Jak bude vesmírný dalekohled Jamese Webba lovit exoplanety

Když čerstvě vypuštěný vesmírný dalekohled Jamese Webba plně rozvine a zpřístupní online, nebude to jen další nástroj pro astronomy k průzkumu vesmíru. Díky své nejmodernější spektroskopické technologii bude schopen nahlédnout do temnoty vesmíru a vidět vzdálené objekty podrobněji než kdy předtím – mnohem více než jeho předchůdce, Hubbleův vesmír Dalekohled. Změní to naše chápání exoplanet a mohlo by nám to dokonce pomoci dozvědět se, odkud jsme přišli a kde jinde ve vesmíru by mohlo být obyvatelné.

Abychom získali přehled o tom, jak nám vesmírný teleskop Jamese Webba pomůže studovat rotující koule hornin bilionů mil daleko (a proč to astronomové chtějí), mluvili jsme se dvěma výzkumníci, kteří budou spolupracovat s Jamesem Webbem po nasazení: Néstor Espinoza z Space Telescope Science Institute a Antonella Nota z Evropské vesmírné agentury (ESA).

Obrovský skok vpřed

V posledních letech vědci identifikovali planety mimo naši sluneční soustavu pomocí dalekohledů, jako je např TESS (satelit pro průzkum tranzitujících exoplanet) nebo Vesmírný dalekohled Kepler. Tito jsou schopni se podívat na nejjasnější hvězdy a vidět změny v jejich jasnosti, když mezi nimi a námi přechází planeta pomocí techniky zvané tranzitní způsob. Jedná se o působivý počin vědeckého pozorování, ale neřekne nám toho mnoho o tom, jaké jsou tyto planety - pouze jejich přibližná velikost a příležitostně jejich hmotnost.

Pokud chceme vědět, jaká je planeta – má atmosféru? z čeho se skládá? jsou na obloze mraky? je tam voda? – musíme se dívat mnohem, mnohem podrobněji. To je to, co Webb udělá, ale je to obrovská technická výzva. To je důvod, proč NASA, ESA a Kanadská vesmírná agentura (CSA) spolupracují na tomto projektu.

"Webb je stokrát citlivější než Hubble, a díky tomu bude Webb schopen odhalit." nejslabší detaily v nejvzdálenějších koutech velmi vzdáleného vesmíru, s vynikajícím rozlišením,“ Nota vysvětlil.

Zatímco Hubble byl zvyklý dozvědět se více o exoplanetách, Espinoza řekl: „Pohled, který vám to dává, je velmi úzký. Možná vám to dá jednu vlastnost." Pro srovnání, řekl, Webb bude „ohromující“, což nám umožní vidět několik objektů najednou a podívat se na menší planety. "Bude to naše první změna, abychom se podívali na menší planety do velkých detailů."

Hubble také pracuje na vlnové délce viditelného světla a zachycuje obrazy v rozsahu světla, který můžeme vidět. Ale James Webb bude pracovat v infračervené vlnové délce, která dokáže vybrat různé funkce a nahlédnout skrz zatemňující prach a „otevřít okno do vesmíru, který bude zcela nový“, jako Nota položit to.

Hubble a Webb budou moci spolupracovat a shromažďovat doplňková data o stejných cílech. Takže pokud máte rádi krásné snímky vesmíru zachycené Hubbleem, nebojte se, tyto nezmizí. Jednoduše získáme další nástroj pro ještě hlubší porozumění.

„James Webb bude revoluční. Doslova revoluční,“ řekl Espinoza. „Umožní nám to vidět věci, které jsme dlouho očekávali, že zjistíme, ale ne měl technologii vidět, a jsem si docela jistý, že odhalí věci, na které nemyslíme z."

Aktualizace technologie HST z 80. let

Vědci odvedli pozoruhodnou práci při hledání a učení se o exoplanetách pomocí aktuálně dostupných přístrojů, přičemž dosud objevili přes 4000 exoplanet. Toto pole je však velmi nedávné, první planety mimo naši sluneční soustavu byly identifikovány v 90. letech 20. století. To znamená, že mnoho přístrojů současné generace, jako je Hubble, nebylo nikdy navrženo s ohledem na studie exoplanet.

"Hubble je technologie 80. let," řekl Espinoza. „Nic proti 80. létům – miluji 80. léta, zvláště hudbu! – ale technologie se hodně vyvinula. Typy detektorů, které jsme tehdy měli, nejsou ničím ve srovnání s těmi, které máme nyní.“

Na druhou stranu James Webb byl navržen se specifickým záměrem, aby mohl být použit pro charakterizaci exoplanet, a to bylo v popředí jeho konstrukčních principů. Když například Webb ukazuje na hvězdu, ukáže na konkrétní pixel s velmi vysokou přesností a nebude vůbec pohybovat, což umožňuje výzkumníkům velmi přesně měřit jakékoli poklesy jasu, které by mohly napovědět o planetě uvnitř obíhat.

Tato úroveň přesnosti umožňuje Webbovi provádět jeho nejzajímavější funkci související s exoplanetou: Zjišťovat, zda má exoplaneta atmosféru a z čeho se tato atmosféra skládá. "Malé detaily, na kterých záleží, když se snažíte detekovat atmosféru exoplanet," vysvětlil Espinoza.

Zkoumání exoplanet pomocí infračerveného světla

I když výzkumníci na některé přišli velmi kreativní způsoby na detekovat atmosféru exoplanet, není to něco, k čemu byly současné nástroje navrženy. To je důvod, proč budou schopnosti Webba tak revoluční.

