Hvordan James Webb-rumteleskopet vil jage efter exoplaneter

Når nyopsendt James Webb Space Telescope udfolder sig fuldt ud og kommer online, vil det ikke bare være endnu et værktøj for astronomer til at udforske universet. Med sin banebrydende spektroskopiteknologi vil den være i stand til at kigge ud i rummets mørke og se fjerne objekter mere detaljeret end nogensinde før - langt mere end sin forgænger, Hubble Space Teleskop. Det kommer til at revolutionere vores forståelse af exoplaneter, og det kan endda hjælpe os med at lære om, hvor vi kom fra, og hvor andre i universet kan være beboelige.

For at få et overblik over, hvordan James Webb-rumteleskopet vil hjælpe os med at studere roterende kugler af klippebillioner kilometer væk (og hvorfor astronomer ønsker det), talte vi med to forskere, der vil arbejde med James Webb efter udsendelsen: Néstor Espinoza fra Space Telescope Science Institute og Antonella Nota fra European Space Agency (ESA).

Et kæmpe spring fremad

I de senere år har forskere identificeret planeter uden for vores solsystem ved hjælp af teleskoper som TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) eller Kepler rumteleskop. Disse er i stand til at se på de allerlyseste stjerner og se ændringer i deres lysstyrke, når en planet passerer mellem dem og os ved hjælp af en teknik kaldet transitmetode. Dette er en imponerende præstation af videnskabelig observation, men det fortæller os ikke meget om, hvordan disse planeter er - bare deres omtrentlige størrelse og nogle gange deres masse.

Hvis vi vil vide, hvordan en planet er - har den en atmosfære? hvad er det sammensat af? er der skyer på himlen? er der vand der? - Vi skal se meget, meget mere detaljeret. Det er, hvad Webb vil gøre, men det er en massiv teknisk udfordring. Det er derfor, NASA, ESA og den canadiske rumfartsorganisation (CSA) alle arbejder sammen om dette projekt.

"Webb er hundrede gange mere følsom end Hubble, og på grund af det vil Webb være i stand til at afsløre de mindste detaljer i de fjerneste afkroge af det meget fjerne univers, med udsøgt opløsning,” Nota forklaret.

Mens Hubble har været vant til lære mere om exoplaneter, Espinoza sagde, "synet, som det giver dig, er meget snævert. Det giver dig måske én funktion." Til sammenligning, sagde han, vil Webb være "mind-blowing", hvilket giver os mulighed for at se flere funktioner på én gang og se på mindre planeter. "Det bliver vores første ændring at se på mindre planeter i store detaljer."

Hubble arbejder også i det synlige lyss bølgelængde og tager billeder i det lysområde, vi kan se. Men James Webb vil arbejde i den infrarøde bølgelængde, som kan udvælge forskellige funktioner og kig gennem slørende støv, "åbner et vindue ind i universet, der vil være helt nyt," som Nota Læg det.

Hubble og Webb vil være i stand til at arbejde sammen og indsamle supplerende data om de samme mål. Så hvis du elsker smukke billeder af rummet taget af Hubble, bare rolig, disse forsvinder ikke. Vi får simpelthen endnu et værktøj til endnu dybere forståelse.

“James Webb bliver revolutionær. Bogstaveligt talt revolutionært,” sagde Espinoza. "Det vil give os mulighed for at se ting, som vi har forventet at opdage i lang tid, men som vi ikke har havde teknologien til at se, og jeg er ret sikker på, at den vil opdage ting, som vi ikke tænker på af."

Opdatering af Hubbles 1980'er-teknologi

Forskere har gjort et bemærkelsesværdigt stykke arbejde med at finde og lære om exoplaneter ved hjælp af instrumenter, der er tilgængelige i øjeblikket, og opdaget indtil videre over 4.000 exoplaneter. Dette felt er dog meget nyt, hvor de første planeter uden for vores solsystem blev identificeret i 1990'erne. Det betyder, at mange nuværende generations instrumenter, som Hubble, aldrig blev designet med exoplanetundersøgelser i tankerne.

"Hubble er 80'ernes teknologi," sagde Espinoza. “Intet imod 80'erne – jeg elsker 80'erne, især musikken! – men teknologien har udviklet sig et væld. Den slags detektorer, vi havde dengang, er ingenting sammenlignet med den slags detektorer, vi har nu."

James Webb er på den anden side designet med den specifikke hensigt at blive brugt til exoplanetkarakterisering, og det har været på forkant med dets designprincipper. For eksempel, når Webb peger på en stjerne, vil den pege på en bestemt pixel med meget høj præcision, og den vil ikke bevæge sig overhovedet, hvilket giver forskerne mulighed for meget nøjagtigt at måle ethvert fald i lysstyrke, der kunne give spor til en planet i kredsløb.

