opeenvolging van nieuwe kosmische theorieën en betere hulpmiddelen om ze te testen, het onthullen van golvende nevels en samenkomende sterren langs de weg.

In het midden van de 20e eeuw, radiotelescopen toonden aan dat sterrenstelsels - verre van statische klodders - in feite actief waren en barsten van energie. Vóór de Kepler-ruimtetelescoop, we dachten dat exoplaneten zeldzaam waren in het heelal; nu vermoeden we dat ze in aantal groter zijn dan sterren. Meer dan drie decennia van de rond de aarde draaiende Hubble-ruimtetelescoop hielp de sluier van de tijd te doorbreken, fotografeer stellaire kraamkamers en bewijs dat sterrenstelsels botsen. Nutsvoorzieningen, de James Webb Space Telescope staat klaar om zijn rug naar het zonlicht te plaatsen, stap weg van de aarde en maak de scherpe, delicate waarnemingen alleen mogelijk in de kou, donkere ruimten voorbij de maan.

Gepland voor een december 18, 2021, lanceringsdatum vanaf de Europese ruimtehaven in Kourou, Frans Guyana, Webb is gebouwd door een internationale samenwerking tussen NASA, de European Space Agency (ESA) en de Canadian Space Agency (CSA), en is belast met het beantwoorden van sommige heel ambitieuze vragen. Het zal astronomen ook dichter dan ooit bij het begin der tijden brengen, een glimp opvangen van bezienswaardigheden die lang werden verondersteld maar nog nooit eerder waren gezien, vanaf de geboorte van sterrenstelsels tot het licht van de allereerste sterren.

De 18-gesegmenteerde spiegel van de James Webb-telescoop is speciaal ontworpen om infraroodlicht op te vangen van de eerste sterrenstelsels die zich in het vroege heelal hebben gevormd, en zal de telescoop helpen om in stofwolken te kijken waar zich nog sterren en planetaire systemen vormen. NASA

Inhoud
  1. De missie:op de schouders van reuzen staan
  2. Volg een rondleiding door de James Webb-ruimtetelescoop
  3. De instrumenten:zicht voorbij zicht
  4. Vragen die Webb kon beantwoorden:

De missie:op de schouders van reuzen staan

Deze afbeelding toont het verschil tussen Hubble's zichtbare en infraroodbeelden van de Apenkopnevel. De James Webb-telescoop zal zich richten op infraroodbeeldvorming. Het Hubble Heritage-team (STScI/AURA), en J. Hester

De missie van Webb bouwt voort op en breidt het werk van NASA's Great Observatories uit, vier opmerkelijke ruimtetelescopen waarvan de instrumenten de waterkant van elektromagnetische spectra bestrijken. De vier overlappende missies hebben wetenschappers in staat gesteld om dezelfde astronomische objecten in het zichtbare, Gamma-straal, Röntgen- en infraroodspectra.

De Hubble ter grootte van een schoolbus, die voornamelijk in het zichtbare spectrum ziet met enige ultraviolette en nabij-infrarode dekking, startte het programma in 1990 en, met verder onderhoud, zal een aanvulling vormen op en samenwerken met Webb. Toepasselijk genoemd naar Edwin Hubble, de astronoom die veel van de gebeurtenissen ontdekte waarvoor hij was gebouwd, de telescoop is sindsdien een van de meest productieve instrumenten in de wetenschappelijke geschiedenis geworden, fenomenen zoals stergeboorte en dood brengen, galactische evolutie en zwarte gaten van theorie tot waargenomen feit.

Deelnemen aan de Hubble in de grote vier zijn de Compton Gamma Ray Observatory (CGRO), Chandra X-ray Observatory en Spitzer Space Telescope.

