NIRSpec – 200 otevřených oken hledících do vesmíru

Přístroj NIRSpec (Near-InfraRed Spectrograph)

Astronomii (stejně jako každou jinou vědu) ženou vpřed velké otázky. A jen těžko bychom hledali větší otázku, než dotaz spojený s tím, jak se začaly formovat první hvězdy a galaxie, což ve výsledku vedlo i k našemu vzniku. Střípky odpovědí na tuto otázku musíme hledat ve velmi vzdáleném vesmíru. Tak vzdáleném, že světlo muselo cestovat miliardy let, než k nám dorazilo. Právě toto světlo v sobě nese pohledy na první vznikající galaxie. Tato časná fáze (jen asi 200 milionů let po Velkém třesku) leží za (i tak úžasným) dosahem starších teleskopů. Díky americko-evropsko-kanadskému Teleskopu Jamese Webba se ale můžeme i na ně podívat.

NIRSpec

NIRSpec
Zdroj: http://www.jwst.nasa.gov/

Jenže i ten nejlepší kosmický teleskop může být jen tak dobrý, jak kvalitní jsou vědecké přístroje na jeho palubě. Tím se dostáváme k přístroji NIRSpec, významnému evropskému příspěvku do celé mise JWST. „Na začátku vývoje každého přístroje, jsou ambice vědců. Průzkum vzniku prvních galaxií skutečně formoval přístroj NIRSpec,“ vzpomíná Pierre Ferruit, bývalý vědec z ESA zapojený do projektu Webbova teleskopu. NIRSpec (Near-InfraRed Spectrograph), jak už jeho anglický název napovídá, je infračervený spektrometr. Jeho úkolem je vzít infračervené záření zachycené optikou teleskopu a rozdělit jej na dílčí vlnové délky – vytvořit spektrum. Z měření, jak se liší jas na různých vlnových délkách daného kosmického objektu, mohou astronomové získat spoustu informací o fyzikálních vlastnostech daného objektu a jeho chemickém složení. Než na scénu nastoupil JWST a NIRSpec, tak nebylo možné provádět tento typ měření u nejvzdálenějších galaxií.

Nyní toho jsme schopni a před námi se otevírá doslova městský bulvár nových možností. Můžeme studovat velmi vzdálené galaxie stejně, jako studujeme bližší objekty,“ popisuje Giovanna Giardino, astronomka Evropské kosmické agentury. Nasbíraná data pomohou astronomům poznat, jak se galaxie vyvíjely od nejčasnějších fází vesmíru a jak se v průběhu času proměnily v objekty, které kolem sebe vidíme dnes. Přístroj NIRSpec vznikl pod vedením agentury ESA, přičemž hlavním kontraktorem byla firma Airbus Defence and Space Germany. Airbus ze svých pracovišť (Ottobrunn a Friedrichshafen v Německu a Toulouse ve Francii) vybral sedmdesát expertů, kteří vytvořili pracovní skupinu. Významný vliv na realizaci mělo i 17 subdodavatelů z Evropy a také spolupráce s NASA.

Hned v časné fázi vývoje se tým rozhodl, že nejlepší cestou k dosažení úspěchu bude, když se nebude nic zbytečně komplikovat. „Když se podíváte na design přístroje NIRSpec, tak je v podstatě docela jednoduchý,“ říká Ralf Ehrenwinkler, šéf programu NIRSpec z firmy Airbus. To, že věci spojené s vedením světla skrz přístroj zůstaly jednoduché, znamenalo, že se tým mohl zaměřit na vpravdě revoluční prvky přístroje. Tím nejdůležitějším byla potřeba zajištění schopnosti zaznamenávat spektra z mnoha objektů současně, což je něco, co se v kosmickém prostoru ještě nikdy nedělalo. Tuto jedinečnou schopnost si doslova vyžádala touha vědců studovat hluboký vesmír, ve kterém jsou galaxie jen velmi slabé. Abychom získali dostatečně vypovídající představu o našem časném původu, museli bychom jich pozorovat tisíce.

