Uudet ja selkeimmät kuvat Neptunuksen renkaista vuosikymmeniin

 NASA/ESA/CSA James Webb -avaruusteleskooppi on kuvannut Neptunusta ja sen renkaita. Webb ei ole ainoastaan tallentanut selkeimmän kuvan tämän planeetan renkaista yli 30 vuoteen, vaan sen kamerat paljastavat myös jääjättiläisen aivan uudessa valossa.

Near-Infrared Camera (NIRCam) -kuvassa näkyvät Neptunuksen kuut on merkitty. Neptunuksella on 14 tunnettua satelliittia, joista seitsemän näkyy tässä kuvassa.
Triton, kirkas valopiste tämän kuvan vasemmassa yläkulmassa, on kirkkaampi kuin Neptunus, koska metaanin absorptioaallonpituudet pimentävät planeetan ilmakehää. Triton heijastaa keskimäärin 70 prosenttia siihen osuvasta auringonvalosta. Tritonin, joka kiertää Neptunusta taaksepäin suuntautuvalla kiertoradalla, epäillään alun perin olleen Kuiper-vyön objekti, jonka Neptunus on kaapannut. Kuva ESA

Kaikkein silmiinpistävin Webbin uudessa kuvassa on terävä näkymä planeetan dynaamisista renkaista – joista osaa ei ole nähty Voyager 2:n ohilennon jälkeen vuonna 1989. Useiden kirkkaiden kapeiden renkaiden lisäksi Webb-kuvissa näkyy selvästi himmeämpi pölynauha. Webbin äärimmäisen vakaa ja tarkka kuvanlaatu mahdollistaa myös näiden erittäin heikkojen renkaiden havaitsemisen niin lähellä Neptunusta.

Neptunus on kiehtonut ja hämmentänyt tutkijoita sen löytämisestä vuonna 1846. Neptunus sijaitsee 30 kertaa kauempana Auringosta kuin Maa. Tällä äärimmäisellä etäisyydellä Aurinko on niin pieni ja himmeä, että keskipäivä Neptunuksella on samanlainen kuin hämärä maapallolla.

Kaasujättiläisiin, Jupiteriin ja Saturnukseen verrattuna, jääjättiläinen Neptunus sisältää paljon vetyä ja heliumia raskaampia alkuaineita. Tämä näkyy helposti Neptunuksen tunnusomaisessa sinisestä väristä NASA/ESA:n Hubble-avaruusteleskoopin kuvissa näkyvillä aallonpituuksilla. Sininen värisävy aiheutuu kaasumaisesta metaanista planeetan ilmakehässä. Metaani imee itseensä näkyvästä valosta kaikki muut aallonpituudet mutta sinisen se heijastaa pois.

Webbin lähi-infrapunakamera ( NIRCam ) kaappaa kohteet lähi-infrapuna-alueella 0,6 – 5 mikrometriä, joten Neptunus ei näytä siniseltä Webbille. Itse asiassa metaanikaasu imeytyy niin voimakkaasti, että planeetta on melko tumma Webbin käyttämillä aallonpituuksilla paitsi siellä, missä on korkeita pilviä. Tällaiset metaani-jääpilvet näkyvät kirkkaina juovina ja täplinä, jotka heijastavat auringonvaloa ennen kuin metaanikaasu imee sen. Muiden observatorioiden kuvat ovat tallentaneet nämä nopeasti kehittyvät pilviominaisuudet vuosien varrella.

Tässä Webbin Near-Infrared Camera (NIRCam) -kuvassa näkyy Neptunus-järjestelmä yhdessä satojen kooltaan ja muodoltaan vaihtelevien taustagalaksien kanssa. Tämän kuvan vasemmassa alareunassa on hieno spiraaligalaksi. Tutkijat sanovat, että tätä galaksia ei ole aiemmin tutkittu yksityiskohtaisesti. Galaksi on noin 1 200 miljoonan valovuoden etäisyydellä. Tutkijat aikovatkin tehdä lisää havaintoja tästä galaksista samoin kuin Neptunuksestakin. Kuva ESA.

Hienovaraisemmin planeetan päiväntasaajaa kiertävä ohut kirkas viiva voisi olla visuaalinen tunnus globaalista ilmakehän kierrosta, josta Neptunuksen tuulet ja myrskyt saavat voimansa. Ilmakehä laskeutuu ja lämpenee päiväntasaajalla ja siten hehkuu infrapuna-aallonpituuksilla enemmän kuin ympäröivät, viileämmät kaasut.