  • de CGO, gelanceerd in 1991 en nu ontmanteld, gedetecteerde hoge energie, gewelddadige bril in het spectrum van 30 kiloelectron volt (keV) tot 30 gigaelectron volt (GeV), inclusief de energiespuwende kernen van actieve sterrenstelsels.
  • Chandra, ingezet in 1999 en nog steeds in een baan rond een hoogte van 86, 500 mijl (139, 000 kilometer) in de ruimte, monitort zwarte gaten, quasars en gassen op hoge temperatuur in het röntgenspectrum, en levert essentiële gegevens over de geboorte van het universum, groei en het uiteindelijke lot.
  • Spitzer, die in 2003 werd gelanceerd en een baan om de aarde bezette, de lucht bekijken in thermisch infrarood (3-180 micron), een bandbreedte die nuttig is voor het observeren van stergeboorten, galactische centra en koele, vage sterren, en voor het detecteren van moleculen in de ruimte. Spitzer werd oorspronkelijk gebouwd om minimaal ongeveer twee en een half jaar mee te gaan, maar Spitzer bleef werken tot 30 januari, 2020.

Wat Webb anders maakt, is dat het de mogelijkheid heeft om diep in het nabij- en midden-infrarood te kijken, en het zal vier wetenschappelijke instrumenten hebben om beelden en spectra van astronomische objecten vast te leggen. Waarom is dat van belang? Sterren en planeten die zich net vormen, zijn verborgen achter stof dat zichtbaar licht opzuigt. Echter, uitgestraald infrarood licht kan deze stoffige deken doorboren, onthullen wat erachter zit. Wetenschappers hopen dat ze daarmee de allereerste sterren in het heelal kunnen observeren; de vorming en botsing van jonge sterrenstelsels; en de geboorte van sterren en protoplanetaire systemen, mogelijk zelfs die met de chemische bestanddelen van het leven.

Deze eerste sterren zouden de sleutel kunnen zijn tot het begrijpen van de structuur van het universum. theoretisch, waar en hoe ze zich vormden, heeft betrekking op vroege patronen van donkere materie - ongezien, mysterieuze materie detecteerbaar door de zwaartekracht die het uitoefent - en hun levenscycli en sterfgevallen veroorzaakten feedback die de vorming van de eerste sterrenstelsels beïnvloedde [bron:Bromm et al.]. En als superzwaar, kortlevende sterren, geschat op ongeveer 30-300 keer de massa (en miljoenen keren de helderheid) van onze zon, deze eerstgeboren sterren zouden heel goed zijn geëxplodeerd toen supernova's vervolgens instortten om zwarte gaten te vormen, later zwellen en versmelten ze met de enorme zwarte gaten die de centra van de meeste massieve sterrenstelsels bezetten.

Getuige zijn van dit alles is een prestatie die verder gaat dan enig instrument of telescoop die tot nu toe is gebouwd.

Eerste licht

De term eerste licht verwijst naar de eerste sterren die ooit in het heelal zijn gevormd, die 400 miljoen jaar na de oerknal tot ontbranding kwamen en volledig uit oergas bestaan. Deze oude zonnen zijn niet de oudste stralingsbronnen, echter. Die eer behoort toe aan de kosmische achtergrondstraling, de microgolfstraling die vrijkomt bij de vorming van de eerste atomen rond 400, 000 jaar na de oerknal en waargenomen door NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) en Cosmic Background Explorer (COBE) missies. Webb, echter, zal deze vroege straling niet te zien krijgen.

Volg een rondleiding door de James Webb-ruimtetelescoop

Technici hebben met succes een kritische test uitgevoerd op Webb's vijflaagse zonnescherm door elk van zijn unieke lagen volledig in dezelfde positie te plaatsen als wanneer ze om de zon draaien op een miljoen mijl afstand van de aarde. NASA/Chris Gunn

Webb lijkt een beetje op een ruitvormig vlot met een dikke, gebogen mast en zeil - als het zeil door een reus is gebouwd, beryllium-kauwende honingbijen. Het "vlot" (of zonnescherm) is gemaakt van membraanlagen - allemaal zo dun als een mensenhaar - van Kapton, een hoogwaardige kunststof bedekt met een reflecterend metaal. Samen beschermen ze de hoofdreflector en instrumenten.

