Sekret, który pomaga teleskopowi Jamesa Webba badać wczesny wszechświat

(Dan Tri) – Maszyna zdolna do obserwacji światła z galaktyk powstałych 13 miliardów lat temu. Teleskop Jamesa Webba został zbudowany, aby umożliwić realizację tej misji.

„Maszyna czasu” bada wczesny wszechświat

Zdjęcie mgławicy NGC 604, oddalonej od Ziemi o około 2,7 miliona lat świetlnych, wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (zdjęcie: NASA/ESA/CSSA/STScl).

Od momentu wystrzelenia w grudniu 2021 r. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba okrążył Ziemię na odległość ponad miliona mil, przesyłając zapierające dech w piersiach obrazy głębokiego kosmosu.

Co zatem pozwoliło Webbowi „widzieć” tak daleko, nawet w przeszłość, i badać wczesny wszechświat?

Sekret tkwi w wydajnym systemie kamer Webba, a w szczególności w jego zdolności rejestrowania światła podczerwonego – rodzaju światła, którego ludzkie oko nie widzi.

Kiedy Webb zrobił zdjęcie odległej galaktyki, astronomowie w rzeczywistości widzieli tę galaktykę sprzed miliardów lat.

Światło z galaktyki przemierzało kosmos przez miliardy lat, zanim dotarło do zwierciadła teleskopu. To tak, jakby Webb był „wehikułem czasu” rejestrującym obrazy wszechświata w jego najwcześniejszych stadiach.

Zbierając starożytne światło za pomocą gigantycznego lustra, Webb odkrywa nowe tajemnice wszechświata.

Webb: Teleskop, który „widzi” ciepło

W przeciwieństwie do teleskopu Hubble'a i konwencjonalnych kamer, które rejestrują tylko zdjęcia w świetle widzialnym, teleskop Webba został zaprojektowany do rejestrowania światła podczerwonego.

Światło podczerwone ma dłuższe fale niż światło widzialne, więc jest niewidoczne dla ludzkiego oka. Jednak Webb może uchwycić ten rodzaj światła, aby badać najwcześniejsze i najodleglejsze obiekty we wszechświecie.

Kamery na podczerwień, podobnie jak gogle noktowizyjne, pozwalają „zobaczyć” fale podczerwone emitowane przez ciepłe obiekty, takie jak ludzie i zwierzęta. Temperatura obrazu jest mierzona w stopniach Fahrenheita (zdjęcie: NASA/JPL-Caltech).

Mimo że światło podczerwone jest niewidoczne dla ludzkiego oka, specjalistyczne urządzenia, takie jak kamery na podczerwień lub czujniki termiczne, potrafią je wykrywać jako ciepło.

Doskonałym przykładem są gogle noktowizyjne, które wykorzystują światło podczerwone do wykrywania ciepłych obiektów w ciemności. Webb stosuje podobną technologię również do badania gwiazd, galaktyk i planet.

Webb wykorzystuje światło podczerwone, ponieważ światło widzialne pochodzące z odległych galaktyk przemieszcza się przez przestrzeń i ulega rozciągnięciu na skutek rozszerzania się wszechświata.

To rozszerzenie przekształca światło widzialne w podczerwień. W rezultacie najodleglejsze galaktyki w kosmosie nie świecą już w świetle widzialnym, lecz w słabym świetle podczerwonym. Teleskop Webba został specjalnie zaprojektowany do wykrywania tego rodzaju światła.

Olbrzymie złote lustro: zbieranie najsłabszego światła

Zanim światło dotrze do kamery, musi zostać uchwycone przez gigantyczne złote lustro Webba, które ma ponad 6,5 metra szerokości i składa się z 18 mniejszych luster ułożonych na kształt plastra miodu.

Powierzchnia lustra pokryta jest cienką warstwą złota, nie tylko ze względu na poprawę estetyki, ale również dlatego, że złoto doskonale odbija światło podczerwone.

To lustro zbiera światło z głębokiego kosmosu i odbija je w kierunku instrumentów teleskopu. Im większe lustro, tym więcej światła zbiera i tym dalej może obserwować. Lustro Webba jest największym lustrem kiedykolwiek wysłanym w kosmos przez człowieka.

