Първите цели на обучение на Джеймс Уеб ще бъдат близо до дома

Астрономите по целия свят кипят от очакване за новата наука, която ще бъде възможна след като космическият телескоп Джеймс Уеб, най-мощният космически телескоп в света, завърши своето въвеждане в експлоатация. След изстрелването на телескопа на 25 декември 2021 г. той разгърна хардуера си в окончателната си конфигурация, достигна последната си орбита около слънцето и завърши подравняването на огледалата си с основната камера, но все още има стъпки като калибрирането на инструментите му, преди да бъде готов за научна употреба.

Веднага след като приключи фазата на въвеждане в експлоатация, която трябва да приключи това лято, ще започнат научните наблюдения. И тук нещата стават вълнуващи, тъй като високата чувствителност на телескопа и инфрачервените възможности ще го позволят за наблюдение на изключително отдалечени обекти, дори по-слаби от тези, наблюдавани от настоящите космически базирани телескопи като Хъбъл. Това ще постави началото на нова ера на астрономическите наблюдения и може да помогне за изследване на теми като широкообхватни като как са се образували първите галактики и дали планетите в други звездни системи имат атмосфера или не.

Бяха избрани тринадесет проекта, за да се тестват възможностите на този чисто нов телескоп през първите пет месеца на операции и както можете да си представите, конкуренцията за това кои проекти трябва да получат първи опити с този нов инструмент беше свиреп.

Повечето от Избрани са 13 проекта ще гледа далечни обекти като черни дупки или далечни галактики. Но един проект ще изглежда по-близо до дома - на Юпитер, точно в нашия космически двор.

За да научите какво се надяват да открият изследователите за този голям, красив газов гигант и да разберете защо такава сравнително близка цел се използва за тестване на такъв мощен телескоп, разговаряхме с астронома от Бъркли Имке де Патер, ръководител на наблюдението на Юпитер екип.

Цяла система за изследване

В сравнение с далечните екзопланети или дори с по-отдалечените планети ледени гиганти в нашата слънчева система, астрономите знаят много за Юпитер. Разполагаме с множество данни за планетата благодарение както на наблюдения от наземни телескопи, така и на мисии като Галилео, която обикаляше около планетата до 2003 г., и Юнона който все още обикаля там в момента.

Но както често се случва с науката, всяка част от данните, които получаваме за планетата, може да повдигне повече въпроси. „Били сме там с няколко космически кораба и сме наблюдавали планетата с Хъбъл и много наземни телескопи на дължини на вълните в електромагнитния спектър (от UV до метри дължини на вълните), така че научихме изключително много за самия Юпитер, неговата атмосфера, вътрешността му и за неговите луни и пръстени“, каза де Патер. „Но всеки път, когато научавате повече, има неща, които все още не разбирате – така че винаги се нуждаете от повече данни.“

Някои от най-големите открити въпроси, които имаме относно Юпитер, се отнасят до него атмосфера, например как топлината се движи между слоевете в атмосферата и как атмосферата взаимодейства с магнитосферата.

Но групата няма да гледа само самия Юпитер, усъвършенствайки детайли като Голямото червено петно ​​(бурна буря, толкова огромна че може да се разглежда като петно, достатъчно голямо, за да погълне цялата Земя) и южния полюс на планетата (с неговия отличителен полярни сияния). Те също така ще разгледат цялата система на Йовиан, включително бледите пръстени на планетата и нейните спътници, включително Йо и Ганимед.

Всяка от тези цели е интригуваща сама по себе си - Йо е най-вулканично активното място в Слънчевата система, например, а Ганимед е единствената луна, за която е известно, че произвежда своя собствена магнитосфера. Взета като цяло, системата Jovian е идеалното място за тестване на границите на възможностите на Webb.

Надникване в инфрачервения лъч

За да научи повече за тези сложни теми, групата на де Патер ще се възползва от инфрачервените възможности на Джеймс Уеб, които позволяват на изследователите да надникнат по-дълбоко в атмосферата на планетата.

Тези възможности позволяват да се изследва атмосферата отвъд това, което би било възможно, като се гледа във видимата светлина с дължина на вълната. „Във видимия диапазон на дължината на вълната виждате основно облаци“, обясни тя. „При инфрачервени дължини на вълните можете да изследвате над облаците и под облаците, в зависимост от дължината на вълната. При различни дължини на вълните можете да видите различни височини в атмосферата, в зависимост от непрозрачността в атмосфера (т.е. колко „светлина“ се абсорбира при определена дължина на вълната определя колко дълбоко човек може да погледне в планета).“

Особено полезни за това изследване ще бъдат средните инфрачервени дължини на вълните, които могат да се видят с помощта на MIRI на Webb или Mid-Infrared Instrument.

„Най-голямото предимство е при средните инфрачервени дължини на вълните“, обясни де Патер. „Можем да наблюдаваме на някои от тези дължини на вълните от земята, но атмосферата на Земята е толкова турбулентна, че това, което получаваме на място, не можем да калибрираме много добре наблюденията.“ Това означава повече несигурност в данни; проблем, който се изостря от фоновото инфрачервено лъчение на Земята.