Hubbleovo hluboké pole na mozaice poskládané z několika snímků

Hubbleovo hluboké pole na mozaice poskládané z několika snímků
Zdroj: http://spacetelescope.org/

Lidstvo se prvního náznaku pohledu do těchto oblastí, dočkalo v roce 1995, kdy vzniklo legendární Hubble hluboké pole. Hubbleův teleskop tehdy využil toho, že má nerušený výhled na vesmír a 18. prosince se podíval do jedné oblasti oblohy a pohledem neuhnul po dobu následujících deseti dnů. Snímaná oblast tvořila jednu čtyřiadvacetimiliontinu celé oblohy a přesto v ní Hubble spatřil okolo 3000 dříve neznámých objektů – povětšinou mladých galaxií vzdálených miliardy světlených let. Jelikož Webbův teleskop disponuje primárním zrcadlem o průměru 6,5 metru, dokáže udělat podobné snímky hlubokých polí v řádu hodin namísto dní a NIRSpec může zaznamenat spektra tamních objektů. Jenže v zorném poli by bylo tolik galaxií k zaznamenání, že by bylo absolutně nepraktické, pokud by NIRSpec mohl pořídit vždy pouze jedno spektrum. Tým proto musel najít způsob, jak to udělat pro mnoho objektů najednou. A podařilo se jim to zcela mimořádně.

uspořádané řady mikrozávěrek NIRspec ve velkém přiblížení

uspořádané řady mikrozávěrek NIRspec ve velkém přiblížení
Zdroj: http://www.nasa.gov/

Jsme schopni pořizovat spektra až 200 objektů současně, což doslova mění pravidla hry,“ raduje se Maurice Te Plate, systémový inženýr přístroje NIRSpec z Evropské kosmické agentury. K dosažení této mimořádné schopnosti multitaskingu používá přístroj NIRSpec přelomový systém označovaný jako „pole mikrozávěrek“ (micro-shutter array). Jeho výrobu a dodání zajistilo Goddardovo středisko v Marylandském Greenbeltu a jde opravdu o mimořádně zajímavou technologii. Pole obsahuje zhruba čtvrt milionu droboučkých „okenic“ – každá má rozměry pouze 80 × 180 mikrometrů. Tyto clony je možné individuálně otevírat i zavírat podle potřeby. Tím by byl vyřešen největší problém získávání spekter vzdálených kosmických objektů. Spektra bližších objektů, hvězd a méně vzdálených galaxií by jednoduše překážela těm ze slabších objektů, pokud by nebylo použito zmíněné zakrývání. „Necháváme otevřené pouze ty clony, které jsou v zorném poli zarovnány na zajímavé objekty a ostatní necháme zavřené. Tím pádem pouze světlo přicházející z vybraných cílů dosáhne optiky spektrografu pro analýzu,“ vysvětluje Maurice Te Plate.

Testovací snímek z přístroje NIRSPec pořízený během ověřování funkce režimu spektroskopie více objektů.

Testovací snímek z přístroje NIRSPec pořízený během ověřování funkce režimu spektroskopie více objektů.
Zdroj: https://blogs.nasa.gov/

NIRSPec však není navržen jen pro sledování vzdáleného vesmíru, ale i mnohem bližších objektů – exoplanet. Atmosféra těchto světů pohltí část infračerveného záření mateřské hvězdy, které prochází skrz ni. Měřením světla hvězdy a jeho rozložením na spektrum umožňuje NIRSpec astronomům vyhledat drobné množství světla, které na specifických vlnových délkách chybí. Experti tak mohou určit, které chemické látky jsou přítomny v atmosféře planety, ale také vyčíst další informace o fyzikálních vlastnostech. „Můžeme vidět charakteristické „podpisy“ mnoha důležitých molekul v atmosférách exoplanet, které ze Země není možné objevit. Ani kosmické observatoře to před NIRSpecem neuměly,“ vysvětluje Giovanna Giardino.

