Prawdziwa moc wielkiego lustra JWST

Kosmiczny Teleskop im. Jamesa Webba w czasie testów (Fot. NASA) Kosmiczny Teleskop im. Jamesa Webba w czasie testów (Fot. NASA)

Każdy, kto widział Kosmiczny Teleskop im. Jamesa Webba, zapewne zwrócił uwagę na jego ogromne zwierciadło. Zbudowane z osiemnastu segmentów ma w sumie aż 650 cm średnicy. Gigant! Dla porównania główne zwierciadło teleskop im. Hubble’a ma „zaledwie” 240 cm. Od razu nasuwa się pytanie: skoro nowy teleskop ma tak wielkie lustro, to czy dostarczy obrazów, które też będą kilka razy bardziej szczegółowe niż słynne obrazy z „Hubble’a”?

Porównanie rozmiaru JWST i HST oraz średnicy głównych zwierciadeł w teleskopach zainstalowanych na pokładzie tych satelitów. Rys. NASA
Porównanie rozmiaru JWST i HST oraz średnicy głównych zwierciadeł w teleskopach zainstalowanych na pokładzie tych satelitów. Rys. NASA

Cóż… gdyby rozdzielczość zależała wyłącznie od rozmiaru optyki, odpowiedź byłaby prosta i twierdząca. Tymczasem w grę wchodzi jeszcze jeden parametr: długość fali promieniowania, jaka ma być rejestrowana. A to nieco komplikuje sytuację.

W astronomii niewielkie odległości między obiektami na sferze niebieskiej podajemy w sekundach łuku, a więc w mierze kątowej. W takim ujęciu tarcza Księżyca ma średnicę równą 1800 sekundom łuku. Przyjmuje się, że istnieje pewna graniczna odległość kątowa między dwoma punktami, przy której teleskop nie jest w stanie dostrzec tych punktów jako osobne obiekty. Jeśli obiekty (np. dwie gwiazd) są zbyt blisko siebie (zbyt mała odległość kątowa), na obrazie z teleskopu ukażą się jako jeden punkt („zleją się” w jedną gwiazdę). Tę wartość graniczną określa się mianem zdolności rozdzielczej instrumentu i właśnie nią posługują się astronomowie oceniając, który teleskop dostarczy bardziej szczegółowych obrazów ciał niebieskich.

Wspólny mianownik

Jak zmienia się szczegółowość obrazu odległej galaktyki, gdy zwierciadło teleskopu „rośnie” z 2,4 m (teleskop im. Hubble’a) do 6,5 metra (teleskop im. Jamesa Webba)? Odpowiedź kryje się w dwóch pierwszych obrazkach. Obrazek po prawej stronie to symulacja dla hipotetycznego teleskopu, który dysponowałby zwierciadłem o średnicy 12 metrów. Rys. twitter.com/HubbleTelescope.
Jak zmienia się szczegółowość obrazu odległej galaktyki, gdy zwierciadło teleskopu „rośnie” z 2,4 m (teleskop im. Hubble’a) do 6,5 metra (teleskop im. Jamesa Webba)? Odpowiedź kryje się w dwóch pierwszych obrazkach. Obrazek po prawej stronie to symulacja dla hipotetycznego teleskopu, który dysponowałby zwierciadłem o średnicy 12 metrów. Rys. twitter.com/HubbleTelescope.

Jak określić zdolność rozdzielczą teleskopu? Musimy znać średnicę jego zwierciadła oraz określić, w jakim zakresie promieniowania elektromagnetycznego zamierzamy prowadzić obserwacje. Okazuje się bowiem, że długość fali też ma znaczenie, o czym niestety często się zapomina, zestawiając ze sobą teleskopy skonstruowane do obserwacji w zupełnie odmiennych zakresach promieniowania. A właśnie takimi są „Hubble” i „Webb”.

Bezpośrednie porównanie teleskopów im. Hubble’a i im. Webba w aspekcie zdolności rozdzielczej ma sens o tyle, o ile jest wykonywane dla identycznej długości fali. Zakres wspólny dla obydwu obserwatoriów jest niewielki: od 600 do 1700 nanometrów. Gdyby skupić się na wartości środkowej przedziału (1150 nanometrów), zdolność rozdzielcza teleskopu im. Hubble’a wynosi 0,12 sekundy łuku. Jest zatem znacznie mniejsza od tej, jaką znajdujemy dla teleskopu im. Webba: 0,04 sekundy łuku. Możemy więc w pewnym uproszczeniu powiedzieć, że obrazy z „Webba” mogą być (teoretycznie) niemal 10 razy bardziej szczegółowe, niż te z „Hubble’a”  – ale tylko w zakresie ok. 1150 nanometrów.

