James Webbs første studiemål vil være tæt på hjemmet

Astronomer verden over summer af forventning til den nye videnskab, der bliver mulig når James Webb Space Telescope, verdens mest kraftfulde rumteleskop, fuldfører sit idriftsættelse. Siden teleskopet blev opsendt den 25. december 2021, har det foldet sin hardware ud til sin endelige konfiguration, nået sin endelige bane omkring solen og afsluttet med at justere sine spejle med sit primære kamera, men der er stadig trin som kalibrering af dets instrumenter tilbage, før det er klar til videnskabelig brug.

Så snart idriftsættelsesfasen er afsluttet, som forventes afsluttet til sommer, begynder de videnskabelige observationer. Og det er her, tingene bliver spændende, da teleskopets høje følsomhed og infrarøde egenskaber gør det muligt at observere ekstremt fjerne objekter, endda svagere end dem, der observeres af nuværende rumbaserede teleskoper som f.eks Hubble. Det vil indlede en ny æra af astronomiske observationer og kan hjælpe med at undersøge emner som vidtspændende som, hvordan de første galakser blev dannet, og om planeter i andre stjernesystemer har atmosfærer eller ikke.

Tretten projekter er blevet udvalgt til at teste dette splinternye teleskops muligheder i dets første fem måneder af operationer, og som du kan forestille dig, var konkurrencen om, hvilke projekter der skulle få første dibs på dette nye værktøj voldsom.

Det meste af 13 projekter udvalgt vil se på fjerne objekter som sorte huller eller fjerntliggende galakser. Men et projekt vil se tættere på hjemmet - ved Jupiter, lige i vores kosmiske baghave.

For at lære om, hvad forskere håber at opdage om denne store, smukke gasgigant, og for at finde ud af, hvorfor et så relativt tæt mål bliver brugt til at teste et så kraftigt teleskop, talte vi med Berkeley-astronomen Imke de Pater, leder af Jupiter-observationen hold.

Et helt system at udforske

Sammenlignet med fjerne exoplaneter eller endda de fjernere isgigantiske planeter i vores solsystem, ved astronomer meget om Jupiter. Vi har masser af data om planeten takket være både observationer fra jordbaserede teleskoper og missioner som Galileo, der kredsede om planeten indtil 2003, og Juno som stadig kredser der nu.

Men som det ofte er tilfældet med videnskab, kan hvert stykke data, vi får om planeten, rejse flere spørgsmål. "Vi har været der med adskillige rumfartøjer og har observeret planeten med Hubble og mange jordbaserede teleskoper ved bølgelængder på tværs af det elektromagnetiske spektrum (fra UV til meter bølgelængder), så vi har lært enormt meget om Jupiter selv, dens atmosfære, indre og om dens måner og ringe,” sagde de Pater. "Men hver gang du lærer mere, er der ting, du endnu ikke forstår - så du har altid brug for flere data."

Nogle af de største åbne spørgsmål, vi har om Jupiter, vedrører dens atmosfære, som hvordan varme bevæger sig mellem lag i atmosfæren, og hvordan atmosfæren interagerer med magnetosfæren.

Men gruppen vil ikke kun se på selve Jupiter og gribe ind i detaljer som den store røde plet (en turbulent storm så stor at det kan ses som en plet, der er stor nok til at opsluge hele Jorden) og planetens sydlige pol (med dens karakteristiske nordlys). De vil også se på hele det jovianske system, inklusive planetens svage ringe og dens måner inklusive Io og Ganymedes.

Hvert af disse mål er spændende i sig selv - Io er for eksempel det mest vulkansk aktive sted i solsystemet, og Ganymedes er den eneste måne, der vides at producere sin egen magnetosfære. Som helhed er Jovian-systemet det ideelle sted at teste grænserne for Webbs muligheder.

Kigger ind i det infrarøde

For at hjælpe med at lære om disse komplekse emner vil de Paters gruppe drage fordel af James Webbs infrarøde muligheder, som giver forskere mulighed for at se dybere ind i planetens atmosfære.

Disse evner gør det muligt at studere atmosfæren ud over, hvad der ville være muligt ved at se i det synlige lys bølgelængde. "I det synlige bølgelængdeområde ser du dybest set skyer," forklarede hun. "Ved infrarøde bølgelængder kan du sondere over skyerne og under skyerne, afhængigt af bølgelængden. Ved forskellige bølgelængder kan du se forskellige højder i atmosfæren, afhængigt af opaciteten i atmosfæren atmosfære (dvs. hvor meget "lys" der absorberes ved den bestemte bølgelængde bestemmer, hvor dybt man kan se ind i planet)."

Særligt nyttigt til denne forskning vil være de melleminfrarøde bølgelængder, som kan ses ved hjælp af Webbs MIRI eller Mid-Infrared Instrument.

"Den største fordel er ved de mellem-infrarøde bølgelængder," forklarede de Pater. "Vi kan observere nogle af disse bølgelængder fra jorden, men jordens atmosfære er så turbulent, at hvad vi får på jorden, kan vi ikke kalibrere observationerne særlig godt." Det betyder mere usikkerhed i data; et problem, som forværres af den infrarøde baggrundsstråling på Jorden.

