Telescopul James Webb, explicat de un astrofizician implicat în crearea lui24 min read
Cinci lucruri pe care le-am aflat de la Mark McCaughrean, un astrofizician care lucrează cu telescopul James Webb încă de când era doar o idee.
De departe cel mai scump telescop construit vreodată, telescopul James Webb deja își justifică prețul, chiar dacă nu au trecut nici trei ani de la lansare. //„The 10 greatest JWST discoveries, so far”, astronomy.com // cercetătorii l-au folosit pentru a găsi cele mai îndepărtate galaxii observate vreodată, a observa găurile negre supermasive din centrul unor galaxii formate la puțin timp după Big Bang și a face cele mai detaliate analize în infraroșu ale moleculelor din atmosfera unei exoplanete.
Pentru Mark McCaughrean, astrofizician britanic specializat pe observațiile în infraroșu și în cercetarea modului în care se formează stelele și planetele, telescopul James Webb este și un vis devenit realitate. Încă de pe vremea când lucra în echipa telescopului Hubble, unde // După lansarea lui Hubble, agențiile spațiale care coordonau misiunea au observat un defect optic la oglinda principală a telescopului, din cauza căruia acesta obținea imagini mult mai puțin detaliate decât ar fi trebuit. Defectul a fost rezolvat pe parcursul mai multor misiuni de mentenanță cu echipaj, cbsnews.com // se gândea la viitorul James Webb.
McCaughrean este implicat în proiectul telescopului încă din 1998, iar din 2002 este și membru al Grupului de Lucru Științific pentru telescopul James Webb. Timp de 15 ani, el a fost și consilier senior pe teme de știință și explorare la Agenția Spațială Europeană.
La sfârșitul lunii octombrie, astrofizicianul a venit în România pentru a vorbi publicului de toate vârstele despre telescopul James Webb, într-un eveniment organizat în cadrul // Detalii pe bucharestsciencefestival.ro // la Librăria Humanitas de la Cișmigiu. Cu această ocazie ne-a povestit și câte ceva despre munca pe care o efectuează el și mii de alți cercetători pe baza observațiilor telescopului James Webb.
Observațiile în infraroșu sunt cruciale pentru cercetarea spațială
„Ce face un fizician specializat pe infraroșu? O cam spune denumirea. Să începem cu infraroșul — acestea sunt lungimi de undă mai mari decât cele de aproximativ jumătate de micrometru pe care ochiul uman le poate vedea. Ele pot arăta lucruri foarte importante despre obiectele reci din Univers.
Un exemplu sunt stelele care nu s-au format, încă, complet. Acestea sunt mult mai reci decât stelele fierbinți, precum Soarele, și emit multă lumină în infraroșu. De fapt, atunci când se formează planete în jurul acestor stele tinere, pot fi detectate doar în infraroșu, deoarece ele nu emit lumină vizibilă.
Astfel de obiecte se formează chiar și în prezent. Soarele are 4,5 miliarde de ani, în timp ce stelele sau planetele tinere pot avea și doar un milion de ani, punct în care sunt departe de a fi dezvoltate pe deplin. Sigur, un milion de ani pare extraordinar de mult timp din perspectiva unui om. Dar, doar pentru a pune lucrurile în context, dacă compari o persoană de vârstă mijlocie, să zicem, de 45 de ani, cu un bebeluș de trei zile, este aceeași diferență ca între o stea de 4,5 miliarde de ani și o stea de un milion de ani.”
Telescopul James Webb trebuia să fie în spațiu pentru a putea cerceta universul timpuriu
„Pe lângă infraroșu, în munca mea, am nevoie să colectez lumină de la distanțe mari – poate de la o mie de ani-lumină distanță, unde se nasc aceste stele tinere. Nu ai avea cum să le vezi cu un telescop obișnuit, deoarece sunt atât de îndepărtate. Deci, am nevoie de un telescop mare. Cele mai mari telescoape de pe Pământ au, în prezent, aproximativ opt sau zece metri în diametru.
Telescopul Spațial James Webb este aproape la fel de mare ca acestea, cu un diametru de 6,5 metri, dar are un mare avantaj – se află în spațiu. Sunt multe probleme cu privitul în spațiu printr-o atmosferă, precum faptul că aceasta emite lumină sau că nu lasă toate lungimile de undă să treacă prin ea. Dacă construiești un telescop în spațiu, scapi de toate aceste probleme.
