_ Cum instrumentul NIRSpec al lui Webb a deschis 200 de ferestre către originile noastre

Astronomia este condusă de întrebări mari și ele nu vin cu mult mai mari decât să ne întrebăm cum au început să se formeze primele stele și galaxii, dând în cele din urmă naștere propriei noastre existențe.< /p>

Răspunsurile se află îngropate în universul îndepărtat, atât de îndepărtat încât lumina a călătorit miliarde de ani pentru a ajunge la noi, purtând imaginile primelor galaxii care se formează. Această perioadă timpurie, la doar 200 de milioane de ani după Big Bang, se află dincolo de raza deja impresionantă a telescoapelor anterioare. Datorită telescopului spațial James Webb NASA/ESA/CSA, acesta iese acum la vedere.

Dar chiar și cel mai mare telescop spațial este la fel de bun ca instrumentele atașate la el și aici este instrumentul NIRSpec. vine, una dintre contribuțiile europene la misiunea Webb.

„La începutul oricărui proiect de instrument este ambiția oamenilor de știință. Explorarea formării primelor stele și galaxii a modelat cu adevărat NIRSpec”, spune Pierre Ferruit, fost om de știință al proiectului Webb pentru ESA.

NIRSpec este spectrograful Webb în infraroșu apropiat. Sarcina sa este de a împărți lumina infraroșie colectată de Webb în lungimile de undă constitutive pentru a forma un spectru. Măsurând modul în care luminozitatea variază la diferite lungimi de undă pentru un obiect din spațiu, astronomii pot extrage o mulțime de informații despre caracteristicile sale fizice și compoziția chimică. Înainte de Webb și NIRSpec, era imposibil să facem acest lucru pentru cele mai îndepărtate galaxii.

„Acum, că putem face asta, ni se deschide o cale uriașă. Acum putem studia galaxiile îndepărtate din în același mod în care studiem obiectele mai apropiate”, spune astronomul ESA Giovanna Giardino.

Datele le vor permite astronomilor să grafice modul în care galaxiile au evoluat din primele etape ale cosmosului în obiectele pe care le vedem astăzi în jurul nostru.< /p>

NIRSpec a fost dezvoltat sub conducerea ESA, cu Airbus Defence and Space Germany în calitate de contractor principal. Airbus a adunat o echipă de șaptezeci de oameni pe site-urile sale din Ottobrunn și Friedrichshafen, Germania, și Toulouse, Franța. În plus, au fost sprijiniți de NASA și de 17 subcontractanți europeni.

De la început, echipa a decis că cel mai bun mod de a obține succesul este să nu complice nimic. „Când te uiți la designul NIRSpec, este destul de simplu”, spune Ralf Ehrenwinkler, șeful programului NIRSpec la Airbus.

Păstrarea lucrurilor simple în modul în care lumina este direcționată prin instrument a permis echipei. să se concentreze asupra aspectelor revoluţionare ale instrumentului. Principalul dintre acestea a fost nevoia de a înregistra eficient spectrele de la mai multe obiecte în același timp - ceva ce nu a mai fost niciodată făcut în spațiu.

Această capacitate unică a fost direct necesară de dorința de a studia universul îndepărtat, unde galaxiile sunt atât de slabe. Ar trebui să observăm mii dintre ele pentru a aduna o imagine cuprinzătoare a originilor noastre timpurii.

Primele noastre străluciri asupra acestui tărâm au venit în 1995, cu istoricul Câmp Adanc Hubble. Profitând de vederea netulburată asupra cosmosului, Hubble a privit un singur petic de cer timp de zece zile consecutive, începând cu 18 decembrie. Peticcul selectat a fost puțin mai mult decât o mică pată, aproximativ o 24 de milioane din întregul cer. Cu toate acestea, Hubble a dezvăluit aproximativ 3000 de obiecte necunoscute anterior, cele mai multe dintre ele galaxii tinere la miliarde de ani-lumină distanță.

Datorită oglinzii mari de 6,5 metri a lui Webb, imagini similare de câmp adânc pot fi realizate acum în câteva ore și nu în zile. , iar NIRSpec își poate înregistra spectrele. Dar sunt atât de multe galaxii care trebuie înregistrate încât ar fi complet nepractic dacă NIRSpec ar putea lua doar un spectru la un moment dat. Așa că echipa a trebuit să găsească o modalitate de a face acest lucru pentru multe obiecte simultan.

Au reușit spectaculos.

„Suntem capabili să colectăm spectre pentru până la 200 de obiecte simultan, este o schimbare de joc”, spune Maurice Te Plate, inginer de sisteme NIRSpec pentru ESA.

Pentru a realiza acest lucru remarcabil de multi-tasking, NIRSpec folosește un dispozitiv inovator numit o matrice micro-obturatoare. Fabricat și furnizat de Centrul de Zbor Spațial Goddard al NASA din Greenbelt, Maryland, SUA, este format din aproximativ un sfert de milion de obloane autonome minuscule. Fiecare are o dimensiune de doar 80 pe 180 de micrometri. Ele pot fi controlate individual pentru a se deschide sau închide după cum este necesar.

