Telescopul spaţial James Webb va deschide o nouă eră în astronomie

Telescopul James Webb va fi succesorul telescoapelor spaţiale Hubble şi Spitzer şi acesta face parte din proiectul James Webb al NASA, o colaborare dintre NASA, Agenția Spațială Europeană și Agenția Spațială Canadiană. Telescopul a fost denumit în anul 2002 după numele lui James E. Webb, administrator adjunct al NASA în perioada anilor 1961 – 1968.

Reprezentare artistică a telescopului spaţial James Webb. Credit: NASA, Flickr, Northrop Grumman

Telescopul spaţial James Webb va observa Universul în principal în infraroșu, spre deosebire de telescopul Hubble a cărui misiune principală a fost aceea de a observa Universul în domeniul vizibil şi în cel ultraviolet al radiaţiilor electromagnetice, deşi acesta are şi unele capacităţi limitate de observare în domeniul infraroşu.

Spectrul electromagnetic şi telescoapele utilizate pentru studiul Universului. Credit: NASA

Oglinda principală a telescopului spaţial James Webb va avea un diametru de 6,5 metri, ceea ce înseamnă că va avea o suprafaţă de captare de aproape 6 ori mai mare decât a telescopului Hubble.

În acest fel, telescopul James Webb va putea „privi” mult mai departe în trecut față de telescopul Hubble şi în consecinţă va putea surprinde imagini cu o rezoluţie mult mai bună ale unui Univers mai tânăr.

Astronomii speră să vadă tot mai departe în trecut cu ajutorul noului telescop James Webb pentru a studia Universul timpuriu. Credit: NASA

Spre deosebire de telescopul Hubble care a fost plasat pe o orbită foarte apropiată de Pământ, la o altitudine de 570 de kilometri, telescopul Webb se va afla la o distanţă de 1,5 milioane km faţă de Pământ, în punctul Lagrange L2. Punctele Lagrange marchează poziția pe orbită în care forța de atracție combinată a două corpuri de masă mare produc forța centripetă necesară unui al treilea corp pentru a se roti împreună cu ele.

Telescopul spațial James Webb va fi poziționat în punctul Lagrange L2. Credit: NASA

Deoarece telescopul James Webb va fi plasat în punctul stabil L2, aflat la mare distanţă de Terra, acesta va putea funcționa în permanență, o condiţie esențială pentru efectuarea unor observații îndelungate ale unor obiecte cosmice atât de îndepărtate care emit radiații electromagnetice de slabă intensitate.

Telescopul Webb va putea observa primele galaxii din Univers deoarece va fi un telescop în infraroșu.

Deşi telescopul spaţial Hubble a reprezentat, fără îndoială, una dintre cele mai mari invenții ale omenirii, telescopul James Webb este proiectat să fie de 100 de ori mai puternic decât acesta.

Datorită unei camere fotografice cu câmp foarte larg, telescopul Hubble a reuşit să surprindă cele mai detaliate imagini în lumină vizibilă ce au fost obţinute până în prezent. Este vorba despre imaginile Hubble Deep Field şi Hubble Ultra Deep Field care au reprezentat un punct de cotitură în cosmologia observaţională, acestea furnizând date extrem de valoroase pentru cosmologi.

Imagine Hubble Ultra-Deep Field. Credit: NASA, ESA, Hubble Site

Alături de imaginile radiaţiei cosmice de fond surprinse de sateliţii Planck și WMAP, imaginile capturate de Hubble surprind unele dintre cele mai îndepărtate obiecte din Univers, cum ar fi galaxiile.

Din păcate, lumina emisă de aceste galaxii este deplasată spre roşu (către capătul infraroșu al spectrului electromagnetic) datorită expansiunii Universului ce a urmat după evenimentul Big Bang.

Din fericire, instrumentele telescopului James Webb vor fi proiectate să funcționeze în special în domeniul infraroșu al spectrului electromagnetic. Telescopul James Webb va putea studia radiaţia electromagnetică având lungimea de undă cuprinsă între 0,6 şi 28 micrometri.

Instrumentele de observație de pe telescopul James Webb sunt: Near Infrared Camera, Near Infrared Spectograph, Mid-Infrared Instrument și Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph.

Construcţia telescopului James Webb. Credit: NASA

Echipamentele telescopului James Webb vor fi utilizate în principal în cadrul a patru teme ştiinţifice majore:

– Prima rază de lumină și era reionizării

– Formarea galaxiilor

– Apariţia stelelor şi a sistemelor protoplanetare

– Sistemele planetare și originea vieții

Prima rază de lumină și era reionizării

Pe baza a ceea ce se cunoaşte în prezent, primele stele din Univers erau de 30 până la de 300 de ori mai masive decât Soarele și de milioane de ori mai luminoase, acestea având o vârstă de doar câteva milioane de ani înainte de a exploda sub forma unor supernove.