Но с космически телескоп като James Webb, няма атмосфера и по-малко фонова радиация, която да пречи, а това означава, че събраните данни ще бъдат много по-точни. Освен това Webb предлага изключителна стабилност, което означава, че може да насочва към целта и да не се колебае, благодарение на позиционирането си в пространството. Всичко това означава, че може да събере едни от най-точните досега данни за Юпитер.

Тестване на границите на Webb

Когато се оценяват предложенията за това как може да се използва Джеймс Уеб, обясни де Патер, комисията взема решение кои проекти да преследват първо искаха да видят идеите на астрономическата общност за това какво може телескопът направи. „Така че те наистина търсеха проекти, които тласкаха JWST до границите“, каза тя. „Това е, което прави нашият проект.“

Те ще използват и четирите инструмента на Webb в различни комбинации за различни цели в системата, за да избират различни характеристики като вулкани, пръстени и слоеве от атмосферата на планетата.

Планът беше да се наблюдава Юпитер, неговите пръстени и неговите луни Йо и Ганимед, но няколко години след като екипът представи тяхното предложение възникна неочакван проблем - телескопът всъщност беше твърде чувствителен за голяма част от планираната работа Юпитер. „Телескопът беше много по-чувствителен, отколкото очакваха, така че трябваше да променим някои от нашите наблюдения върху Юпитер - и можем да направим по-малко върху самия Юпитер, отколкото първоначално очаквахме.“

Но екипът все още знаеше, че може да получи ценни данни и да намери начини да свърши работата, която иска. Те промениха фактори като кои филтри ще използват и разгледаха по-малки зрителни полета.

Защо Юпитер предоставя такова предизвикателство

Идеята, че телескопът е твърде чувствителен, може да звучи контраинтуитивно. Но помислете за това като за правене на снимка, докато сте изправени пред слънцето: всички цветове се издухват, така че всичко изглежда бяло и измито и е трудно да се видят детайли. Светлината, идваща от слънцето, е твърде ярка, което води до преекспонирано изображение.

Същото се случва и при изучаването на астрономически тела. Планетите не излъчват много светлина в сравнение със звездите, тъй като те не произвеждат собствена светлина, а просто отразяват светлината от своите звезди. Това прави планетите много по-тъмни от звездите като цяло. Но когато гледате малки детайли или търсите още по-малки тела като луни или фини детайли като пръстени, тогава светлината от планета може да създаде отблясъци в данните, които събирате.

Това е голямото предизвикателство, когато използвате Webb за изследване на луните или пръстените на Юпитер: Опитвайки се да позволите светлината от планетата, така че тези малки обекти да могат да се видят в детайли. Юпитер е един от най-ярките обекти в небето, така че това не е лесна задача.

За щастие, астрономите имат много опит в наблюдението на планетарни пръстени с помощта на други инструменти като космическия телескоп Хъбъл. „Така че използваме това знание за наблюденията на JWST“, обясни де Патер. Екипът ще наблюдава пръстените под различни „ъгли на въртене“, което означава, че пръстените ще бъдат изместени в малко по-различна ориентация на детектора. Като наблюдават пръстените под различни ъгли, те могат да видят как разсеяната светлина от планетата пада върху пръстените. Тогава тази светлина може да бъде извадена, оставяйки само светлината от самите пръстени.

Изучаване на планети в нашата слънчева система и извън нея

Използването на Webb за изследване на Юпитер не е само начин да се тестват границите на този чисто нов телескоп. Изучаването на планетите в нашата собствена слънчева система също може да помогне за разбирането на планетите извън нашата слънчева система, наречени екзопланети.

Една от големите цели на науката за екзопланетите днес е да отиде отвъд идентифицирането на планета и оценката й размер или маса и да се изгради по-пълно разбиране за него, като се види дали има атмосфера.

Но за да разберем планетите в далечни системи, помага да разберем планетите в нашата собствена. Webb ще разглежда атмосферите на далечни газови гиганти, които след това можем да сравним с това, което знаем за атмосферите на Юпитер и Сатурн.

Освен това, използвайки Webb за изследване на Юпитер, екипът на de Pater ще разработи набор от инструменти, които могат да бъдат използвани от други в астрономическата общност за изследване на други планети в нашата слънчева система и дават поглед върху това, което Уеб би могъл да открие за тях - включително интригуващите и рядко изучавани далечни планети Уран и Нептун.

„Нашият екип ще разработи софтуер, който може да се използва за системата на Йовиан, но също и за системата на Сатурн, за Уран и Нептун. И можем да покажем на хората какво можете да очаквате въз основа на нашите наблюдения“, каза де Патер. „Това определено е пътеводител по този начин.“

Препоръки на редакторите

• Ето защо учените смятат, че животът може да е процъфтявал на „адската планета“ Венера
• Увеличете мащаба на зашеметяващото изображение на Джеймс Уеб, за да видите галактика, образувана преди 13,4 милиарда години
• Джеймс Уеб забелязва най-отдалечената активна супермасивна черна дупка, откривана някога
• Джеймс Уеб открива улики за мащабната структура на Вселената
• Джеймс Уеб открива важна молекула в зашеметяващата мъглявина Орион