Neptunuksen 164-vuotinen kiertorata tarkoittaa, että sen kuvan yläosassa oleva pohjoisnapa ei näy kuvissa, mutta Webb-kuvat viittaavat erityiseen kirkkauteen tällä alueella. Webbin näkemyksen mukaan aiemmin tunnettu pyörre etelänavalla on ilmeinen, mutta Webb on ensimmäistä kertaa kuvannut sitä ympäröivän jatkuvan pilvinauhan.

Webb tallensi myös seitsemän Neptunuksen 14 tunnetusta kuusta. Tätä kuvaa Neptunuksesta hallitsee erittäin kirkas valopiste, jossa on tunnusomaiset diffraktiopiikkit, jotka näkyvät monissa Webbin kuvissa; se ei ole tähti, vaan Neptunuksen suurin kuu, Triton.

Tritonin pinnan peittää jäätynyt typpi, jonka vaikutuksesta kuu heijastaa keskimäärin 70 prosenttia siihen osuvasta auringonvalosta. Se ylittää Neptunuksen kirkkauden, koska planeetan ilmakehä on pimentynyt Webbin aallonpituuksilla tapahtuvan metaanin absorption vuoksi. Triton kiertää Neptunusta yleistä kiertosuuntaa päinvastaisesti, mikä saa tähtitieteilijät spekuloimaan, että tämä kuu oli itse asiassa Kuiperin vyöhykkeen objekti, jonka Neptunus on kaapannut. Lisää Webb-tutkimuksia sekä Tritonista että Neptunuksesta suunnitellaan ensi vuonna.

Webbin kuvat: planetaarinen rengassumu NGC 3132

Auringonkaltaisten tähtien evoluution viimeisessä vaiheessa tähti menettää suuren osan massastaan avaruuteen. Tapahtuma ei ole vain yksi purkaus, vaan useita perättäisiä purkauksia. Avaruuteen purkautunut aine laajenee ja perättäiset purkaukset muodostavat sisäkkäisiä kuoria. Lopulta tähti luhistuu valkoiseksi kääpiöksi, joka ei enää tuota energiaa mutta säteilee jäännöslämpöä satoja miljoonia tai useita miljardeja vuosia.

---

Tämä rinnakkainen vertailu näyttää NASA/ESA/CSA Webb-teleskoopin havainnot eteläisen rengassumusta lähi-infrapunavalossa vasemmalla ja keski-infrapunavalossa oikealla.

Tämän näkymän loi valkoinen kääpiötähti – Aurinkomme kaltaisen tähden jäännös sen jälkeen, kun se oli puhaltanut avaruuteen uloimmat kerrokset ​​ja lakannut tuottamasta energiaa ydinfuusiolla. Nämä ulkokerrokset muodostavat nyt tässä kuvassa näkyvät sumun kuoret.

Near-Infrared Camera (NIRCam) -kuvassa valkoinen kääpiö näkyy kirkkaan, keskellä olevan tähden vasemmassa alakulmassa, osittain diffraktiopiikkien piilossa. Sama tähti näkyy – mutta kirkkaampana, isompana ja punaisempana – Mid-Infrared Instrument (MIRI) -kuvassa. Tämä valkoinen kääpiötähti on peitetty paksuilla pölykerroksilla, mikä saa sen näyttämään suuremmalta.

Kummankaan kuvan kirkkaampi tähti ei ole vielä luopunut kerroksistaan. Se kiertää tiukasti himmeämpää valkoista kääpiötä ja auttaa levittämään sen ulos työntymää.

Nykyään valkoinen kääpiö lämmittää kaasua sisäalueilla, jotka näkyvät sinisenä vasemmanpuoleisessa kuvassa ja punaisina oikeanpuoleisessa kuvassa. Molemmat tähdet valaisevat ulompia alueita oranssina ja sinisenä.

Kuvat näyttävät hyvin erilaisilta, koska NIRCam ja MIRI keräävät erilaisia ​​valon aallonpituuksia. NIRCam tarkkailee lähi-infrapunavaloa, joka on lähempänä silmämme havaitsemaa näkyvää aallonpituutta. MIRI menee pidemmälle infrapunaan poimimalla keski-infrapuna-aallonpituuksia. Toinen tähti näkyy selkeämmin MIRI-kuvassa, koska tämä instrumentti näkee ympärillään kiiltävän pölyn ja tuo sen selkeämmin näkyviin. Kuva NASA, ESA, CSA, STScI, and the Webb ERO Production Team.

