كيف سيبحث تلسكوب جيمس ويب الفضائي عن الكواكب الخارجية؟

عندما تلسكوب جيمس ويب الفضائي الذي تم إطلاقه حديثًا إذا انفتحت بالكامل وأصبحت متاحة عبر الإنترنت، فلن تكون مجرد أداة أخرى لعلماء الفلك لاستكشاف الكون. بفضل تقنية التحليل الطيفي المتطورة، سيكون قادرًا على النظر في ظلام الفضاء و رؤية الأجسام البعيدة بتفاصيل أكثر من أي وقت مضى - أكثر بكثير من سابقتها، فضاء هابل تلسكوب. سيحدث ثورة في فهمنا للكواكب الخارجية، ويمكن أن يساعدنا أيضًا في التعرف على المكان الذي أتينا منه وأي مكان آخر في الكون قد يكون صالحًا للسكن.

للحصول على معلومات مفصلة عن الكيفية التي سيساعدنا بها تلسكوب جيمس ويب الفضائي في دراسة الكرات الدوارة من الصخور التي تبعد تريليونات الأميال (ولماذا يريد علماء الفلك ذلك)، تحدثنا إلى اثنين الباحثون الذين سيعملون مع جيمس ويب بعد النشر: نيستور إسبينوزا من معهد علوم التلسكوب الفضائي وأنتونيلا نوتا من وكالة الفضاء الأوروبية (إيسا).

قفزة عملاقة إلى الأمام

في السنوات الأخيرة، حدد الباحثون الكواكب خارج نظامنا الشمسي باستخدام التلسكوبات مثل

تيس (القمر الصناعي العابر لمسح الكواكب الخارجية) أو تلسكوب كيبلر الفضائي. وهي قادرة على النظر إلى ألمع النجوم ورؤية التغيرات في سطوعها عندما يمر كوكب بينها وبيننا باستخدام تقنية تسمى طريقة العبور. يعد هذا إنجازًا مثيرًا للإعجاب في مجال المراقبة العلمية، لكنه لا يخبرنا كثيرًا عن شكل تلك الكواكب، بل يخبرنا فقط عن حجمها التقريبي وأحيانًا كتلتها.

إذا أردنا أن نعرف شكل الكوكب، فهل له غلاف جوي؟ مما تتكون؟ هل هناك غيوم في السماء؟ هل يوجد ماء هناك؟ - نحن بحاجة إلى النظر في تفاصيل أكبر بكثير. وهذا ما سيفعله ويب، لكنه يمثل تحديًا تقنيًا هائلاً. ولهذا السبب تعمل وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية ووكالة الفضاء الكندية (CSA) معًا في هذا المشروع.

"إن ويب أكثر حساسية بمئة مرة من هابل، ولهذا السبب، سيكون ويب قادرًا على الكشف عن أدق التفاصيل في أبعد أركان الكون البعيد جدًا، بدقة رائعة.» نوتا شرح.

في حين تم استخدام هابل ل تعلم المزيد عن الكواكب الخارجية، قال إسبينوزا: «النظرة التي يقدمها لك ضيقة جدًا. ربما يمنحك ميزة واحدة." وقال إنه بالمقارنة، فإن ويب سيكون "مذهلاً للغاية"، مما يسمح لنا برؤية العديد من الميزات في وقت واحد وبالنظر إلى الكواكب الأصغر. "سيكون تغييرنا الأول هو النظر إلى الكواكب الصغيرة بتفاصيل كبيرة."

يعمل هابل أيضًا في الطول الموجي للضوء المرئي، حيث يلتقط صورًا في نطاق الضوء الذي يمكننا رؤيته. لكن جيمس ويب سيعمل في مجال الأشعة تحت الحمراء، والذي يمكنه التقاط ميزات وميزات مختلفة انظر من خلال الغبار المعتم، "وفتح نافذة على الكون الذي سيكون جديدًا تمامًا"، كما تقول نوتا ضعه.

سيكون بمقدور هابل وويب العمل معًا، وجمع بيانات تكميلية حول نفس الأهداف. لذلك إذا كنت تحب صور جميلة للفضاء التقطها هابل، لا تقلق، هذه لن تختفي. سنكتسب ببساطة أداة أخرى لفهم أعمق.

"جيمس ويب سيكون ثوريا. قال إسبينوزا: “إنه ثوري حرفيًا”. "سيسمح لنا برؤية الأشياء التي كنا نتوقع اكتشافها لفترة طويلة ولكننا لم نفعل ذلك" كانت لدينا التكنولوجيا اللازمة لرؤيتها، وأنا متأكد تمامًا من أنها ستكتشف الأشياء التي لا نفكر فيها ل."