Přístroj NIRSpec však nabízí astronomům ještě i další možnosti. Především dokáže rozdělit velké objekty (třeba galaxie a mlhoviny) na 30 pruhů a pozorovat spektra každého pruhu – samozřejmostí je, že se všechny pruhy měří současně. Výsledné mapy fyzikálních vlastností a chemického složení jsou klíčem k pochopení vzniku a zániku hvězd i procesů, které ovlivňují galaxie.

Aby mohl pracovat s blízkým infračerveným zářením, musí NIRSpec (a většina JWST) pracovat při teplotách kolem 40 Kelvinů (-233 °C), což zajišťuje ikonický sluneční štít Webbova teleskopu. To pro přesné vědecké přístroje představuje velkou výzvu. Odlišné materiály se totiž při ochlazení smršťují s různou intenzitou, což může vyvolat lehké pokřivení přístroje, což samozřejmě ovlivní přesnost jeho měření. „Tohle byla největší výzva a právě proto se Airbus rozhodl postavit celý přístroj především z karbidu křemíku. Základová deska, většina struktury a zrcadla jsou právě z karbidu křemíku,“ říká Ralf Ehrenwinkler. S použitým keramickým karbidem křemíku se sice velmi těžko pracuje, ale zase je velmi stabilní za nízkých teplot. Tím, že se z něj vyrobila většina přístroje, bylo možné zkreslení vlivem změny teploty prakticky eliminovat. Na druhou stranu však už před zahájení výroby muselo být zcela jasné, že je design správný.

Přístroj NIRSpec pomohl odhalit, jak probíhá proces vzniku hvězd v mlhovině Tarantule.

Přístroj NIRSpec pomohl odhalit, jak probíhá proces vzniku hvězd v mlhovině Tarantule.
Zdroj: https://cdn.esawebb.org/

NIRSpec začal jako blok karbidu křemíku v takzvaném „zeleném stavu“ (green-state), kdy je materiál vcelku měkký a dá se s ním pracovat. NIRSpec byl opracován do požadovaného tvaru stejně, jako když umělec z kamene vytváří sochu. Všechny díry a kanálky byly vyvrtány a jakmile bylo vše připraveno, byl celý kus vložen do pece, kde proběhla tzv. sinterace. Tím se materiál vytvrdil a stal se extrémně náročným k opracování. Tým proto musel mít naprostou jistotu, že je design správný, ještě než začala výroba. „Práce s karbidem křemíku byla zcela určitě výzva, ale jsem opravdu hrdý na to, že jsme uspěli při jeho tvorbě,“ přiznává Maurice Te Plate. Částečně i díky úspěchu v rámci tohoto projektu se práce s tímto materiálem stala jakousi evropskou specialitou.

Úspěch přístroje NIRSpec se v plné míře projevil, když byly letos v létě představeny první vědecké snímky z Webbova teleskopu a na Zemi začala proudit další a další data. „Nejsem vědec, jsem inženýr. Jsem proto opravdu rád, když vidím, že jsou všechny telemetrické údaje zelené a NIRSpec funguje. Ale mohu Vám říct, že jsem byl v Baltimoru s dalšími asi 200 lidmi, když dorazily první snímky. Měli jsme slzy v očích,“ přiznává Ralf Ehrenwinkler. A nyní, když už data přichází průběžně, zažívá mnoho lidí stejné pocity. „Jsem opravdu docela ohromen kvalitou spekter, která získáváme. Vidím, že pozorovatelé jsou s daty také velmi spokojeni. Podle mne je tohle důvod, proč jsme stavěli NIRSpec. Řekl bych, že to tak cítí celý tým. Nyní, když přístroj posílá data, je to skvělý pocit,“ říká Pierre Ferruit.

Spektrální měření Marsu pomocí přístroje NIRSpec.

Spektrální měření Marsu pomocí přístroje NIRSpec.
Zdroj: https://blogs.nasa.gov/

Až budou dokončeny mimořádně pečlivé analýzy dat, dostaneme nové odpovědi na mimořádné otázky, které jsou důležité k porozumění naší vlastní existence: Jak se ve vesmíru formovaly první hvězdy a galaxie, nebo jak často planety obíhající kolem hvězd nabízí podmínky, které by umožňovaly existenci života, jaký známe? Právě proto byl postaven NIRSpec – otevírá okna k hledání odpovědí na velké otázky.