De "kiel" van Webb is wat je zou zien als de eenheidspalletstructuur. Dat is waar het enorme zonnescherm wordt opgevouwen om op te stijgen. In het midden staat de ruimtevaartuigbus, die alle ondersteunende functies bevat die Webb draaiende houden, inclusief elektrische stroom, houding controle, communicatie, commando en gegevensverwerking, en thermische controle. Een high-gain antenne siert de buitenkant van de Webb, net als een set sterrenvolgers die werken met de fijne geleidingssensor om alles in de goede richting te houden. Eindelijk, aan het ene uiteinde van het zonnescherm, en loodrecht daarop, is een momentum trim tab die de druk compenseert die fotonen op het schip uitoefenen, net zoals een trimflap op een zeilschip doet.

Boven het zonnescherm is het "zeil, " of de gigantische spiegels van Webb. Webb heeft een primaire spiegel met een diameter van 21,4 voet (6,5 meter) die het licht meet van verre sterrenstelsels. (Ter vergelijking:de spiegel van de Hubble-ruimtetelescoop is 2,4 meter (7,8 voet)). Het is gemaakt van 18 zeshoekige berylliumsecties die zich na de lancering ontvouwen, coördineer dan om op te treden als een geweldige primaire spiegel. Deze spiegel heeft een veel lichter ontwerp en zorgt ervoor dat de hele structuur kan worden opgevouwen als een klaptafel. Door de zeshoekige vorm van de spiegels kan de structuur ruwweg cirkelvormig zijn, zonder gaten. Als de spiegelsegmenten in plaats daarvan cirkels waren, er zouden gaten tussen hen zijn.

Laten we eens nader kijken naar de instrumenten die al die studies mogelijk zullen maken.

De James Webb Telescope-spiegels zijn bedekt met een microscopisch dunne laag goud, die ze optimaliseert voor het reflecteren van infrarood licht, de primaire golflengte van het licht dat het zal waarnemen. NASA

De instrumenten:zicht voorbij zicht

Webb's Near Infrared Camera heeft een 16-megapixel mozaïek van lichtsensoren. Het mozaïek bestaat uit vier afzonderlijke chips die aan elkaar zijn gemonteerd met een zwart masker dat de openingen tussen de chips bedekt. Kenneth W. Don

Hoewel het enigszins in het visuele bereik kijkt (rood en goud licht), Webb is in wezen een grote infraroodtelescoop.

  • Zijn primaire imager, de nabij-infraroodcamera (NIRCam), zintuigen in het bereik van 0,6-5,0 micron (nabij-infrarood). Dat betekent dat het infrarood licht kan detecteren van de vroegste sterren en sterrenstelsels die worden geboren; neem een ​​telling van nabijgelegen sterrenstelsels; en objecten spotten die door de Kuipergordel slingeren, de uitgestrektheid van ijzige objecten die voorbij Neptunus cirkelen. Het zal ook helpen bij het corrigeren van Webb's telescopische zicht als dat nodig is.
  • NIRCam is uitgerust met een coronagraaf, waardoor de camera de piekerige halo's rond heldere sterren kan observeren door hun verblindende licht te blokkeren - een essentieel hulpmiddel voor het spotten van exoplaneten.
  • De Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) werkt in hetzelfde golflengtebereik als NIRCam. Net als andere spectrografen, het analyseert de fysieke kenmerken van objecten zoals sterren door hun licht op te splitsen in een spectrum, waarvan het patroon varieert afhankelijk van de temperatuur van het doelwit, massa en chemische samenstelling.NIRSpec zal duizenden oude sterrenstelsels bestuderen met straling die zo zwak is dat Webb's gigantische spiegel honderden uren naar hen moet wijzen om genoeg licht te verzamelen om een ​​spectrum te vormen. Om bij deze taak te helpen, de spectrograaf heeft een raster van 62, 000 individuele luiken, elk kan openen en sluiten om het licht van helderdere sterren te blokkeren. Dankzij deze microshutter-array, NIRSpec wordt de eerste op de ruimte gebaseerde spectrograaf die is ontworpen om 100 verschillende objecten tegelijk te observeren.
  • De Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager en Slitless Spectrograph (FGS-NIRISS) zijn eigenlijk twee sensoren die samen zijn verpakt en die helpen bij het onderzoeken van detectie van het eerste licht, exoplaneet detectie en karakterisering, en exoplaneet transit spectroscopie. FGS helpt ook om de telescoop in verschillende richtingen te richten.
  • Het laatste Webb-instrument breidt zijn bereik uit voorbij nabij-infrarood en in het midden-infrarood, handig voor het plukken van planeten, kometen, asteroïden, door sterrenlicht verwarmd stof en protoplanetaire schijven. Zowel een camera als een spectrograaf, dit Mid-Infrared Instrument (MIRI) bestrijkt het breedste golflengtebereik, van 5-28 micron. De breedbandcamera met groot bereik maakt meer van het soort beelden dat Hubble beroemd heeft gemaakt.