---

Webbin ottama kuva rengassumusta NGC 3132 osittaa laajenevan kuoren kerroksellisen rakenteen erittäin selvästi. Kerroksista tutkijat voivat päätellä tähden viimeisten vaiheiden historian mutta sen lisäksi myös tähden ja sumun kemiallisen rakenteen ja sen evoluution. 

Kuvassa on sumun keskellä kaksi tähteä (kaksoistähti), joista himmeämpi on synnyttänyt tämän planetaarisen sumun. Kirkkaampi tähti on vielä kehityskaarensa aikaisemmassa vaiheessa mutta aikanaan sekin tulee tuottamaan oman sumunsa. Milloin se tapahtuu ja onko tästä nykyisestä sumusta mitään jäljellä siinä vaiheessa, on toistaiseksi arvailujen varassa. 

Planetaariset sumut laajenevat avaruuteen, menettävät kirkkauttaan ja lopulta katoavat näkyvistä. Aikaa tässä vaiheessa kuluu kymmeniä tai satojatuhansia vuosia, joten voi olla hyvinkin mahdollista, että toisen tähden muodostaessa planetaarista sumua, tästä ensimmäisestä sumusta ei enää ole mitään jäljellä. Planetaaristen sumujen aine ei kuitenkaan katoa mihinkään, vaan se voi miljardien vuosien kuluttua päätyä uuteen tähteen.

Kuvat on otettu Webbin Near-Infrared Camera (NIRCam) (vasen) ja Mid-Infrared Instrument (MIRI) (oikea) -instrumenteillä.

Webb-teleskoopin ottamat ensimmäiset kuvat julkaistiin

Webb teleskooppi yhtymä (NAS, ESA ja CSA) julkaisi ensimmäiset värilliset kuvat, jotka on otettu heinäkuun alussa teleskoopin hienovirityksen tultua tehdyksi. Julkaistu kuvapaketti sisältää parisen kymmentä eri havaintolaitteilla tuotettua kuvaa infrapunaisella aallonpituudella. Kuvien erotuskyky on vähintään yhtä hyvä kuin Hubblella otettujen kuvien mutta useimmiten selkeästi parempi kuin koskaan tähän mennessä infrapunaisella aallonpituuksilla otettujen kuvien.

Kuvapaketti on sen verran laaja, että kaikkien kuvien käsittely yhdessä artikkelissa ei ole järkevää, joten Avaruusmagasiini palaa yksittäisiin kuviin omilla artikkeleillaan lähiviikkoina.

Webbin syväkenttäkuva. Kuva NASA/ESA/CSA.

 

SMACS 0723

Webbin syväkenttäkuva on otettu galaksijoukosta SMACS 0723 Lentokalan tähdistöstä eteläiseltä tähtitaivaalta. Alueella on tuhansia galakseja ja osa niistä toimii gravitaatiolinsseinä. Gravitaatiolinssi vahvistaa vielä kauempana olevien galaksien kuvia, tosin samalla vääristäen niitä. Joka tapauksessa nämä gravitaatiolinssin synnyttävät kuvat ovat valoa, joka lähti matkaan maailmankaikkeuden ollessa alle miljardin vuoden ikäinen.

Kuva on otettu Webbin Near-Infrared Camera (NIRCam) instrumentilla ja se on koottu useasta eri ir-aallonpituudesta, joiden yhteinen valotusaika on 12,5 tuntia. Itse galaksijoukko (SMACS 0723) sijaitsee ”vain 4,6 miljardin valovuoden etäisyydellä ja joukon edessä ja takan on lisää galakseja eri etäisyyksillä.

Kuvassa on nähtävissä kaukaisten galaksien rakenteita, joita aikaisemmin ei ole pystytty näkemään. Nyt näkyviin tulleet rakenteet ovat tietysti hyvin varhaisesta galaksien kehitysvaiheesta, joten ne saattavat näyttää primitiiviltä.

NIRSpec-laitteiston tuottama spektri 13,1 miljardin valovuoden takaisesta galaksista. Kuva NASA/ESA/CSA.

Kuvien lisäksi NIRCAM tuottaa spektrejä. Uutena menetelmänä Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) tuottaa spektrejä useista eri kohteista, tästä kuvasta jopa 48 galaksin spektrit samanaikaisesti. Tämä on mahdollista, koska laitteistossa on mikrosuljinjärjestelmä, jollaista ei aikaisemmin ole avaruudessa käytetty.

