Jak teleskopy kosmiczne widzą to, czego obserwatoria naziemne nie mogą zobaczyć

Światło ze gwiazd i galaktyk podróżuje przez wszechświat w wielu formach, nie tylko w widocznych kolorach, które widzi ludzkie oko. Światło ultrafioletowe, podczerwone, rentgenowskie i promieniowanie gamma noszą informacje o gorących młodych gwiazdach, zimnych chmurach pyłu, gwiazdach, które eksplodowały, i czarnych dziurach. Jednak atmosfera Ziemi absorbuje lub mieszą większość tego światła, zanim dotrze do powierzchni, zgodnie z NASA i Europejską Agencją Kosmiczną (ESA).

Dlaczego atmosfera Ziemi jest barierą

ESA wyjaśnia, że atmosfera stwarza dwa odrębne problemy dla astronomii podczerwonej. Po pierwsze, absorbuje większość długości fal podczerwonych całkowicie, pozwalając tylko kilku wąskim pasom dotrzeć do teleskopów naziemnych. Po drugie, sama atmosfera świeci się w podczerworni, często emitując więcej promieniowania niż słaby obiekt kosmiczny, który astronomowie starają się badać, co grzebie sygnał w szumie.

ESA zauważa również, że atmosfera blokuje większość promieniowania wysokoenergetycznego i ultrafioletowego, w tym promienie rentgenowskie, promienie gamma i większość promieni ultrafioletowych. NASA zauważa, że Chandra, jej obserwatorium rentgenowskie, krąży na wysokości około 139 000 kilometrów (86 500 mil) nad Ziemią — około 200 razy wyżej niż Hubble — specjalnie dlatego, że promienie rentgenowskie nigdy nie docierają do powierzchni.

Przeniesienie teleskopu powyżej atmosfery lub daleko od Ziemi w ogóle rozwiązuje oba problemy jednocześnie: nie ma powietrza, które mogłoby absorbować światło, i nie ma atmosferycznego blasku, aby go zagłuszyć.

Różne teleskopy, różne światło

Każde główne obserwatorium kosmiczne jest dostosowane do określonej części spektrum. Hubble, wystrzelony w 1990 roku, obserwuje głównie światło ultrafioletowe i widzialne (0,1–2,5 mikrony) i krąży około 300 mil (483 km) nad Ziemią, nadal w zasięgu okazjonalnych misji serwisowych, zgodnie z NASA. Teleskop Jamesa Webba, wystrzelony w grudniu 2021 roku, jest przeznaczony do światła podczerwonego i siedzi znacznie dalej, blisko drugiego punktu Lagrange'a (L2) około jeden milion mil od Ziemi, gdzie jego własne ciepło i ciepło Ziemi nie mogą zakłócać słabych sygnałów podczerwieni, które próbuje wykryć.

Lustro pierwotne Webba ma rozpiętość 6,5 metra (21,3 stopy), w porównaniu z 2,4 metrami (7,9 stóp) u Hubble'a, co daje mu ponad sześć razy większą powierzchnię zbierającą światło. NASA podaje, że Webb może wykrywać obiekty 100 razy słabsze niż może widzieć Hubble. Ponieważ rozszerzanie się wszechświata rozciąga światło z najdalszych, najwcześniejszych galaktyk na długości fal podczerwone — efekt przesunięcia ku czerwieni — czułość infraczerwona Webba pozwala mu patrzeć dalej wstecz w kosmiczny czas niż instrumenty ultrafioletowe i widzialne Hubble'a.

Webb nosi dedykowane instrumenty dla różnych zakresów podczerwieni. Jego kamera bliskiego podczerwienia (NIRCam) obejmuje 0,6–5 mikronów i służy jako główny imager bliskiego podczerwienia Webba, zgodnie ze stroną instrumentu NASA. Instrument średniego podczerwienia (MIRI) obejmuje 5–28 mikronów i łączy kamerę, spektrograf, który dzieli światło na spektrum w celu pomiaru jasności dla każdej długości fali, oraz koronagraf, który blokuje blask gwiazdy, aby słabsze pobliskie planety mogły być widoczne. MIRI wymaga dodatkowego chłodziaka kriogenicznego, aby pozostał zimniejszy niż reszta obserwatorium, aby jego detektory nie zostały oślepione resztkowym ciepłem samego Webba.

Nie każde obserwatorium kosmiczne produkuje obrazy. Statek kosmiczny ESA Gaia, wystrzelony 19 grudnia 2013 roku i stacjonujący w pobliżu L2, buduje niezwykle precyzyjną trzywymiarową mapę ponad dwóch miliardów gwiazd na całej Drodze Mlecznej, śledząc ich ruchy, jasność, temperaturę i skład, zgodnie ze stroną misji Gaia ESA. ESA mówi, że Gaia poprawiła dokładność pozycji o czynnik sto w porównaniu ze swoim poprzednikiem, satelitą Hipparcos; misja weszła w fazę postoperacyjną po zmierzeniu się z problemami czujników i mikrometeorytów w 2024 roku.

Na wysokoenergetycznym końcu spektrum obserwatorium rentgenowskie Chandry NASA, wystrzelone 23 lipca 1999 roku, wykrywa promienie rentgenowskie z niezwykle gorących zjawisk: gwiazd, które eksplodowały, skupisk galaktyk i materii wirującej wokół czarnych dziur, zgodnie ze stroną misji astrobiologicznej NASA.

Złożenie razem części

Naukowiec projektu Herschel ESA Göran Pilbratt opisał wartość obserwacji podczerwonych specjalnie dla badania, jak tworzą się gwiazdy i planety: «Obserwując w podczerworni możemy badać, jak rzeczy się tworzą, bardzo wczesne etapy, ponieważ procesy tworzenia bardzo często zachodzą w zimnych i pylistych miejscach», powiedział, zgodnie z ESA. Światło podczerwone przechodzi przez chmury pyłu, które blokują światło widzialne, pozwalając instrumentom takim jak NIRCam i MIRI Webba widzieć nowo narodzone gwiazdy i planety ukryte wewnątrz mgławic.

Ponieważ żaden pojedynczy teleskop nie obejmuje całego spektrum, astronomowie rutynowo łączą dane z kilku obserwatoriów. NASA opisuje Hubble'a i Webba jako komplementarne partnerów, a nie konkurentów: głębsza wizja podczerwona Webba przebija się przez kurz i gaz, podczas gdy widzialne i ultrafioletowe widzenie Hubble'a uzupełnia podczerwone widoki Webba, razem tworząc szersze widoki tych samych obiektów.