Bineînțeles, încă folosim telescoape terestre și le voi folosi acum și în viitor. Spațiul face unele lucruri foarte bine, iar solul face alte lucruri foarte bine. De exemplu, se construiește un telescop de 39 de metri în diametru în America de Sud, care va putea colecta mult mai multă lumină de la obiecte puțin luminoase. Deci, cu cât mai multe telescoape, cu atât mai bine. Și James Webb, în acest moment, este cel mai important telescop din viața mea.
Asta pentru că a fost construit pentru un scop care putea fi atins mai bine de un telescop spațial: să găsească primele stele și galaxii care s-au format în Univers, cu ajutorul unor instrumente extrem de precise care pot detecta lumină în infraroșu emisă și de la miliarde de ani-lumină distanță. Acolo, poți vedea doar galaxiile, și poate ai putea să detectezi dacă într-o galaxie apar sute de stele precum Soarele în fiecare an, dar nu poți afla detalii despre ele individual.
În acest domeniu cred că vom avea niște răspunsuri mari în următorii cinci sau zece ani. E distractiv să vezi asta în timp ce se întâmplă, chiar dacă eu nu lucrez în domeniul respectiv. Eu mă uit ceva mai aproape de casă, la modul în care se formează stelele și planetele – însă și aici James Webb poate ajuta.”
Sistemele îndepărtate pot spune multe și despre Sistemul Solar
„Dacă privești mai aproape, la câteva sute de ani-lumină distanță, poți vedea cum trec exoplanetele trec prin fața stelelor lor. Și, atunci, le poți măsura spectrul. Împarți lumina care trece prin atmosfera lor într-un soi de curcubeu și poți folosi asta pentru a măsura compoziția chimică a acesteia, pentru că lumina interacționează diferit cu diverse tipuri de molecule.
Și așa, de când am început să găsim și să studiem exoplanete noi, am observat că Sistemul Solar nu este unul chiar tipic.
La început, singurul model pe care îl aveam despre cum se formează planetele era cel al Sistemului Solar, unde ai giganți gazoși precum Jupiter și planete solide precum Pământul sau Marte. Dar acum avem 5.000 de alte sisteme din care putem extrage modele. Și vedem, de exemplu, situații în care planete de tipul lui Jupiter au o orbită foarte apropiată de steaua lor.
Cum ajung ele acolo? Se pot forma atât de aproape de o stea? Probabil că nu. Ajung ele prin competiția cu alte planete mai mari din sistemul lor? Poate. Asta ne face să ne gândim că Sistemul Solar ar fi putut avea și el mai multe planete mari când era tânăr, care au fost ulterior fost înghițite de Soare.
Se pot afla destule și despre stabilitatea Sistemului Solar. Jupiter, de exemplu, are o atracție gravitațională atât de puternică încât atrage majoritatea cometelor care ajung în sistemul nostru. Ceea ce protejează Pământul de multe posibile impacturi. De aici apare întrebarea: dacă nu ai avea un Jupiter într-un sistem planetar, ai putea avea o planetă care să susțină viața, în condițiile unor impacturi mult mai dese?
Acestea nu sunt lucruri care explică direct Sistemul Solar, ci mai degrabă cât de comun este un sistem precum cel în care ne aflăm la o scară galactică. Următorul pas, logic, este să te întrebi cât de comună ar putea fi viața în Univers. Și mai avem mult până acolo: până acum 30 de ani, știam despre un singur sistem solar cu un singur set de planete, iar de atunci am confirmat existența a peste 5.000, ceea ce schimbă complet datele problemei.”
Telescopul deja a dat peste cap teorii despre formarea exoplanetelor
„Este cam devreme să vorbim despre reușitele telescopului, pentru că l-am lansat de Crăciun, în 2021. Nu au trecut nici trei ani, ceea ce este foarte puțin când vine vorba de observații cu telescoape puternice. Cercetătorii primesc datele brute din spațiu, dar trebuie să lucreze foarte mult pe ele ca să fie siguri că le procesează corect. De exemplu, când măsori cât de strălucitor este un obiect, nu te poți baza doar pe imaginea brută captată de telescop – trebuie să corectezi pentru diverse probleme de imagine sau anomalii, așa că trebuie să le compari cu modelele cunoscute.