Maar infraroodobservatie is essentieel om het universum te begrijpen. Stof en gas kunnen het zichtbare licht van sterren in sterrenkraamkamers blokkeren, maar infrarood gaat door. Bovendien, als het heelal uitdijt en sterrenstelsels uit elkaar bewegen, hun licht "strekt zich uit" en wordt roodverschoven, glijden naar langere elektromagnetische (EM) golflengten zoals infrarood. Hoe verder weg de melkweg, hoe sneller het zich terugtrekt en hoe meer het rood verschoven is, Vandaar, de waarde van een telescoop als Webb.

Infraroodspectra kunnen ook een schat aan informatie verschaffen over exoplaneetatmosferen - en of ze moleculaire ingrediënten bevatten die verband houden met het leven. Op aarde, we noemen waterdamp, methaan en koolstofdioxide "broeikasgassen" omdat ze thermisch infrarood (ook bekend als warmte) absorberen. Omdat deze tendens overal geldt, wetenschappers kunnen Webb gebruiken om dergelijke stoffen in de atmosferen van verre werelden te detecteren door te zoeken naar veelbetekenende absorptiepatronen in hun spectroscopische metingen.

Het verborgen universum

Astronomen noemen het infraroodbereik van het elektromagnetische (EM) spectrum het 'verborgen universum'. Hoewel elk object met warmte infrarood licht uitstraalt, De atmosfeer van de aarde blokkeert het meeste, waardoor het onzichtbaar is voor astronomie op de grond.

Vragen die Webb kon beantwoorden:

Webb is belast met het beantwoorden van veel van de grootste mysteries van het leven, zoals hoe het leven zich op aarde ontwikkelde; hoe doen sterrenstelsels, zoals deze die bekend staat als Messier 81, formulier; en was er ooit leven op Mars? NASA/JPL-Caltech/ESA/Harvard-Smithsonian CfA

De James Webb-ruimtetelescoop is de grootste, krachtigste ruimtetelescoop ooit gebouwd. Het wordt de meest complexe telescoop die in de ruimte wordt gelanceerd. De gegevens die het tijdens zijn missie verstrekt, die naar verwachting tussen de vijf en tien jaar zal duren, zou ons begrip van het universum kunnen veranderen.

Waarom? Omdat het doel is om alle fasen van onze kosmische geschiedenis te onderzoeken, inclusief de oerknal. Maar er zijn vier verschillende doelen voor de Webb-telescoop tijdens zijn missie, en ze zijn gegroepeerd in vier thema's:

