Почему космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) рассматривает космос в инфракрасном свете?

Инфракрасная съемка позволяет JWST увидеть небесные объекты, которые ранее были скрыты плотными облаками, а также дает возможность учесть красное смещение света в космосе. Поэтому она позволяет нам взглянуть на старые и далекие звезды и галактики из ранней Вселенной.

JWST (также известный как «Уэбб»), предоставил нам свежий взгляд и новый метод наблюдения за событиями далекого прошлого (около 13,5 миллиарда лет назад).

Однако модифицированный глаз, который он предоставляет, не обладает той же механикой, что и человеческий глаз. Вместо того чтобы наблюдать видимый спектр света (который может видеть человек), JWST предпочитает наблюдать инфракрасный свет, а не другие спектры света. Поскольку глаз не может видеть большую часть света, испускаемого небесными объектами, то, учитывая его возможности и прорывные открытия, уместно говорить о нем как о «новом глазе».

Но в чем преимущества просмотра инфракрасного диапазона перед более длинными волнами, такими как микроволновый и радиоволновый спектры? Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо понять, что различные спектры света — это просто разные длины волн энергии, производимой одним и тем же источником света (см. изображение ниже). Когда длина волны короче, энергия, которую несет свет, больше. Вот почему мы должны избегать ультрафиолетового излучения, испускаемого Солнцем! Это мощные длины волн, которые могут вызвать повреждение ДНК.

Что такое спектры света? И что используют другие телескопы для формирования изображений?

Шесть из семи спектров света невидимы для нас. В результате наши глаза могут видеть только крошечный процент любого объекта, излучающего свет — длины волн «видимого света» — в диапазоне от 4྾10-7 до 7྾10-7. Как показано на графике выше, радиоволны имеют самую большую длину волны, гамма-лучи — самую короткую, а инфракрасное излучение имеет большую длину волны, чем видимый свет.

Название «инфракрасный» используется потому, что этот диапазон света находится немного ниже длин волн видимого красного света, в то время как длины волн выше видимого спектра кажутся более синими/фиолетовыми, отсюда и название «ультрафиолетовый». Так какое отношение имеют световые спектры к телескопическим изображениям?

Телескопы используют детекторы и камеры для фильтрации различных длин волн, гарантируя, что только нужные длины волн будут собраны и преобразованы в электронном виде для просмотра. По сравнению со своими предшественниками, JWST имеет множество чувствительных детекторов (включая камеру среднего инфракрасного диапазона и камеру ближнего инфракрасного диапазона), позволяющих увидеть весь спектр инфракрасного света и предложить нам более четкие и детальные фотографии света, исходящего с расстояния в миллиарды световых лет.

С другой стороны, космический телескоп Хаббл обнаруживает свет в видимом спектре, а космический телескоп Спитцер наблюдает свет в более коротком диапазоне инфракрасного спектра. Кроме того, рентгеновская обсерватория «Чандра» наблюдает свет в рентгеновском спектре. В результате можно сказать, что каждый телескоп дает нам различные перспективы для наблюдения за Вселенной.

Каковы преимущества использования инфракрасного излучения в телескопах?

Поскольку различные длины волн света показывают различные процессы и события в космосе, использование инфракрасного спектра дает нам другую перспективу и возможность взглянуть на нашу Вселенную. В результате существует несколько причин, по которым инфракрасное излучение предпочтительнее более длинных волн, таких как микроволны или радиоволны. Способность инфракрасного света проходить через плотные и холодные облака пыли и газа (по сравнению с другими длинами волн), явление, известное как «красное смещение», и связь между длиной волны и температурой — вот три основные причины, по которым JWST использует инфракрасные наблюдения.

Прозрачные облака?

