První studijní cíle Jamese Webba budou blízko domova

Astronomové po celém světě hýří očekáváním nové vědy, která bude možná jakmile vesmírný dalekohled Jamese Webba, nejvýkonnější vesmírný dalekohled na světě, dokončí své uvedení do provozu. Od vypuštění dalekohledu 25. prosince 2021 rozvinul svůj hardware do konečné konfigurace, dosáhl konečné oběžné dráhy kolem Slunce a dokončila zarovnání svých zrcadel s primární kamerou, ale ještě zbývají kroky, jako je kalibrace jejích přístrojů, než bude připravena na vědecké využití.

Jakmile bude dokončena fáze uvedení do provozu, která má skončit letos v létě, začnou vědecké pozorování. A to je místo, kde se věci stávají vzrušujícími, protože to umožní vysoká citlivost dalekohledu a infračervené schopnosti k pozorování extrémně vzdálených objektů, dokonce slabších než ty, které pozorují současné vesmírné dalekohledy Hubble. Zahájí to novou éru astronomických pozorování a mohlo by pomoci zkoumat témata jako široký rozsah, jak se formovaly první galaxie a zda planety v jiných hvězdných systémech mají atmosféru nebo ne.

Bylo vybráno třináct projektů, které měly otestovat schopnosti tohoto zbrusu nového dalekohledu během prvních pěti měsíců jeho existence operací, a jak si dokážete představit, soutěž o to, které projekty by měly získat první dibs na tomto novém nástroji, byla divoký.

Většina Vybráno 13 projektů se bude dívat na vzdálené objekty, jako jsou černé díry nebo vzdálené galaxie. Ale jeden projekt bude vypadat blíž k domovu – na Jupiter, přímo na našem kosmickém dvorku.

Abychom se dozvěděli o tom, co vědci doufají, že objeví o tomto velkém, krásném plynném obrovi, a zjistili, proč je tak relativně blízký cíl se používá k testování tak výkonného dalekohledu, mluvili jsme s astronomem z Berkeley Imkem de Paterem, vedoucím pozorování Jupiteru tým.

Celý systém k prozkoumání

Ve srovnání se vzdálenými exoplanetami nebo dokonce vzdálenějšími ledovými obřími planetami v naší sluneční soustavě vědí astronomové o Jupiteru hodně. Máme spoustu dat o planetě díky pozorování z pozemských dalekohledů a misí, jako je Galileo, který kolem planety obíhal až do roku 2003, a Juno který tam nyní stále obíhá.

Ale jak už to ve vědě bývá, každý údaj, který o planetě získáme, může vyvolat další otázky. "Byli jsme tam s několika kosmickými loděmi a pozorovali jsme planetu pomocí Hubblea a mnoha pozemních dalekohledů na vlnových délkách napříč elektromagnetickým spektrem." (od UV po metry vlnových délek), takže jsme se naučili ohromné ​​množství o samotném Jupiteru, jeho atmosféře, vnitřku a o jeho měsících a prstencích,“ řekl de Pater. "Ale pokaždé, když se dozvíte více, jsou věci, kterým ještě nerozumíte - takže vždy potřebujete více dat."

Některé z největších otevřených otázek, které o Jupiteru máme, se týkají jeho atmosféra, například jak se teplo pohybuje mezi vrstvami v atmosféře a jak atmosféra interaguje s magnetosférou.

Ale skupina se nebude dívat jen na samotný Jupiter, ale bude se zaměřovat na detaily, jako je Velká rudá skvrna (turbulentní bouře tak rozlehlá že může být viděn jako místo dostatečně velké na to, aby pohltilo celou Zemi) a jižní pól planety (s jeho charakteristickým polární záře). Budou se také dívat na celý Jovianský systém, včetně slabých prstenců planety a jejích měsíců včetně Io a Ganymedu.

Každý z těchto cílů je zajímavý sám o sobě – například Io je vulkanicky nejaktivnějším místem ve sluneční soustavě a Ganymed je jediným měsícem, o kterém je známo, že produkuje svou vlastní magnetosféru. Jako celek je systém Jovian ideálním místem pro testování limitů Webbových schopností.

Pohled do infračerveného záření

Aby se de Paterova skupina dozvěděla o těchto složitých tématech, využije infračervené schopnosti Jamese Webba, které umožňují výzkumníkům nahlédnout hlouběji do atmosféry planety.

Tyto schopnosti umožňují studovat atmosféru nad rámec toho, co by bylo možné při pohledu na vlnovou délku viditelného světla. "V oblasti viditelné vlnové délky v podstatě vidíte mraky," vysvětlila. „Na infračervených vlnových délkách můžete sondovat nad mraky a pod mraky, v závislosti na vlnové délce. Na různých vlnových délkách můžete vidět různé výšky v atmosféře v závislosti na neprůhlednosti v atmosféře atmosféra (tj. kolik „světla“ je absorbováno na konkrétní vlnové délce určuje, jak hluboko se lze podívat do planeta)."

Zvláště užitečné pro tento výzkum budou střední infračervené vlnové délky, které lze zobrazit pomocí Webbova MIRI nebo Mid-Infrared Instrument.

"Největší výhoda je na středních infračervených vlnových délkách," vysvětlil de Pater. „Některé z těchto vlnových délek můžeme pozorovat ze země, ale zemská atmosféra je tak turbulentní, že co dostaneme na zem, nemůžeme pozorování příliš dobře zkalibrovat.“ To znamená větší nejistotu data; problém, který je umocněn infračerveným zářením na pozadí na Zemi.