  1. Het einde van de donkere middeleeuwen:eerste licht en re-ionisatie:Webb zal infraroodcapaciteiten gebruiken om terug te "kijken" tot ongeveer 100 miljoen tot 250 miljoen jaar na de oerknal, toen de eerste sterren en sterrenstelsels zich vormden. We hebben hittesignatuurbewijs van de oerknal van de microgolf-COBE- en WMAP-satellieten van ongeveer 380, 000 jaar nadat het gebeurde. Maar we weten nog steeds niet hoe het eerste licht van het universum eruit zag en wanneer deze eerste sterren werden gevormd. Enkele van de vragen die Webb zou kunnen beantwoorden, zijn onder meer wat zijn de eerste sterrenstelsels; wanneer en hoe vond reïonisatie plaats; en welke bronnen veroorzaakten reïonisatie?
  2. Assemblage van sterrenstelsels:Webb's buitengewone infraroodmogelijkheden stellen ons in staat om de zwakste, vroegste sterrenstelsels en massieve spiralen. Die vaardigheden zullen helpen bij het beantwoorden van vragen over sterrenstelsels, zoals hoe ze evolueren en zich gedurende miljarden jaren ontwikkelen; wat is de relatie tussen zwarte gaten en de sterrenstelsels die ze herbergen; en hoe worden chemische elementen door sterrenstelsels verdeeld?
  3. De geboorte van sterren en protoplanetaire systemen:in tegenstelling tot Hubble, Webb zal door enorme stofwolken heen kijken waar sterren en planetaire systemen worden geboren. Dat komt omdat Webb de warmte - of infraroodlicht - ziet die door de sterren in de stofwolken wordt uitgestraald. Dat kan Hubble niet. Hopelijk helpt het om vragen te beantwoorden zoals hoe wolken van gas en stof instorten om sterren te vormen; waarom vormen de meeste sterren in groepen; en hoe ontstaan ​​planetenstelsels?
  4. Planetaire systemen en de oorsprong van het leven:Naast het bestuderen van planeten buiten ons zonnestelsel, Webb zal wetenschappers in staat stellen meer te weten te komen over ons eigen huis, inclusief kleine lichamen in ons zonnestelsel:asteroïden, kometen en objecten in de Kuipergordel. Veel vragen konden worden beantwoord, inclusief hoe worden de bouwstenen van planeten in elkaar gezet; hoe bereiken planeten hun uiteindelijke banen; hoe is het leven op aarde ontstaan; en was er ooit leven op Mars?

Oorspronkelijk gepubliceerd:9 oktober 2014

Veel meer informatie

gerelateerde artikelen

  • Wie was James Webb?
  • Hoe de oerknaltheorie werkt
  • Kan Dark Matter 'Shadow Life' voortbrengen?
  • Hoe de Hubble-ruimtetelescoop werkt
  • NASA's 10 grootste prestaties

bronnen

  • facturering, Lee. "Ruimtewetenschap:de telescoop die astronomie at." Natuur. Vol. 467. Pagina 1028. 27 oktober, 2010. (11 september, 2014) http://www.nature.com/news/2010/101027/full/4671028a.html
  • Brom, Volker, et al. "De vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels." Natuur. Vol. 459. 7 mei 2009. (19 september, 2014) http://sdcc3.ucsd.edu/~ir118/SIO87W13/FirstStars.pdf
  • Nasa. "De James Webb-ruimtetelescoop." (23 sept. 2021) http://www.jwst.nasa.gov/
  • Nasa. "Een blik op de cijfers terwijl NASA's Hubble-ruimtetelescoop zijn 25e jaar ingaat." 12 mei 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
  • Tot ziens, Dennis. "Meer ogen op de lucht." De New York Times. 21 juli 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 Ruimtetelescoop FGS - Fijngeleidingssensor." (11 september, 2014) http://www.stsci.edu/jwst/instruments/fgs/
  • Space Telescope Science Institute (STSI). "James Webb Space Telescope Near-InfraRed Imager en Slitless Spectrograph." (11 september, 2014) http://www.stsci.edu/jwst/instruments/niriss
  • Stiavelli, M., et al. "Een strategie om First Light te bestuderen met JWST." Ruimtetelescoop Wetenschapsinstituut. (11 september, 2014) http://www.stsci.edu/jwst/science/strategy-to-study-First-Light.pdf

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Wat zijn de leefgebieden van de zes koninkrijken?
  2. Is het tijd dat ons begrip van evolutie evolueert?
  3. Enzymen: wat is het? & Hoe werkt het?
  4. Gletsjermuizen bewegen en dat heeft wetenschappers versteld doen staan
  5. Microevolution vs Macroevolution: Similiarities & Differences
  6. Hoe de percentages van adenine in een DNA-streng te berekenen
  7. Waar bevinden lipiden zich in het lichaam?
  8. Onderzoeksthema's in de biotechnologie
  9. Projectideeën voor biotechnologie

Wetenschap