تحديث تكنولوجيا هابل في الثمانينات

لقد قام الباحثون بعمل رائع في العثور على الكواكب الخارجية والتعرف عليها باستخدام الأدوات المتاحة حاليًا، واكتشفوا أكثر من 4000 كوكب خارجي حتى الآن. ومع ذلك، فإن هذا المجال حديث جدًا، حيث تم التعرف على الكواكب الأولى خارج نظامنا الشمسي في التسعينيات. وهذا يعني أن العديد من أدوات الجيل الحالي، مثل هابل، لم يتم تصميمها أبدًا مع أخذ دراسات الكواكب الخارجية في الاعتبار.

قال إسبينوزا: "إن هابل هو تقنية الثمانينات". "لا شيء ضد الثمانينات - أنا أحب الثمانينات، وخاصة الموسيقى! – ولكن التكنولوجيا تطورت كثيرا. إن نوع أجهزة الكشف التي كانت لدينا في ذلك الوقت لا يقارن بنوع أجهزة الكشف التي لدينا الآن.

من ناحية أخرى، تم تصميم جيمس ويب بهدف محدد لاستخدامه في توصيف الكواكب الخارجية، وكان ذلك في طليعة مبادئ التصميم الخاصة به. على سبيل المثال، عندما يشير Webb إلى نجم، فإنه سيشير إلى بكسل معين بدقة عالية جدًا ولن يفعل ذلك تتحرك على الإطلاق، مما يسمح للباحثين بقياس أي انخفاضات في السطوع بدقة شديدة والتي يمكن أن تعطي أدلة على كوكب ما يدور في مدار.

يسمح هذا المستوى من الدقة لـ Webb بأداء وظيفته الأكثر إثارة المتعلقة بالكواكب الخارجية: اكتشاف ما إذا كان الكوكب الخارجي لديه غلاف جوي، ومما يتكون هذا الغلاف الجوي. وأوضح إسبينوزا: "التفاصيل الصغيرة مهمة للغاية عندما تحاول اكتشاف الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية".

استكشاف الكواكب الخارجية باستخدام الأشعة تحت الحمراء

على الرغم من أن الباحثين توصلوا إلى بعض طرق مبتكرة للغاية ل الكشف عن أجواء الكواكب الخارجية، إنه ليس شيئًا صُممت الأدوات الحالية للقيام به. ولهذا السبب ستكون قدرات ويب ثورية للغاية.

للتعمق في الكون، يمتلك ويب أربع أدوات ستبحث في الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء. وهي تشمل كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRCam) ومطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRSpec). ثم هناك مستشعر التوجيه الدقيق/التصوير بالأشعة تحت الحمراء القريبة ومقياس الطيف بدون شق (FGS/NIRISS)، والذي، كما تشير أسماؤهم، سيبحث في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة. وأخيرًا، هناك أداة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI)، التي تنظر عبر نطاق واسع في الأشعة تحت الحمراء البعيدة.

ولكن هذه أدوات حساسة، وتتطلب بيئة يتم صيانتها بعناية لكي تعمل. لذلك يجب أن تكون التكنولوجيا المحيطة بهم متطورة أيضًا.

"Webb مليء بالتكنولوجيا الجديدة والمعقدة، بدءًا من أجهزة الكشف عن الأشعة تحت الحمراء الحساسة، وحتى درع Kapton الشمسي الرقيق المكون من خمس طبقات بحجم ملعب التنس والذي سيحمي الأجهزة من الإشعاع الشمسي وسيسمح للتلسكوب والكاشفات بالوصول إلى درجة الحرارة الباردة اللازمة لمراقبتها بالأشعة تحت الحمراء. قال.

وأشارت أيضًا إلى التفاصيل الدقيقة للأدوات، مثل مجموعة المصراع الدقيق من NIRSpec، وهي عبارة عن مجموعة من النوافذ المغلقة الصغيرة بحجم بضعة شعرات بشرية. سيسمح ذلك للأداة بمراقبة مئات الأشياء في نفس الوقت. وقال نوتا: "إنها سابقة مطلقة في علم الفلك الفضائي، حيث يتم إجراء التحليل الطيفي تقليديًا لجسم واحد في كل مرة".

فهم من أين أتينا

إن الدافع لمعرفة ما إذا كان لكوكب بعيد غلاف جوي ليس مجرد ازدهار علمي، أو فضول خامل حول ما تبدو عليه هذه الأماكن البعيدة. بل إنه مفتاح لفهم كيفية إنشاء الكواكب، بما في ذلك كوكبنا.

عندما يتعلق الأمر بفهم كيفية تشكل نظامنا الشمسي، يقوم الباحثون بتشغيل النماذج ومحاولة معرفة كيف يمكن أن نصل في النهاية إلى تكوين الكواكب التي نراها. وأشار إسبينوزا: "لكن لدينا حاليًا عينة بحجم واحد". "نظامنا الشمسي. هذا كل شيء. نحن الآن في عصر يمكننا فيه النظر في تركيبات الأنظمة الشمسية الأخرى. وكيفية تشكل الكواكب تحدد تركيبها الكيميائي.

