Waarom bekijkt de James Webb Space Telescope (JWST) de ruimte in infrarood licht? » Wetenschap ABC

JWST’s infraroodbeeldvorming maakt het mogelijk om hemellichamen te bekijken die voorheen verborgen waren door dichte wolken, en biedt ook het voordeel van het berekenen van de roodverschuiving van licht in de ruimte. Daarom stelt het ons in staat om naar oude en verre sterren en sterrenstelsels uit het vroege heelal te kijken.

JWST (ook bekend als “Webb”) heeft ons een nieuw perspectief gegeven en een nieuwe manier om gebeurtenissen uit het verre verleden (ongeveer 13,5 miljard jaar geleden) te bekijken.

Het gemodificeerde oog dat het biedt, heeft echter niet dezelfde mechanica als het menselijk oog. In plaats van het zichtbare lichtspectrum te observeren (dat mensen kunnen zien), geeft JWST de voorkeur aan het bekijken van infrarood licht boven andere lichtspectra. Aangezien het oog het grootste deel van het door hemellichamen uitgestraalde licht niet kan zien, is het passend om ernaar te verwijzen als een “nieuw oog”, gezien de wonderbaarlijke mogelijkheden en resultaten ervan.

Maar wat zijn de voordelen van het uitbreiden van de infraroodbandbreedte bij langere golflengten, zoals het radiogolf- en microgolfspectrum? Alvorens deze vraag te beantwoorden, is het noodzakelijk om te begrijpen dat verschillende lichtspectra slechts verschillende golflengten van energie zijn die door dezelfde lichtbron worden geproduceerd (zie onderstaande afbeelding). Als de golflengte korter is, is de energie die door het licht wordt gedragen groter. Daarom moeten we de ultraviolette stralen van de zon vermijden! Het zijn sterke golflengten die kunnen veroorzaken: DNA ruïneren.

Elektromagnetisch veld; De golflengten van de energie die door de lichtbron wordt uitgestraald (Bron afbeelding: udaix / Shutterstock)

Wat zijn de spectra van licht? En wat gebruiken andere telescopen voor beeldvorming?

Zes van de zeven lichtspectra zijn voor ons onzichtbaar. Als gevolg hiervan kunnen onze ogen slechts een klein percentage zien van elk object dat licht produceert – golflengten van “zichtbaar licht” variëren van 4 tot 10-7 tot 7 10-7. Zoals te zien is in de bovenstaande afbeelding, hebben radiogolven de langste golflengte, gammastralen de kortste golflengte en infrarode stralen hebben een grotere golflengte dan zichtbaar licht.

De naam “infrarood” wordt gebruikt omdat dit lichtbereik net onder de golflengten van zichtbaar rood licht valt, terwijl golflengten boven het zichtbare spectrum meer blauw/violet lijken te zijn, vandaar de titel “ultraviolet”. Dus wat hebben lichtspectra te maken met telescopische beelden?

Telescopen gebruiken detectoren en camera’s om verschillende golflengten uit te filteren, zodat alleen de gewenste golflengten worden verzameld en elektronisch worden omgezet voor weergave. In vergelijking met zijn voorgangers heeft JWST verschillende gevoelige detectoren (waaronder een midden-infraroodcamera en een nabij-infraroodcamera) om het volledige spectrum van infraroodlicht te zien en ons te voorzien van nauwkeurigere en gedetailleerdere beelden van licht afkomstig van miljarden lichtjaren verwijderd . .

Aan de andere kant detecteert de Hubble-ruimtetelescoop licht in het zichtbare spectrum, terwijl de Spitzer-ruimtetelescoop licht detecteert in een korter bereik binnen het infraroodspectrum. Bovendien ziet de Chandra X-ray Observatory licht in zijn eigen röntgenspectrum. Als gevolg hiervan kunnen we zeggen dat elke telescoop ons een ander beeld geeft van het observeren van het universum.

De banden van het elektromagnetische spectrum waarop verschillende telescopen zich richten (Photo Credit: James Webb Space Telescope / Wikimedia Commons)

Wat zijn de voordelen van het gebruik van infraroodstraling in telescopen?

Omdat verschillende golflengten van licht verschillende processen en gebeurtenissen in de ruimte laten zien, biedt het gebruik van het infraroodspectrum ons een ander perspectief en een andere lens van ons universum. Als gevolg hiervan zijn er verschillende redenen om infrarood te verkiezen boven langere golflengten, zoals microgolven of radiogolven. Het vermogen van infrarood licht om door dichte, ijzige wolken van stof en gas te gaan (vergeleken met andere golflengten), een fenomeen dat bekend staat als “roodverschuiving”, en de relatie tussen golflengte en temperatuur zijn de drie kritieke redenen waarom de JWST-telescoop infraroodobservatie gebruikt .

transparante wolken?

Infrarood heeft het unieke vermogen om door dichte wolken van stof en gas te dringen die andere golflengten van licht niet kunnen doordringen. Wanneer ze door het zichtbare of ultraviolette bereik worden bekeken, zijn deze koude, dichte wolken ondoorzichtig, omdat kleine stofdeeltjes binnenin korte golflengten van licht kunnen absorberen. Dus wanneer deze korte golflengten worden gebruikt voor beeldvorming, voorkomen ze detectie van licht van objecten achter of in wolken, en wordt alleen wolkengloed waargenomen. Dit is onhandig, aangezien er binnen deze wolken stervormingsgebieden zijn!