Szczegółowość w zakresach roboczych

Każde z opisywanych obserwatoriów celuje jednak w inne zakresy widma. Teleskop im Hubble’a skupia się na promieniowaniu widzialnym i tylko trochę zahacza o podczerwień, podczas gdy teleskop im. Webba skupia się na podczerwieni i tylko trochę zahacza o promieniowanie widzialne. Czy nie byłoby więc sensowniejszym porównanie zdolności rozdzielczej obu teleskopów, ale dla ich faktycznych („roboczych”) zakresów spektralnych? Jakie rezultaty byśmy wtedy otrzymali?

Symulacja szczegółowości obrazu Kosmicznego Teleskopu im. Jamesa Webba (dolan grafika), w porównaniu z obserwacją z Kosmicznego Teleskopu im. Hubble’a (górna grafika). W symulacji użyto informacji uzyskanej w tym samym zakresie spektralnym, około 1100-1600 nanometrów, wspólnym dla starego i nowego kosmicznego teleskopu. Rys. STScI
Symulacja szczegółowości obrazu Kosmicznego Teleskopu im. Jamesa Webba (dolna grafika), w porównaniu z obserwacją z Kosmicznego Teleskopu im. Hubble’a (górna grafika). W symulacji użyto informacji uzyskanej w tym samym zakresie spektralnym, około 1100-1600 nanometrów, wspólnym dla starego i nowego kosmicznego teleskopu. Rys. STScI

Dla teleskopu im. Hubble’a za roboczy uznajmy przedział od 200 do 1100 nanometrów (jest obsługiwany przez większość instrumentów satelity). Odpowiadająca mu zdolność rozdzielcza wynosi od 0,02 do 0,12 sekundy łuku. W przypadku teleskopu im. Webba interesują nas dwa zakresy. Pierwszy obejmuje przedział od 600 do 5000 nanometrów i jest wykorzystywany przez urządzenia NIRCam i NIRSpec. Właściwa mu zdolność rozdzielczą waha się od 0,023 do 0,194 sekundy łuku. Zauważmy, że w zasadzie odpowiada to zdolności rozdzielczej teleskopu im. Hubble’a dla jego „roboczego” zakresu promieniowania!

Drugi z kluczowych zakresów teleskopu im. Webba to przedział od 4600 do 28600 nanometrów, obsługiwany przez instrument MIRI. Przesuwamy się głębiej w podczerwień, ale wciąż dysponujemy tym samym, 650-cenymetrowym lustro. Efekt? Zdolność rozdzielcza spada. Waha się teraz w zakresie od 0,18 do 1,11 sekundy łuku. To znacznie mniej, niż oferuje teleskop im. Hubble’a w obsługiwanym przez siebie zakresie widzialnym.

Super-szczegółowy?

Powyższe rozważanie prowadzi do nieco zaskakującego wniosku. Poza niewielkim zakresem promieniowania wspólnego dla obydwu teleskopów, obserwatorium im. Webba dostarczy danych o zbliżonej lub mniejszej rozdzielczości, niż teleskop im. Hubble’a! Konstatacja ta nieco kłóci się z medialnymi doniesiemy, jakoby „następca Hubble’a” miał dokonać rewolucji w astronomii właśnie dzięki super-szczegółowy obrazom uzyskanym dzięki super-wielkiemu zwierciadłu.

Zamieszanie wynika z nadużycia słowa „następca”. Kosmiczny Teleskop im. Jamesa Webba nie jest i nigdy nie miał być następcą Kosmicznego Teleskopu im. Hubble’a. Ma realizować zupełnie inną misję, o czym świadczy chociażby wybór zupełnie innego zakresu promieniowania. 6,5-metrowe lustro zainstalowano nie po to, by pokonać „Hubble’a” w kategorii bardziej szczegółowy obraz. Duże zwierciadło ma zapewnić obrazy równie szczegółowe, jak te z teleskopu im. Hubble’a – ale w podczerwieni.

Teleskop im. Webba należy więc nazwać „odpowiednikiem” teleskopu im. Hubble’a dla zakresu podczerwieni, a nie „następcą”, „zastępcą”, czy „kontynuacją” misji słynnego obserwatorium. Jeśli ktoś chciałby koniecznie wskazać bezpośrednich poprzedników „Webba” (teleskopy operujące w podobnym zakresie widma), to być może powinien skierować uwagę w stronę misji Akari, IRAS, ISO, czy Spitzer. Choć też nie bez zastrzeżeń. Ale to już zupełnie inna historia…