Sunt multe proiecte la care se lucrează în acest moment. De exemplu, împreună cu echipa mea, am folosit telescopul pentru a observa nebuloasa Orion. Acolo, am putut vedea obiecte care aveau masă similară cu cea a lui Jupiter, dar care nu erau într-un sistem anume, //„James Webb telescope makes ‘JuMBO’ discovery of planet-like objects in Orion”, bbc.com //
Cum s-au format ele? Modelele predictive de până acum arătau că cele mai mici obiecte pe care le-ai putea găsi în spațiile interstelare ar trebui să fie de cel puțin trei ori mai mari decât Jupiter. Dar unele din cele pe care le-am găsit unele care erau chiar mai mici. Asta nu pică bine unora dintre teoreticieni, cei care se ocupă cu interpretarea datelor, pentru că ei nu pot înțelege cum s-au putut forma astfel de obiecte.
Eu, personal, sunt un observator. Îmi place să caut și să găsesc lucruri noi, și rămâne treaba altor cercetători să le explice. Ne uităm acum și la analizele spectrale ale acestor obiecte. Poate că ele ne vor arăta ceva complet ciudat și neobișnuit, care schimbă multe despre cum înțelegem formarea stelelor și a planetelor. Sau, dimpotrivă, ne-ar putea arăta că am greșit, și că de fapt am observat doar stele obișnuite. Asta ar fi plictisitor, dar așa funcționează știința.”
Energia și materia întunecată nu vor fi descifrate de James Webb, dar există alte soluții
„Telescopul James Webb nu a fost proiectat, în sine, să găsească lucruri noi despre energia și materia întunecată. Ambele sunt lucruri care se petrec la scară largă, pe distanțe și perioade extraordinar de mari.”
CITEȘTE ȘI: Energia întunecată rămâne o necunoscută
„Dacă vrei să le măsori, trebuie să faci observații pe bucăți extrem de largi ale spațiului cosmic, să studiezi foarte multe galaxii – vorbim de milioane, pentru că dacă ai avea una singură, tot ce găsești ar putea fi doar o particularitate a acesteia.
Și e un fel de regulă conform căreia, cu cât mai mare este un telescop, cu atât mai mici vor fi porțiunile de pe cer pe care le poate acoperi. De obicei, un telescop mare, precum James Webb, îți va da mult mai multe detalii despre porțiunile pe care le vede, dar se va concentra pe o bucată specifică de spațiu.
Pentru materia și energia întunecată avem, în schimb, o nouă misiune lansată anul trecut, numită Euclid. Este un telescop care acoperă atât spectrul vizibil, cât și cel infraroșu, și este mult mai mic decât James Webb, chiar mai mic decât Hubble. În schimb, este construit pentru a scana porțiuni extrem de vaste ale cerului, să se uite mai specific la galaxii și la modul în care forma lor se schimbă.”
„Atunci când ai clustere de galaxii, acolo poți căuta semne ale materiei și energiei întunecate. Desigur, sunt lucruri extrem de distincte, chit că sunt puse mereu împreună, pentru că ambele sunt «întunecate».
Materia întunecată e un fel de substanță care provoacă de zece ori mai multă gravitație decât ar trebui să existe în mod normal și care nu reflectă nicio lumină. Energia întunecată ar putea fi mai degrabă un fluid, care ar putea fi cauza expansiunii Universului, însă totul este foarte ipotetic. Ea decurge din ecuațiile lui Einstein privind relativitatea generală. Deocamdată, nu știm nimic, trebuie să avem mult mai multe date ca să putem exclude sau prioritiza ipoteze.
Euclid nu ne va spune din ce e făcută materia întunecată, dar poate fi folosit pentru a înțelege mult mai bine ce face aceasta. Dacă vrei, spre exemplu, să cauți particule de materie întunecată, asta va fi treaba altora, a unor acceleratoare mari de particule sau alte experimente de amploare desfășurate la sol.
Dar chiar și fără să acces direct la el, începem să înțelegem mult mai bine fenomenul. La un moment dat, se credea că materia întunecată acționează sub forma unor obiecte mari, un fel de planete întunecate care plutesc în interiorul galaxiilor. Acum știm că nu este cazul și că materia întunecată ar trebui să fie alcătuită din foarte particule mici. Pentru că, dacă ar fi vorba de obiecte mari, le-am putea vedea impactul pe care îl au asupra altor măsurători.
E foarte mult de lucru, nu doar pentru observatori, ca mine, sau pentru teoreticieni, dar și pentru cercetători care fac experimente în alte domenii. Materia și energia întunecată sunt similare, într-un fel, unei ecuații, care ne poate spune multe despre modul în care Universul s-a schimbat, în timp.“
Urmărește și un scurt interviu video cu Mark McCaughrean pe pagina oficială de Instagram Mindcraft Stories.