Jak działają teleskopy kosmiczne: lustra, długości fal i obserwowanie historii kosmicznej

Każdy teleskop kosmiczny wykonuje tę samą podstawową pracę: zebrać jak najwięcej światła ze słabego, odległego źródła i skupić je na detektor. Sposób zbierania światła i które długości fal można przechwycić, zależy od projektowania luster i tego, gdzie teleskop znajduje się w kosmosie, zgodnie z przeglądem nauki o teleskopach NASA.

Dlaczego w ogóle umieszczać teleskop w kosmosie

Teleskopy naziemne patrzą przez ziemską atmosferę, gdzie poruszające się masy powietrza zniekształcają światło przychodzące — ten sam efekt, który sprawia, że gwiazdy wydają się migotać. Strona programu Hubble NASA wyjaśnia, że ten ruch rozmywa obrazy zrobione z ziemi i że atmosfera również pochłania większość promieniowania ultrafioletowego i podczerwieni przed osiągnięciem powierzchni.

Orbitując około 300 mil ponad Ziemią, Hubble unika tego atmosferycznego rozmycia i może wykrywać obiekty około dziesięć razy słabsze niż równoważne teleskopy naziemne, stwierdza NASA. Teleskopy kosmiczne mogą również obserwować nieprzerwanie, bez przeszkód ze strony pogody, światła dziennego lub zanieczyszczenia światłem miasta.

Lustra, nie tylko soczewki

Wczesne teleskopy używały szklanych soczewek do załamania światła, projekt zwany refrakcyjnym. Strona Telescopes 101 NASA zauważa, że duże soczewki stają się ciężkie i trudne do wyniesienia, więc większość nowoczesnych teleskopów to teleskopy refleksyjne, które używają zakrzywionych luster, ponieważ lustra mogą być cieńsze i lżejsze dla tego samego rozmiaru.

W typowym projekcie refleksyjnym światło pada na duże lustro pierwotne w kształcie paraboloidy i odbija się do mniejszego lustra wtórnego. W teleskopie James Webb Space Telescope w szczególności, opis luster Webb od NASA dodaje dwa kolejne kroki: światło z lustra wtórnego odbija się do wklęsłego lustra trzeciorzędowego, a następnie do płaskiego lustra precyzyjnego kierowania przed dotarciem do instrumentów naukowych.

Różne teleskopy, różne światło

Światło widzialne, ultrafioletowe i podczerwone mogą być skupione przy użyciu podobnych kształtów luster, ale różnych powłok. 18 heksagonalnych segmentów lustra pierwotnego Webb, wykonane z metalu berylu i pokryte 100-nanometrową warstwą złota, są dostrojone specjalnie do efektywnego odbijania światła podczerwienego, zgodnie z opisem luster Webb od NASA. Hubble, z drugiej strony, jest zbudowany do zbierania światła ultrafioletowego, widzialnego i bliskiego podczerwieni, mówi NASA.

Promienie rentgenowskie zachowują się inaczej: po prostu przejdą przez lub będą pochłonięte przez zwykłe lustro, tak jak pociski uderzające w ścianę, wyjaśnia Chandra X-ray Center w Harvardzie. Lustra Chandy są zamiast tego kształtowane jak zagnieżdżone cylindryczne beczki pokryte irdem, odbijające promienie rentgenowskie tylko pod niskim kątem 'ślizgającego się padania' zamiast czołowo, mówi centrum. Chandra używa czterech zagnieżdżonych par luster, osiem luster w sumie, wypolerowanych i wyrównanych do 1,3 mikrometrów.

Promienie gamma są jeszcze bardziej energiczne i przechodzą prosto przez konwencjonalną optykę. NASA zauważa, że teleskopy promieni gamma, takie jak Fermi, zamiast tego używają detektorów, które śledzą cząsteczki powstające, gdy promienie gamma uderzają w gęsty materiał, taki jak wolfram, rekonstruując źródło wiązki z tych śladów cząsteczek zamiast skupiania wiązek za pomocą lustra.

Dlaczego lokalizacja ma znaczenie: odległa orbita Webb

Webb nie orbita blisko Ziemi w taki sposób, jak robi to Hubble. Strona misji NASA mówi, że Webb krąży wokół drugiego punktu Lagrange'a Sun-Earth, L2, około 1,5 miliona kilometrów od Ziemi, wykonując jeden obieg w ciągu około sześciu miesięcy. W tej lokalizacji Słońce, Ziemia i Księżyc znajdują się po jednej stronie statku kosmicznego, pozwalając osłonie słonecznej Webb wielkości kortu tenisowego blokować ich ciepło i światło w sposób ciągły.

Ta osłona jest niezbędna, ponieważ Webb obserwuje światło podczerwone, które jest zasadniczo ciepłem. NASA stwierdza, że teleskop działa w ekstremalnie niskich temperaturach — około minus 370 stopni Fahrenheita, zgodnie ze stroną orbity Webb — tak że każde błędne ciepło ze Słońca lub Ziemi nie zalewają detektory szumem podczerwonym i nie przytłaczają słabych sygnałów z odległych galaktyk.

Obserwacja przeszłości, nie tylko oddalenia

Ponieważ światło rozprzestrzenia się ze stałą, skończoną prędkością, patrzenie dalej w kosmos oznacza patrzenie dalej wstecz w czasie. Strona przeglądu naukowego Webb NASA zauważa, że teleskop może wykrywać światło podczerwone z galaktyk na odległości ponad 13,5 miliardów lat świetlnych — co oznacza, że światło przechwytywane dzisiaj opuściło te galaktyki ponad 13,5 miliardów lat temu, gdy wszechświat był młody. Obserwowanie światła w efekcie pokazuje obiekt takim, jaki istniał w momencie opuszczenia światła, a nie takim, jak wygląda teraz.

Webb nosi cztery instrumenty naukowe do analizy tego starożytnego światła: NIRCam i NIRSpec do obrazowania bliskiego podczerwienia i spektroskopii, MIRI do obserwacji średniego podczerwienia oraz Sensor Precyzyjnego Kierowania połączony z instrumentem NIRISS, zgodnie z przeglądem teleskopu NASA.

Od lustra do obrazu na Ziemi

Nowoczesne teleskopy kosmiczne nie używają filmu fotograficznego. Strona NASA o tym, jak działają teleskopy, stwierdza, że światło skupione przez lustra pada na elektroniczne detektory, które konwertują je na sygnały cyfrowe. Sygnały te są przechowywane przez komputery pokładowe i transmitowane do stacji naziemnych na Ziemi, gdzie naukowcy rekonstruują dane w obrazy udostępniane publicznie.