لذلك عندما ننظر إلى الغلاف الجوي لكوكب بعيد خارج المجموعة الشمسية، نتعرف على كيفية نشوئه. ومن ذلك، يمكننا بناء صورة لكيفية تشكل الكواكب والأنظمة الشمسية بناءً على حالات أكثر من تلك الموجودة في ساحتنا الخلفية. "لذا فإن الحصول على هذه التلميحات لتوقيعات التكوين في هذه الكواكب الخارجية من خلال الكيمياء التي نلاحظها فيها إن الأجواء أمر أساسي للغاية بالنسبة لنا لفهم كيف جاءت إلى الوجود، وبالتالي كيف وصلنا إلى هذا الوجود قال.

البحث عن السكنى

ربما يكون السبب الأكثر إثارة للنظر إلى الأغلفة الجوية للكواكب الخارجية هو فهم أي مكان آخر في الكون يمكن أن تزدهر فيه الحياة. وقال نوتا: "أحد الأسئلة الرئيسية التي سيدرسها ويب هو أصل الحياة". "هناك أنواع هائلة من العوالم الخارجية، أكثر مما كنا نتخيله. هناك كواكب غازية بحجم المشتري تدور بالقرب من نجمها، و"أرض عملاقة" صخرية ضخمة، و"أرض دافئة" "نبتونات." وقد تتمتع بعض هذه الكواكب بظروف درجة الحرارة المناسبة والتركيبة المناسبة لاستضافةها حياة."

لكن لتحديد ما إذا كان الكوكب صالحًا للسكن أم لا، لا يكفي مجرد معرفة حجمه وكتلته، كما يقول إسبينوزا. ففي النهاية، عندما نجد كوكبًا بحجم الأرض وله كتلة مماثلة، غالبًا ما يفترض الناس أنه سيكون مكانًا مشابهًا للأرض. لكن كوكب الزهرة والمريخ لهما حجم وكتل مماثلان تقريبًا للأرض، ولديهما غلاف جوي غير مضياف للغاية لشكل حياتنا. "الزهرة هو أسوأ مكان للذهاب إليه في إجازة!" قال مازحا، بضغطها الهائل وأجواءها السامة المليئة بثاني أكسيد الكربون. المريخ ليس أفضل بكثير، بغلافه الجوي الرقيق للغاية وغير القابل للتنفس، والذي تبلغ كثافته 1٪ فقط من غلافنا الجوي على الأرض.

لذا، نحن بحاجة إلى معرفة الغلاف الجوي لمعرفة ما إذا كان كوكب بعينه صالحًا للحياة أم لا. والأهم من ذلك، للحصول على تقدير لعدد الكواكب الصالحة للحياة التي يمكن أن تكون موجودة، نحتاج إلى معرفة أنواع الغلاف الجوي النموذجية للكواكب ذات الحجم مثل كوكبنا. "ما هو الجو الأكثر شيوعا الذي تشكله الطبيعة؟" - سأل اسبينوزا. "يمكن أن يكون مثل كوكب الزهرة أو المريخ، والأرض هي حالة ناشزة." أو ربما تكون الأجواء الشبيهة بالأرض نموذجية، وعدد الكواكب التي يحتمل أن تكون صالحة للسكن هناك ضخم.

الوصول إلى المجهول

لن ينظر ويب فقط إلى الكواكب الخارجية. وسيقوم المسبار بإجراء مجموعة كبيرة من الأبحاث، بدءًا من النظر إلى المراحل الأولى للكون لرؤية المجرات الأولى التي تشكلت، وحتى مشاهدة كيفية ولادة النجوم من دوامات الغبار والغاز. مع ل السنة الأولى من العمليات العلمية المخطط لها، نحن فقط نكتشف السطح الذي يمكن استخدام هذه الأداة الجديدة من أجله. سيتعين علينا أن ننتظر ونرى ما هي العجائب الفلكية الأخرى التي سيتمكن من كشفها.

وقال نوتا: "أعتقد أن الاكتشاف الأكبر سيكون ذلك الذي لا يتوقعه أحد". "الكتاب الذي سيغير الطريقة التي نرى بها الكون، الكتاب الذي سيحدد، ربما مرة واحدة للأبد، مكاننا في الكون."

توصيات المحررين

• اكتشف جيمس ويب غبارًا قديمًا قد يكون من أقدم المستعرات الأعظم
• قم بتكبير صورة جيمس ويب المذهلة لرؤية مجرة ​​تشكلت قبل 13.4 مليار سنة
• اكتشف جيمس ويب أبعد ثقب أسود فائق الكتلة ونشط تم اكتشافه على الإطلاق
• اكتشف جيمس ويب أدلة على البنية واسعة النطاق للكون
• اكتشف جيمس ويب جزيئًا مهمًا في سديم أوريون المذهل