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
http://www.esa.int/…/13013688-1-eng-GB/JWST_s_Near_InfraRed_Spectrograph_NIRSpec.jpg
http://www.jwst.nasa.gov/images3/NIRSpec_FM_Integration1_sm.jpg
http://spacetelescope.org/static/archives/images/screen/opo9601c.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/micro4_0.jpg
https://blogs.nasa.gov/webb/wp-content/uploads/sites/326/2022/07/blog-nirspec.png
https://esawebb.org/media/archives/images/original/weic2212d.tif
https://blogs.nasa.gov/…/326/2022/09/WebbMarsSpectra_Wide_FINAL.png

Print Friendly, PDF & Email

Kontaktujte autora: hlášení chyb, nepřesností, připomínky
Prosím čekejte...
Níže můžete zanechat svůj komentář.

10 komentářů ke článku “NIRSpec – 200 otevřených oken hledících do vesmíru”

  1. MilanV napsal:

    Díky za moc pěkný článek. NIRSPec je velmi zajímavý přístroj, tento článek ho pěkně popisuje a překlad se také povedl, i s fyzikálními a chemickými pojmy.
    Přidám jen zajímavost, že ten „karbid křemíku“ je to, co materiál, který známe jako karborundum – brusivo.

    Samozřejmě že jako každý správný článek vzbuzuje i otázky, mne třeba napadlo, že ty miniaturní clonky musejí dělat na infra záření šílenou difrakci – předpokládám, že se to řeší snímačem umístěným co nejblíže za těmi clonkami, co jen inženýři dokázali, ale potvrzené to nemám. Ono celkově jak se tak složitá optická cesta ladila, aby se maximálně eliminovaly optické vady, to musela být šílená práce:těžká a úžasně zajímavá. Ještě když se muselo počítat s tím materiálem ve 40 K…

  2. zvejkal napsal:

    Absolutne fascinujuci pristroj a ukazka inzinierstva.
    I ked tomu skoro vobec nerozumiem, aj tak sa mi to paci 🙂

  3. v600 napsal:

    Hmm,
    kolik je vlastně zrcadel v detekční části dalekohledu?
    Tedy všech kromě primárního, sekundárního a terciálního ?

    • Dušan Majer napsal:

      To se bude počítat hodně složitě, pokud chcete započítávat i všechna zrcadla v jednotlivých přístrojích.

      • PetrDub napsal:

        Sluneční clony jsou také v podstatě zrcadla, takže to máme dalších pět :-). Zcela vážně mě totéž vždycky fascinovalo – když se podíváte na ta demonstrační videa nebo obrázky kteréhokoliv vědeckého přístroje (nejen) na JWST, tak dráha světla je ve všech případech docela složitá, samo o sobě je to úžasný doklad pokroku ve vědě a technice. Samozřejmě to není samoúčelné, v řadě případů je to kvůli tomu, že jeden přístroj má několik pozorovacích režimů, kdy světlo prochází různými částmi přístroje, umožňuje vkládat různé filtry atp. Ale jen to vymyslet muselo dát spoustu práce a za mě hluboký respekt k tomu, že na JWST funguje úplně vše. A budu držet všechny palce, aby to tak i zůstalo.

  4. Karel Zvoník napsal:

    Na NIRSpec se podílela Česká republika. Zde se vědcům podařilo vyřešit řízení mikroelektromechanického systému závěrek zvaných microshutter array. V době navrhování bylo něco podobného považováno za neproveditelné, až „magnetický tým z Univerzity Karlovy“ pod vedením Gunthera Kletetschka vymyslel jak na to. Pomocí čtyřpólového magnetu, který má specifické složení. Více zde: https://kosmonautix.cz/2022/02/faq-vse-o-teleskopu-jamese-webba-6-dil/

Zanechte komentář

Chcete-li přidat komentář, musíte se přihlásit.