Ale s vesmírným dalekohledem, jako je James Webb, se do cesty nedostane žádná atmosféra a méně radiace na pozadí, což znamená, že shromážděná data budou mnohem přesnější. Webb navíc nabízí výjimečnou stabilitu, což znamená, že může mířit na cíl a nezakolísat díky své poloze v prostoru. To vše znamená, že může sbírat některá z dosud nejpřesnějších dat o Jupiteru.

Testování Webbových limitů

Při posuzování návrhů, jak by mohl být použit James Webb, vysvětlil de Pater, výbor rozhodoval které projekty se měly zabývat nejprve chtěly vidět představy astronomické komunity o tom, co by teleskop mohl dělat. "Takže skutečně hledali projekty, které posunuly JWST na hranici možností," řekla. "To je to, co náš projekt dělá."

Budou používat všechny čtyři Webbovy nástroje v různých kombinacích pro různé cíle v systému, aby vybrali různé prvky, jako jsou sopky, prstence a vrstvy atmosféry planety.

V plánu bylo pozorovat Jupiter, jeho prstence a jeho měsíce Io a Ganymede, ale několik let poté, co tým předložil jejich návrh vyvstal neočekávaný problém — dalekohled byl ve skutečnosti příliš citlivý na velkou část plánované práce Jupiter. "Teleskop byl mnohem citlivější, než očekávali, takže jsme museli změnit řadu našich pozorování na Jupiteru - a na samotném Jupiteru můžeme udělat méně, než jsme původně předpokládali."

Ale tým stále věděl, že může získat cenná data a najít způsoby, jak dělat práci, kterou chtějí. Změnili faktory, jako jsou filtry, které použijí, a podívali se na menší zorná pole.

Proč Jupiter představuje takovou výzvu

Myšlenka, že dalekohled je příliš citlivý, může znít neintuitivně. Ale představte si to jako fotografování čelem ke slunci: Všechny barvy jsou vyfouknuté, takže vše vypadá bílé a vybledlé a je těžké vidět jakýkoli detail. Světlo přicházející ze slunce je příliš jasné, což vede k přeexponovanému snímku.

Totéž se děje při studiu astronomických těles. Planety nevydávají mnoho světla ve srovnání s hvězdami, protože neprodukují vlastní světlo, ale pouze odrážejí světlo od svých hvězd. Díky tomu jsou planety celkově mnohem slabší než hvězdy. Ale když se díváte na drobné detaily nebo hledáte ještě menší tělesa, jako jsou měsíce, nebo jemné detaily, jako jsou prstence, pak světlo z planety může vytvořit oslnění v datech, která shromažďujete.

To je velká výzva při použití Webba ke studiu Jupiterových měsíců nebo prstenců: Snažit se umožnit světlo z planety, aby bylo možné tyto malé objekty vidět podrobně. Jupiter je jedním z nejjasnějších objektů na obloze, takže to není snadný úkol.

Naštěstí mají astronomové mnoho zkušeností s pozorováním planetárních prstenců pomocí jiných nástrojů, jako je Hubbleův vesmírný dalekohled. "Takže tyto znalosti používáme pro pozorování JWST," vysvětlil de Pater. Tým bude kroužky pozorovat pod různými „úhly natočení“, což znamená, že kroužky budou na detektoru posunuty do mírně odlišných orientací. Pozorováním prstenců pod různými úhly mohou vidět, jak rozptýlené světlo z planety dopadá na prstence. Poté lze toto světlo odečíst a ponechat pouze světlo ze samotných prstenců.

Studium planet v naší sluneční soustavě i mimo ni

Použití Webba ke studiu Jupiteru není jen způsob, jak otestovat limity tohoto zbrusu nového dalekohledu. Studium planet v naší vlastní sluneční soustavě může také pomoci pochopit planety mimo naši sluneční soustavu, nazývané exoplanety.

Jedním z velkých cílů dnešní vědy o exoplanetách je jít nad rámec identifikace planety a jejího odhadu velikost nebo hmotnost, a vybudovat si jeho úplnější pochopení tím, že se podíváme na to, zda má atmosféra.

Ale abychom porozuměli planetám ve vzdálených systémech, pomůže to pochopit planety v naší vlastní. Webb se bude dívat na atmosféry vzdálených plynných obrů, které pak můžeme porovnat s tím, co známe o atmosférách Jupiteru a Saturnu.

Kromě toho, pomocí Webba ke studiu Jupiteru, de Paterův tým vyvine sadu nástrojů, které mohou ostatní v astronomické komunitě použít ke studiu jiných planet v naší sluneční soustavy a poskytněte letmý pohled na to, co by o nich mohl Webb objevit – včetně zajímavých a zřídka studovaných vzdálených planet Uran a Neptune.

„Náš tým vyvine software, který lze použít pro systém Jovian, ale také pro systém Saturn, pro Uran a Neptun. A na základě našich pozorování můžeme lidem ukázat, co můžete očekávat,“ řekl de Pater. "V tomto směru je to rozhodně průkopník."

Doporučení redakce

• Zde je důvod, proč si vědci myslí, že život na „pekelné planetě“ Venuši mohl prosperovat
• Přibližte si úchvatný snímek Jamese Webba a uvidíte galaxii, která vznikla před 13,4 miliardami let
• James Webb zahlédl nejvzdálenější aktivní supermasivní černou díru, která byla kdy objevena
• James Webb zaznamenává vodítka k rozsáhlé struktuře vesmíru
• James Webb detekuje důležitou molekulu v ohromující mlhovině Orion