Webb on nyt täysin fokusoitu

NASAn James Webb -avaruusteleskoopin kohdistus on nyt valmis. Täydellisen tarkastelun jälkeen observatorion on vahvistettu pystyvän kaappaamaan teräviä, hyvin tarkennettuja kuvia kaikilla neljällä tutkimusinstrumentillaan. Teleskoopin kohdistamisen seitsemännen ja viimeisen vaiheen päätyttyä ryhmä piti joukon tärkeitä päätöskokouksia ja yksimielisesti päätti, että Webb on valmis siirtymään eteenpäin seuraavaan ja viimeiseen valmisteluvaiheeseen, joka on tutkimusinstrumenttien käyttöönotto. Tämä prosessi kestää noin kaksi kuukautta ennen kuin varsinainen havaintotoiminta alkaa kesällä.

Tekniset kuvat terävästi fokusoituneista tähdistä kunkin instrumentin näkökentässä osoittavat, että teleskooppi on täysin kohdistettu ja tarkennettu. Tässä testissä Webb suunnattiin osaan Suuresta Magellanin pilvestä, Linnunradan pienestä satelliittigalaksista, joka tarjoaa satojen tuhansien tähtien tiheän kentän observatorion kaikkien antureiden alueella. Tässä esitettyjen kuvien koot ja sijainnit kuvaavat kunkin Webbin instrumentin suhteellista sijoittelua kaukoputken polttotasossa, ja kukin osoittaa hieman eri taivaan osaan suhteessa toisiinsa.

Webbin kolme kuvantamislaitetta ovat NIRCam (kuvat näkyvät tässä 2 mikronin aallonpituudella), NIRISS (kuva tässä 1,5 mikronia) ja MIRI (7,7 mikronia, pidempi aallonpituus paljastaa säteilyn tähtienvälisistä pilvistä sekä tähtien valosta). 

NIRSpec on pikemminkin spektrografi kuin kuvantamislaite, mutta se voi ottaa kuvia, kuten tässä näkyvän 1,1 mikronin aallonpituudella, kalibrointia ja kohteen etsimistä varten. NIRSpec-tiedon osissa näkyvät tummat alueet johtuvat sen mikrosuljinryhmän rakenteista, joissa on useita satojatuhansia ohjattavia sulkimia, joita voidaan avata tai sulkea sen mukaan, ja näin valita se minkä kohteen valo ohjataan spektrografiin. 

Lopuksi Webbin Fine Guidance Sensor jäljittää opastähtiä osoittaakseen observatorion suunnan tarkasti. Laitteiston kahta anturia ei yleensä käytetä tieteelliseen kuvantamiseen, mutta ne voivat ottaa kalibrointikuvia, kuten tässä näkyvät. Näitä kuvatietoja ei käytetä vain kuvan terävyyden arvioimiseen, vaan myös hienovaraisten kuvan vääristymien ja antureiden välisten kohdistusten tarkkaan mittaamiseen ja kalibrointiin osana Webbin yleistä instrumenttikalibrointiprosessia. Kuva NASA.

___

"Nämä merkittävät testikuvat onnistuneesti kohdistetusta kaukoputkesta osoittavat, mitä ihmiset eri maissa ja mantereilla voivat saavuttaa, kun on olemassa rohkea tieteellinen näkemys maailmankaikkeuden tutkimisesta", sanoi Lee Feinberg, Webbin optisten teleskooppielementtien johtaja NASAn Goddard Space Flight Centeristä.

Teleskoopin optinen suorituskyky on edelleen parempi kuin insinööriryhmän optimistisimmat ennusteet. Webbin peilit keräävät nyt avaruudesta täysin fokusoitua valoa jokaiseen instrumentin käyttöön. Kaikkiin laitteiden kuvanlaatu on "diffraktiorajoitettu", mikä tarkoittaa, että nähtävissä olevien yksityiskohtien tarkkuus on niin hyvä kuin fyysisesti kaukoputken kokoon ja käytettyyn aallonpituuteen nähden on mahdollista. Tästä eteenpäin tehtävät muutokset peilien asentoihin ovat hyvin pieniä, lähinnä säännöllisesti tehtäviä säätöjä ensisijaisiin peilisegmentteihin.