Na infraroodscanning begint stof zijn vermogen te verliezen om alles erin en erachter te verbergen en te verbergen. Daarom zal JWST door dingen heen kunnen kijken die voorheen ondoordringbaar leken, en uiteindelijk de oudste sterren en sterrenstelsels in ons universum onthullen die voorheen verborgen waren.

Web (infrarood) en Hubble (zichtbaar licht) zicht op de Carinanevel; Er zijn meer details in Webb’s infraroodafbeelding, waar je de Sterrenkraamkamer in de nevel kunt zien. (Photo Credit: Claudio Caridi/Shutterstock)

Roodverschuiving kan verwarrend zijn

Allereerst is een van de hoofddoelen van JWST het onderzoeken van enkele van de eerste sterren, sterrenstelsels en planeten die na het ontstaan ​​van het heelal verschenen. Als gevolg hiervan moet Webb onvoorstelbaar verre gebieden in de ruimte analyseren! Als we dieper in de ruimte kijken, kunnen we verder terugkijken in het verleden, gezien de tijd die het licht nodig heeft om te reizen en ons te bereiken. Vanuit een kosmologisch oogpunt kan de snelheid van het licht voor astronomen erg laag lijken!

Het principe van roodverschuiving werd hier geïntroduceerd, wat soms verwarrend kan zijn, maar laten we het nu proberen te begrijpen, omdat het een belangrijk fysiek fenomeen is dat voorkomt in lichtgolven. In de jaren twintig van de vorige eeuw ontdekte Edwin . dat het heelal in een steeds sneller tempo uitdijde Hubble! Hij merkte ook op dat hoe verder we de ruimte in kijken, hoe sneller de objecten van ons af bewegen vanwege de uitdijing van het universum, waardoor de roodverschuiving ontstaat.

Naarmate het universum uitdijt, wordt het licht dat wordt uitgezonden door oude en verre objecten uitgerekt tot langere golflengten. Als gevolg hiervan was de golflengte van het licht van sterrenstelsels en sterren in het vroege heelal zo uitgerekt als gevolg van het uitdijende weefsel van de ruimtetijd dat het nu grotendeels wordt gedetecteerd in het infraroodspectrum.

Oorspronkelijke (links) en uitgebreide (rechts) golflengte en afstand tussen de aarde en het verre melkwegstelsel. Krediet: VectorMine/Shutterstock

Het fenomeen van toename/uitbreiding van lichtgolflengten naar het infraroodspectrum wordt “roodverschuiving” genoemd. Daarom moet Webb met infrarooddetectoren naar het oude universum kijken om een ​​deel van het oudste “roodverschoven” licht te zien in de loop van 13,6-13,8 miljard jaar!

Warmte ogen in de ruimte

Laten we even nadenken over thermische camera’s. Al deze camera’s, zoals de JWST, hebben infraroodsensoren. Van luchthavens tot de ruimte, infrarood is het beste in het detecteren van zelfs de kleinste temperatuurveranderingen, waardoor het gemakkelijker wordt om warmtegerelateerde concepten zoals helderheid, helderheid, moleculaire structuur, enz. te begrijpen. In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht, zijn veel hemellichamen, zoals nevels, planeten en oude sterren, eigenlijk nogal koud (vergeleken met heldere sterren).

Hierboven ziet u een thermische (infrarood) scan van de handen van een persoon. In deze scans zijn de blauwe gebieden koeler, terwijl de geel/oranje/rode delen warmer zijn. We zijn geconditioneerd om rood te associëren met warmte, maar dit is om traditionele redenen alleen waar bij thermische beeldvorming. In het elektromagnetische spectrum is helderblauw heter dan gloeiend rood! (Bron afbeelding: Cipta studio / Shutterstock)

We kunnen infraroodstraling detecteren om af te leiden wat massieve objecten, zoals stofwolken, verbergen die ondoorzichtig zijn in zichtbaar licht. Dit is mogelijk omdat hoe koeler iets (minder actief), hoe langer de golflengte is. Licht, helderheid en temperatuur hebben een direct verband dat kan worden waargenomen en beter begrepen bij gebruik van infraroodstraling, omdat de oudste sterren en sterrenstelsels koeler en minder actief zijn.

Jongere, hetere sterren stralen meer zichtbaar licht uit!

conclusie

Als we begrijpen hoe infrarood werkt, kunnen we ons realiseren dat het meer voordelen heeft dan andere golflengten van licht in termen van het detecteren van de eerste structuren in het universum. Bovendien combineren wetenschappers vaak gegevens van “zichtbaar licht” (Hubble) telescopen met infraroodtelescopen (zoals JWST) om een ​​samengesteld beeld te creëren. De gegevens van elke telescoop worden vervolgens gecombineerd om meer gedetailleerde beelden te leveren. Dus maak je geen zorgen, niemand zal vergeten wat Hubble voor ons heeft bereikt – en zal dat blijven doen. Gelukkig hebben we nu meer kosmische ogen dan ooit tevoren!

Hubble, Webb en hun gecombineerde afbeelding van de M74 – The Phantom Galaxy (Bron afbeelding: NASA’s/Wikimedia Commons)

Voorgestelde lectuur