Radiaţia ultravioletă de mare energie de la aceste prime stele din Univers a ionizat atomii de hidrogen, descompunând hidrogenul format în timpul epocii recombinărilor şi eliberând electronii şi protonii. Pe baza spectrelor quasarilor îndepărtaţi s-a dedus că această epocă a avut loc atunci când Universul avea o vârstă de aproape un miliard de ani. Această epocă este cunoscută sub numele de epoca reionizării. Procesul prin care o mare parte din atomii neutri de hidrogen sunt distruşi de către radiațiile ultraviolete de mare energie ne oferă oportunitatea de a studia primele stele în mod indirect.

Oamenii de ştiinţă vor să cunoască aceste detalii deoarece nu se cunoaşte cu exactitate când a avut loc această epocă din evoluţia Universului, iar primele stele au influenţat foarte mult formarea obiectelor de mai târziu, cum ar fi galaxiile.

Se crede că primele stele din Univers au colapsat sub formă de găuri negre. Deoarece aceste găuri negre au captat materia din jur s-au forma mini-quasari. Aceştia, la rândul lor, au crescut și au format găurile negre supermasive aflate în centrul tuturor galaxiilor.

Formarea galaxiilor

Astronomii cred că primele galaxii s-au format atunci când Universul avea o vârstă de un miliard de ani. Cu toate acestea, cercetătorii de la Cornell University au identificat recent cea mai veche galaxie (EGSY-2008532660) descoperită până în prezent. Pe baza deplasării spre roşu s-a dedus că această galaxie are o vârstă de 13,25 miliarde de ani (570 de milioane de ani după Big Bang).

Expansiunea Universului şi formarea galaxiilor

Cele mai multe dintre galaxiile din Universul timpuriu erau mici și neregulate, dar unele dintre ele aveau forme asemănătoare galaxiilor din prezent.

Oamenii de ştiinţă nu ştiu cu adevărat cum se formează galaxiile și cum rezultă forma acestora. De asemenea, nu se ştie cum sunt distribuite elementele chimice prin galaxie şi nu se cunosc detalii despre cum influenţează găurile negre din centrul galaxiilor evoluţia galaxiilor gazdă.

Oamenii de ştiinţă caută, de asemenea, răspunsuri cu privire la ceea ce se întâmplă atunci când galaxiile se ciocnesc unele de altele și se unesc între ele. În acest scop se utilizează simulările computerizate. Puteţi urmări o simulare a ciocnirii între 2 galaxii în videoclipul de mai jos.

Analizând primele galaxii din Univers și comparându-le cu cele mai recente, se poate înţelege evoluția acestora. Pe baza observaţiilor spectroscopice a sute sau mii de galaxii cercetătorii încearcă să înţeleagă cum s-au format elementele mai grele ca hidrogenul care au stat la baza evoluţiei ulterioare a galaxiilor.

Apariţia stelelor şi a sistemelor protoplanetare

Datorită telescopului spațial Kepler știm că în jurul unui număr mare de stele există planete gigantice de gaz. Până în prezent au fost identificate mii de potenţiale exoplanete, multe dintre acestea fiind confirmate.

Oamenii de ştiinţă şi-au dat seama că pentru a înţelege formarea planetelor trebuie să obţină mai multe date observaționale despre planetele aflate în jurul stelelor tinere și despre resturile rămase în jurul stelelor care pot determina apariția planetelor.

Pentru a înţelege cum apar stelele, oamenii de ştiinţă trebuie să se bazeze pe observaţiile astronomice în infraroșu deoarece protostelele sunt înfășurate în „coconi” de gaz şi praf care nu permit trecerea radiaţiilor din domeniul vizibil. Cu ajutorul instrumentelor de observaţie în infraroşu ale telescopului James Webb vom putea observa cum se formează stelele în interiorul acestor „coconi”. De asemenea, există posibilitatea să se observe formarea discurilor de materie din jurul stelelor și moleculele organice care sunt propice pentru apariţia şi dezvoltarea vieţii.

Pentru a înţelege formarea Pământului și apariţia vieții în Univers, oamenii de ştiinţă trebuie să studieze evoluția planetelor, inclusiv a materiei din jurul stelelor unde se formează planetele.

Sistemele planetare și originea vieții

Resturile de gheață și praf din Sistemul Solar provin dintr-o perioadă în care acesta era foarte tânăr. Telescopul James Webb va obține imagini în infraroșu ale planetelor gigant și ale sistemelor planetare, vârsta și masa acestor obiecte cosmice fiind determinate pe baza spectrelor. De asemenea, cu ajutorul telescopului Webb se vor putea analiza spectrele discurilor de materie aflate în jurul altor stele pentru a identifica elementele chimice din componenţa acestora care determină formarea sistemelor planetare. În acest fel se vor putea găsi indicii privind apariţia vieţii pe Pământ.

Telescopul James Webb este plănuit să fie lansat în anul 2018 de către o rachetă Ariane 5 de la Centrul Spaţial din Guyana Franceză. Se crede că acesta va revoluţiona înţelegerea Universului.