Acest lucru rezolvă una dintre cele mai mari probleme de obținere a spectrelor din universul îndepărtat: spectrele obiectelor mai apropiate, stelelor și galaxiilor mai puțin îndepărtate, de exemplu, intră în interior. calea celor mai slabe dacă nu sunt mascate.

„Le lăsăm deschise doar pe cele care sunt peste obiecte interesante, iar celelalte sunt toate închise. Ca atare, doar lumina care vine de la țintele selectate. intră în optica spectrografului pentru a fi analizat”, spune Maurice.

Pe lângă universul îndepărtat, NIRSpec este proiectat să privească obiectele cerești mult mai aproape de casă: exoplanetele. Atmosfera acestor lumi absorb o parte din lumina infraroșie a stelei părinte care trece prin ele. Colectând lumina stelei și împărțind-o într-un spectru, NIRSpec le permite astronomilor să caute cantitățile mici de lumină care lipsesc la anumite lungimi de undă. Ei pot identifica apoi ce substanțe chimice sunt prezente în atmosfera planetei și pot extrage alte informații despre condițiile fizice.

„Putem vedea acum semnăturile multor molecule cruciale din atmosfera exoplanetelor, care nu sunt posibile. vezi de la sol sau cu instrumente spațiale care existau înainte de NIRSpec”, spune Giovanna.

NIRSpec oferă astronomilor mai multe capacități. Cel mai important, poate împărți obiecte mai mari, cum ar fi galaxiile și nebuloasele, în 30 de felii și poate observa un spectru pentru fiecare felie, totul într-o singură lovitură. Hărțile rezultate ale condițiilor fizice și chimiei sunt cheia pentru înțelegerea nașterii și morții stelelor și a funcționării galaxiilor.

Pentru a lucra în infraroșu apropiat, NIRSpec și cea mai mare parte a restului Webb trebuie să funcționeze la doar 40 Kelvin (–233°C), ținut la rece de emblematicul scut solar al lui Webb. Acest lucru prezintă o mare provocare atunci când se realizează instrumente științifice precise. Diferitele materiale se micșorează la viteze diferite atunci când sunt răcite, iar acest lucru produce ușoare distorsiuni în instrument care îi afectează precizia.

„Acesta a fost cel mai dificil lucru și de aceea Airbus a decis să facă acest instrument în principal din siliciu. carbură. Placa de bază, majoritatea structurilor și oglinzile sunt toate realizate din carbură de siliciu", spune Ralf.

Carbura de siliciu este un material ceramic cu care, deși greu de lucrat, este extrem de stabil la temperaturi scăzute. Făcând majoritatea instrumentului din acesta, distorsiunile termice ar putea fi aproape eliminate. Dar a însemnat să fii complet sigur de design înainte de începerea producției.

NIRSpec a început ca un bloc de carbură de siliciu în așa-numita stare verde, în care materialul este moale și poate fi prelucrat. NIRSpec a fost apoi prelucrat în formă în același mod în care un artist lucrează piatra într-o sculptură. Toate găurile și canalele au fost forate și, odată ce totul a fost gata, a fost plasat într-un cuptor pentru a fi „sinterizat.” Acest lucru întărește materialul, făcându-l extrem de greu de prelucrat. Așa că echipa a trebuit să fie complet sigură de proiectare înainte de a fi a început fabricarea.

"Lucrarea cu carbură de siliciu a fost cu siguranță o provocare și sunt foarte mândru că am reușit să o construim", spune Maurice. Parțial ca urmare a succesului lor, lucrul cu materialul a avut devenit acum ceva de specialitate europeană.

Succesul NIRSpec a fost adus în atenție pentru echipă când primele imagini și date au început să curgă înapoi pe Pământ. „Nu sunt om de știință, sunt inginer. Deci, sunt foarte fericit să văd că toată telemetria este verde și că NIRSpec funcționează. Dar voi împărtăși că am fost în Baltimore cu alte aproximativ 200 de oameni când primele imagini au fost lansate. Cu toții aveam lacrimi în ochi", spune Ralf.

Și acum că datele sunt în plin continuu, sunt mulți alții care simt la fel.

"Sunt destul de uimit de calitatea spectrelor pe care le obținem. Văd că observatorii sunt foarte mulțumiți și de date. Și pentru mine, pentru asta am construit NIRSpec. Cred că toată echipa simte asta. Acum că NIRSpec oferă, se simte grozav”, spune Pierre.

Odată ce analizele minuțioase ale datelor sunt finalizate, vom avea noi răspunsuri la acele întrebări extraordinare atât de importante pentru înțelegerea propriei noastre existențe: cum au apărut primele galaxii și stelele s-au format în universul nostru și cât de des planetele care orbitează alte stele oferă condiții care ar permite existența vieții așa cum o știm noi.

Este ceea ce NIRSp ec a fost creat pentru a face: deschide multe ferestre pentru a privi întrebările mari.

(Fluierul)