Инфракрасное излучение обладает уникальной способностью проникать сквозь плотные облака пыли и газа, которые не могут пробить другие длины волн света. При наблюдении в видимом или ультрафиолетовом диапазоне эти холодные и плотные облака непрозрачны, так как мелкие частицы пыли внутри них могут поглощать более короткие длины волн света. Следовательно, когда эти короткие длины волн используются для визуализации, свет от объектов за или внутри облаков не обнаруживается, и заметно только свечение облака. Это неудобно, поскольку внутри этих облаков находятся области звездообразования!

После сканирования инфракрасным светом пыль начинает терять свою способность маскировать и скрывать все, что находится внутри и позади нее. Поэтому JWST способен видеть сквозь объекты, которые ранее казались непроницаемыми, и в конечном итоге он откроет самые ранние звезды и галактики в нашей Вселенной, которые ранее были скрыты.

Красное смещение может сбивать с толку

Начнем с того, что одной из основных целей JWST является изучение одних из первых звезд, галактик и планет, возникших после зарождения Вселенной. В результате «Уэбб» должен анализировать невообразимо далекие области космоса! Заглядывая все глубже в космос, мы можем заглянуть дальше в прошлое благодаря времени, которое требуется свету, чтобы добраться до нас. С космической точки зрения скорость света может показаться астрономам довольно медленной!

Здесь вводится принцип красного смещения, который иногда может озадачить, но давайте попробуем понять этот принцип сейчас, поскольку это важное физическое явление, происходящее в световых волнах. В 1920-х годах не кто иной, как Эдвин Хаббл, обнаружил, что Вселенная расширяется с ускорением! Он также заметил, что по мере того, как мы смотрим дальше в пространстве, объекты удаляются от нас быстрее из-за расширения Вселенной, что вызывает красное смещение.

По мере расширения Вселенной свет, излучаемый старыми и удаленными объектами, растягивается на более длинные волны. В результате свет от галактик и звезд в ранней Вселенной был настолько сильно растянут расширяющейся тканью пространства-времени, что сейчас он обнаруживается в основном в инфракрасном спектре.

Это явление увеличения/растяжения длин световых волн в сторону инфракрасного спектра называется «красным смещением». Поэтому для наблюдения за древней Вселенной Уэбб должен использовать инфракрасные детекторы, чтобы увидеть самый древний свет, который «сдвинулся» за 13,6-13,8 миллиардов лет!

Тепловые глаза в космосе

Давайте на минутку рассмотрим тепловые камеры. Все эти камеры, как и JWST, содержат инфракрасные датчики. От аэропортов до космоса инфракрасное излучение лучше всего обнаруживает даже самые слабые изменения температуры, что упрощает понимание таких связанных с температурой понятий, как светимость, яркость, молекулярный состав и так далее. Вопреки распространенному мнению, многие небесные объекты, такие как туманности, планеты и старые звезды, на самом деле довольно холодные (по сравнению с яркими звездами).

Мы можем обнаружить инфракрасный свет, чтобы сделать вывод о том, что скрывают массивные объекты, такие как облака пыли, которые иначе непрозрачны для видимого света. Это возможно, поскольку чем холоднее (менее энергично) что-то, тем больше длина волны. Свет, яркость и температура имеют прямую связь, которую можно лучше заметить и понять при использовании инфракрасного излучения, поскольку самые старые звезды и галактики холоднее и менее энергичны.

Более молодые и горячие звезды излучают больше видимого света!

Понимание того, как работает инфракрасное излучение, позволяет нам осознать, что оно имеет больше преимуществ по сравнению с другими длинами волн света в плане обнаружения самых ранних структур во Вселенной. Более того, ученые часто объединяют данные телескопов «видимого света» (Хаббл) и инфракрасных телескопов (таких как JWST) для создания составного изображения. Затем данные с каждого телескопа объединяются для получения еще более детальных изображений. Так что не волнуйтесь, никто никогда не забудет того, чего достиг для нас Хаббл — и будет продолжать достигать. К счастью, сейчас у нас больше космических глаз, чем когда-либо прежде!