Men med et rumbaseret teleskop som James Webb er der ingen atmosfære og mindre baggrundsstråling at komme i vejen, og det betyder, at de indsamlede data vil være meget mere nøjagtige. Derudover tilbyder Webb enestående stabilitet, hvilket betyder, at den kan pege på et mål og ikke vakle, takket være dens placering i rummet. Alt dette betyder, at den kan indsamle nogle af de mest nøjagtige data endnu om Jupiter.

Tester Webbs grænser

Ved vurderingen af ​​forslag til, hvordan James Webb kunne bruges, forklarede de Pater, udvalget tog stilling til hvilke projekter, der skulle forfølges, ønskede først at se astronomisamfundets ideer om, hvad teleskopet kunne gør. "Så de ledte virkelig efter projekter, der skubbede JWST til grænserne," sagde hun. "Det er det, vores projekt gør."

De vil bruge alle fire af Webbs instrumenter i forskellige kombinationer til forskellige mål i systemet for at udvælge forskellige funktioner som vulkaner, ringe og lag af planetens atmosfære.

Planen var at observere Jupiter, dens ringe og dens måner Io og Ganymedes, men flere år efter at holdet indsendte deres forslag opstod et uventet problem — teleskopet var faktisk for følsomt til meget af det planlagte arbejde med Jupiter. "Teleskopet var meget mere følsomt, end de forventede, så vi var nødt til at ændre en række af vores observationer af Jupiter - og vi kan gøre mindre på Jupiter selv, end vi oprindeligt havde forventet."

Men teamet vidste stadig, at de kunne få værdifulde data og finde måder at udføre det arbejde, de ønskede. De ændrede faktorer som hvilke filtre de ville bruge, og så på mindre synsfelter.

Hvorfor Jupiter giver sådan en udfordring

Ideen om, at et teleskop er for følsomt, kan lyde kontraintuitiv. Men tænk på det som at tage et billede, mens du står over for solen: Alle farverne bliver blæst ud, så alt fremstår hvidt og udvasket, og det er svært at se nogen detaljer. Lyset fra solen er bare for stærkt, hvilket fører til et overeksponeret billede.

Det samme sker, når man studerer astronomiske legemer. Planeter afgiver ikke meget lys sammenlignet med stjerner, da de ikke selv producerer lys, men blot reflekterer lys fra deres stjerner. Det gør planeter meget mørkere end stjerner generelt. Men når du kigger på små detaljer eller leder efter endnu mindre kroppe som måner, eller på fine detaljer som ringe, så kan lyset fra en planet skabe blænding i de data, du indsamler.

Det er den store udfordring, når man bruger Webb til at studere Jupiters måner eller ringe: At forsøge at tillade lyset fra planeten, så disse små objekter kan ses i detaljer. Jupiter er et af de lyseste objekter på himlen, så dette er ikke en nem opgave.

Heldigvis har astronomer masser af erfaring med at observere planetringe ved hjælp af andre værktøjer som Hubble-rumteleskopet. "Så vi bruger den viden til JWST-observationerne," forklarede de Pater. Holdet vil observere ringene i forskellige "rullevinkler", hvilket betyder, at ringene vil blive flyttet til lidt forskellige orienteringer på detektoren. Ved at observere ringene i forskellige vinkler kan de se, hvordan det spredte lys fra planeten falder på ringene. Så kan dette lys trækkes fra, så kun lyset fra selve ringene bliver tilbage.

At studere planeter i vores solsystem og videre

At bruge Webb til at studere Jupiter er ikke kun en måde at teste grænserne for dette splinternye teleskop. At studere planeter i vores eget solsystem kan også hjælpe med at forstå planeter uden for vores solsystem, kaldet exoplaneter.

Et af de store mål med exoplanetvidenskab i dag er at gå ud over at identificere en planet og estimere dens størrelse eller masse, og at opbygge en mere fuldstændig forståelse af den ved at se på, om den har en atmosfære.

Men at forstå planeter i fjerne systemer, hjælper det at forstå planeterne i vores egne. Webb vil se på atmosfærerne fra fjerne gasgiganter, som vi så kan sammenligne med, hvad vi kender til atmosfærerne i Jupiter og Saturn.

Ved at bruge Webb til at studere Jupiter vil de Paters team desuden udvikle et sæt værktøjer, som kan bruges af andre i astronomisamfundet til at studere andre planeter i vores solsystem, og giv et glimt af, hvad Webb måske er i stand til at opdage om dem - inklusive de spændende og sjældent studerede fjerne planeter i Uranus og Neptun.

"Vores team vil udvikle software, som kan bruges til det jovianske system, men også til Saturn-systemet, til Uranus og Neptun. Og vi kan vise folk, hvad du kan forvente baseret på vores observationer,” sagde de Pater. "Det er bestemt en stifinder på den måde."

Redaktørens anbefalinger

• Her er grunden til, at videnskabsmænd tror, ​​at livet kan have trivdes på 'helvedesplaneten' Venus
• Zoom ind på det fantastiske James Webb-billede for at se en galakse dannet for 13,4 milliarder år siden
• James Webb får øje på det fjerneste aktive supermassive sorte hul, der nogensinde er opdaget
• James Webb får øje på ledetråde til universets struktur i stor skala
• James Webb opdager vigtigt molekyle i den fantastiske Orion-tåge