Aby mohl Webb nahlédnout do vesmíru, má čtyři přístroje, které se budou dívat v infračervené vlnové délce. Patří mezi ně Near-Infrared Camera (NIRCam) a Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Pak je tu Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager a Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), které, jak jejich název napovídá, budou vypadat v blízkém infračerveném pásmu. Konečně je tu Mid-Infrared Instrument (MIRI), který vypadá v širokém rozsahu ve vzdálené infračervené oblasti.

Jedná se však o citlivé nástroje a ke svému fungování vyžadují pečlivě udržované prostředí. Technologie kolem nich tedy musí být také špičková.

„Webb je plný až po okraj nové, komplexní technologie, od citlivých IR detektorů až po pětivrstvou tenkou Kaptonovou sluneční clonu velikosti tenisového kurtu, která bude chránit přístrojové vybavení ze slunečního záření a umožní dalekohledu a detektorům dosáhnout nízké teploty nutné pro pozorování v infračerveném záření,“ Nota řekl.

Poukázala také na jemné detaily na přístrojích, jako je mikrospoušť NIRSpec, což je sada malých okenních oken o velikosti několika lidských vlasů. To umožní přístroji pozorovat stovky objektů současně. "Absolutně první ve vesmírné astronomii, kde se spektroskopie tradičně provádí jeden objekt po druhém," řekl Nota.

Pochopení, odkud jsme přišli

Impulsem zjistit, zda má vzdálená planeta atmosféru, není jen vědecký rozmach nebo planá zvědavost, jaká tato vzdálená místa jsou. Spíše je klíčem k pochopení toho, jak se vytvářejí planety – včetně té naší.

Pokud jde o pochopení toho, jak vznikla naše sluneční soustava, výzkumníci spouštějí modely a snaží se zjistit, jak jsme mohli skončit se složením planet, které vidíme. "Ale v současné době máme vzorek o velikosti jedna," zdůraznil Espinoza. "Naše sluneční soustava." A je to. Nyní jsme v době, kdy můžeme nahlédnout do složení jiných slunečních soustav. A to, jak se planety tvoří, definuje jejich chemické složení.

Když se tedy podíváme na atmosféru vzdálené exoplanety, dozvíme se, jak vznikla. A z toho si můžeme vytvořit obrázek o tom, jak se planety a sluneční soustavy formují, na základě více případů, než jen ten na našem dvorku. "Takže získat tyto náznaky signatur formace v těchto exoplanetách prostřednictvím chemie, kterou na nich pozorujeme." Atmosféra je pro nás naprosto zásadní, abychom pochopili, jak vznikly, a tedy jak jsme vznikli,“ říká řekl.

Lov za obyvatelností

Snad nejvíce vzrušujícím důvodem, proč se podívat na atmosféry exoplanet, je pochopit, kde jinde ve vesmíru by mohl vzkvétat život. "Jednou z klíčových otázek, které bude Webb studovat, je původ života," řekl Nota. „Existuje obrovská rozmanitost exo-světů, víc, než jsme si dokázali představit. V těsné blízkosti své hvězdy obíhají plynné planety velikosti Jupitera, obrovské kamenné „superzemě“ a „teplé Neptuni.“ Některé z nich mohou mít správné teplotní podmínky a správné složení k hostiteli život."

Espinoza řekl, že k určení, zda je planeta obyvatelná, nestačí jen znát její velikost a hmotnost. Když totiž najdeme planetu, která je velká jako Země a má podobnou hmotnost, lidé často předpokládají, že to bude místo podobné Zemi. Ale Venuše a Mars mají zhruba podobnou velikost a hmotnost jako Země a mají atmosféru, která je pro naši formu života extrémně nehostinná. "Venuše je nejhorší místo, kam jít na dovolenou!" vtipkoval, s jeho nesmírným tlakem a toxickou atmosférou plnou oxidu uhličitého. Mars na tom není o moc lépe, s jeho extrémně tenkou, nedýchatelnou atmosférou, která je pouze 1% hustoty naší atmosféry na Zemi.

Potřebujeme tedy vědět o atmosférách, abychom věděli, zda je jednotlivá planeta obyvatelná. A co je ještě důležitější, abychom získali odhad, kolik obyvatelných planet by tam mohlo být, potřebujeme vědět, jaké typy atmosfér jsou typické pro planety velikosti jako naše. "Jaká je nejčastější atmosféra, kterou příroda vytváří?" zeptal se Espinoza. "Mohlo by to být podobné Venuši nebo Marsu a Země je odlehlá." Nebo to může být tak, že typické zemské atmosféry a počet potenciálně obyvatelných planet tam venku je obrovský.

Zasahovat do neznáma

Webb se nebude dívat pouze na exoplanety. Bude provádět širokou škálu výzkumu, od pohledu zpět do nejranějších fází vesmíru, aby viděl formující se první galaxie, až po sledování toho, jak se hvězdy rodí z vířícího prachu a plynu. S jeho plánován první rok vědeckých operací, jen škrábeme na povrch, k čemu by se dal tento nový nástroj použít. Budeme muset počkat a uvidíme, jaké další astronomické zázraky bude schopen rozluštit.

"Myslím, že největším objevem bude ten, který nikdo neočekává," řekl Nota. "Ten, který změní způsob, jakým vidíme vesmír, ten, který možná jednou provždy určí, jaké je naše místo ve vesmíru."

Doporučení redakce

• James Webb zahlédl prastarý prach, který by mohl pocházet z nejstarších supernov
• 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