Duże lustro Webba, składające się z 18 małych sześciokątnych luster pokrytych złotem (zdjęcie: NASA).

NIRCam i MIRI: superczułe „oczy” Webba

Dwoma najważniejszymi instrumentami naukowymi Webba, działającymi jako kamery, są NIRCam i MIRI.

NIRCam (kamera bliskiej podczerwieni) to główna kamera Webba, która wykonuje zachwycające zdjęcia galaktyk i gwiazd. Posiada również koronograf – urządzenie blokujące światło gwiazd, dzięki czemu może wykonywać zdjęcia bardzo słabych obiektów w pobliżu jasnych źródeł światła, takich jak planety krążące wokół jasnych gwiazd.

NIRCam działa poprzez rejestrowanie światła bliskiej podczerwieni (najbliższego ludzkiemu oku rodzaju światła) i rozbijanie go na różne długości fal. Pozwala to naukowcom nie tylko określić kształt obiektu, ale także jego skład.

Różne materiały w kosmosie pochłaniają i emitują światło podczerwone o określonych długościach fal, tworząc unikalny „odcisk chemiczny”. Badając te odciski, naukowcy mogą dowiedzieć się więcej o właściwościach odległych gwiazd i galaktyk.

MIRI (instrument średniej podczerwieni) wykrywa dłuższe fale podczerwone, które są szczególnie przydatne do wykrywania chłodniejszych i bardziej zapylonych obiektów, takich jak gwiazdy wciąż formujące się w obłokach gazowych. MIRI może nawet pomóc w znalezieniu wskazówek dotyczących rodzajów cząsteczek w atmosferach planet, które mogłyby podtrzymywać życie.

Obie kamery są znacznie bardziej czułe niż standardowe kamery używane na Ziemi. NIRCam i MIRI potrafią wykryć najmniejsze ilości ciepła z odległości miliardów lat świetlnych. Gdybyś miał kamerę Webba za oczy, mógłbyś zobaczyć ciepło emitowane przez pszczołę na Księżycu.

Pierwsze zdjęcia głębokiego pola wykonane przez Webba: obraz MIRI po lewej i obraz NIRCam po prawej (zdjęcie: NASA).

Aby wykryć słabe ciepło pochodzące z odległych obiektów, Webb musi być ekstremalnie zimny. Dlatego nosi gigantyczną osłonę przeciwsłoneczną wielkości kortu tenisowego. Ta pięciowarstwowa osłona przeciwsłoneczna blokuje ciepło słoneczne, ziemskie, a nawet księżycowe, utrzymując Webba w temperaturze około minus 223 stopni Celsjusza.

MIRI musi być jeszcze zimniejszy, dlatego ma własną specjalną lodówkę, zwaną kriochłodziarką, która utrzymuje temperaturę zbliżoną do minus 266 stopni Celsjusza. Gdyby Webb był choć trochę cieplejszy, jego własne ciepło przytłumiłoby słabe sygnały, które próbował wykryć.

Zmień światło otoczenia w żywe obrazy

Kiedy światło dociera do kamery Webba, trafia na czujniki zwane detektorami. Detektory te nie robią zwykłych zdjęć, jak aparaty w telefonach.

Zamiast tego zamieniają światło podczerwone na dane cyfrowe, które są następnie przesyłane na Ziemię, gdzie naukowcy przetwarzają je i zamieniają w pełnokolorowe obrazy.

Kolory, które widzimy na zdjęciach Webba, nie są tym, co kamera „widzi” bezpośrednio. Ponieważ światło podczerwone jest niewidzialne, naukowcy przypisują kolory różnym długościom fal, aby pomóc nam zrozumieć, co znajduje się na obrazie.

Przetworzone obrazy pomagają poznać strukturę, wiek i skład galaktyk, gwiazd i innych obiektów.

Dzięki wykorzystaniu gigantycznego lustra do zbierania niewidzialnego światła podczerwonego i przesyłania go do kamer ultrazimnych, teleskop Jamesa Webba pozwolił nam zobaczyć, jak formowały się galaktyki od samego początku istnienia wszechświata, a zatem widzimy to, co wydarzyło się około 14 miliardów lat temu.

Source: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/bi-mat-giup-kinh-vien-vong-james-webb-co-the-kham-pha-vu-tru-so-khai-20250710034510062.htm