"Kaukoputken suuntauksen valmistuttua ja puolen eliniän ponnistelun myötä roolini James Webb -avaruusteleskooppitehtävässä on päättynyt", sanoi Scott Acton, Webbin aaltorintaman tunnistus- ja ohjaustutkija, Ball Aerospace. "Nämä kuvat ovat muuttaneet perusteellisesti tapaani nähdä maailmankaikkeuden. Meitä ympäröi luomisen sinfonia; galakseja on kaikkialla! Toivon, että jokainen maailmassa voisi nähdä ne."

Nyt Webb-tiimi kiinnittää huomionsa tieteellisten instrumenttien käyttöönottoon. Jokainen instrumentti on erittäin hienostunut sarja ilmaisimia, jotka on varustettu ainutlaatuisilla linsseillä, maskeilla, suodattimilla ja mukautetuilla laitteilla, jotka auttavat niitä tekemään suunniteltuja tieteellisiä havaintoja. Näiden instrumenttien erikoisominaisuudet konfiguroidaan ja niitä käytetään eri yhdistelminä instrumenttien käyttöönottovaiheen aikana, jotta voidaan täysin varmistaa niiden valmius havaintoihin.

Vaikka teleskoopin optisten elementtien kohdistus on valmis, joitain kaukoputken kalibrointitoimia on jäljellä: osana tieteellisten instrumenttien käyttöönottoa kaukoputki suunnataan taivaan eri alueille, jolloin observatorioon osuvan auringonsäteilyn kokonaismäärä vaihtelun myötä laitteiden lämpöstabiilisuus voidaan varmistaa. Webbin tutkimuskäytön aloituksen jälkeenkin huoltohavainnoilla kahden vuorokauden välein tarkistetaan peilien suuntaus ja tarvittaessa tehdään korjauksia.

JWST:n peilien suuntaus aloitettu

James Webb avaruusteleskoopin yksittäisten peilielementtien suuntaus on aloitettu helmikuun 2 päivänä. Suuntaus tehdään siten, että teleskooppi on suunnattu kohti kirkasta HD 84406 -tähteä, jolloin jokainen peilielementti tuottaa siitä oman kuvan. Apupeilin avulla kuvat ohjataan Near Infrared Camera (NIRCam) -instrumenttiin, joka on JWST:n pääkamera. Kamerassa yksittäisten peilielementtien tuottamat kuvat ovat eri kohdissa (koska peilielementtien suuntaukset poikkeavat toisistaan) ja kuvakentässä näkyy 18 tähden kuvaa.

Tähden HD 84406 kahdeksantoista kuvaa. Kuvaan on merkitty peilien tunnukset ja myöskin kuvat, jotka ovat tuleet sivusiivissä olevista peilielementeistä. Kuva NASA.

 
Jotta tutkijat voisivat varmistua, että JWST:n suuntaus olisi kohdallaan, NIRCam varustettiin erityisellä linssillä, joka tuotti kuvan kaikista peilielementeistä. Suuntaus osoittautui kuitenkin hyvin tarkaksi, sillä yksi peilielementeistä on kirkkaampi kuin muut. Se tarkoittaa sitä, että se peilielementti on oikeassa suunnassa kohti tähteä. Ja koska tämä peilielementti sijaitsee peilikentän sisimmällä kehällä, se osoittaa JWST suuntauksen olevan oikea. Suunniteltu suuntauksen etsintä alue oli suunnilleen täysikuun kokoinen (Ø 0,5°), mutta kohde tähti löytyi lähes välittömästi.

Peilielementtien suuntaus tehdään tähtikuvakentän perusteella. Peilielementtien takana on sähkömoottorit, jotka liikuttelevat peilit oikeaan suuntaansa ja tarvittaessa voivat myös muuttaa elementtien kaarevuutta (tarkennusta). Kaikkien peilielementtien suuntaamiseen on varattu aikaa parisen kuukautta. Säätämisen jälkeen lopputuloksessa kaikkien peilielementtien tuottamat kuvat ovat päällekkäin ja kuvakentässä näkyy vain yksi kirkas tähden kuva.

Pääpeilin lisäksi JWST:n kolme muuta havaintoinstrumenttia ei vielä ole saavuttaneet toimintalämpötilaansa. Ne jäähtyvät hiljalleen ja ensimmäisten tieteelliset havainnot näillä laitteilla tehtäneen kesäkuussa.

Kirkas peilielementti osoittaa suoraan suuntaustähteen. Kuva NASA.