Dette præcisionsniveau gør det muligt for Webb at udføre sin mest spændende exoplanet-relaterede funktion: At opdage, om en exoplanet har en atmosfære, og hvad den atmosfære består af. "De små detaljer, der betyder meget, når du forsøger at opdage exoplanetatmosfærer," forklarede Espinoza.

Undersøgelse af exoplaneter ved hjælp af infrarødt lys

Selvom forskere er kommet frem til nogle meget kreative måder til opdage exoplanetatmosfærer, det er ikke noget, som nuværende instrumenter er designet til at gøre. Det er derfor, Webbs muligheder vil være så revolutionerende.

For at kigge ud i universet har Webb fire instrumenter, som vil se i den infrarøde bølgelængde. De omfatter Near-Infrared Camera (NIRCam) og Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Så er der Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager og Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), som, som deres navne antyder, vil se ud i det nær-infrarøde bånd. Endelig er der det midt-infrarøde instrument (MIRI), som ser over en bred vifte i det fjern-infrarøde.

Men det er følsomme instrumenter, og de kræver et omhyggeligt vedligeholdt miljø for at fungere. Så teknologien omkring dem skal også være banebrydende.

"Webb er fuld til kanten af ​​ny, kompleks teknologi, fra de følsomme IR-detektorer til det femlags tynde Kapton-solskjold på størrelse med tennisbanen, der beskytter instrumenteringen fra solstrålingen og vil tillade teleskopet og detektorerne at nå den kolde temperatur, der er nødvendig for at observere i det infrarøde,” Nota sagde.

Hun påpegede også de fine detaljer på instrumenterne, som NIRSpecs microshutter-array, som er et sæt små lukkede vinduer på størrelse med et par menneskehår. Dette vil gøre det muligt for instrumentet at observere hundredvis af genstande på samme tid. "En absolut førsteplads inden for rumastronomi, hvor spektroskopi traditionelt udføres et objekt ad gangen," sagde Nota.

At forstå, hvor vi kom fra

Fremdriften til at se, om en fjern planet har en atmosfære, er ikke kun en videnskabelig opblomstring eller en inaktiv nysgerrighed om, hvordan disse fjerntliggende steder er. Det er snarere nøglen til at forstå, hvordan planeter - inklusive vores egen - er skabt.

Når det kommer til at forstå, hvordan vores solsystem blev dannet, kører forskere modeller og forsøger at se, hvordan vi kunne være endt med sammensætningen af ​​planeter, som vi ser. "Men i øjeblikket har vi en prøvestørrelse på én," påpegede Espinoza. "Vores solsystem. Det er det. Nu er vi i en æra, hvor vi kan kigge ind i sammensætningen af ​​andre solsystemer. Og hvordan planeterne dannes, definerer deres kemiske sammensætning."

Så når vi ser på en fjern exoplanets atmosfære, lærer vi om, hvordan den blev til. Og ud fra det kan vi opbygge et billede af, hvordan planeter og solsystemer dannes baseret på flere tilfælde end bare den i vores baghave. "Så at få disse antydninger af dannelsessignaturer i disse exoplaneter gennem den kemi, vi observerer i deres atmosfærer er helt grundlæggende for, at vi kan forstå, hvordan de blev til, og derfor hvordan vi blev til,” han sagde.

På jagt efter beboelighed

Den måske mest spændende grund til at se på exoplanetatmosfærer er at forstå, hvor ellers i universet liv kan blomstre. "Et af de centrale spørgsmål, som Webb vil studere, er livets oprindelse," sagde Nota. "Der er enorme variationer af exo-verdener, flere end vi kunne have forestillet os. Der er gasplaneter på størrelse med Jupiter, der kredser meget tæt på deres stjerne, enorme stenede 'superjorde' og 'varme Neptunes.’ Nogle af disse har måske de rigtige temperaturforhold og den rigtige sammensætning til at være vært for liv."

Men for at afgøre, om en planet er beboelig, sagde Espinoza, er det ikke nok bare at kende dens størrelse og masse. Når alt kommer til alt, når vi finder en planet, der er på størrelse med Jorden og har en lignende masse, antager folk ofte, at det vil være et jordlignende sted. Men Venus og Mars har nogenlunde samme størrelser og masser som Jorden, og de har atmosfærer, der er ekstremt ugæstfrie over for vores livsform. “Venus er det værste sted at tage på ferie!” jokede han med dets enorme tryk og giftige atmosfære fuld af kuldioxid. Mars er ikke meget bedre med sin ekstremt tynde, uåndbare atmosfære, der kun er 1 % af densiteten af ​​vores atmosfære på Jorden.

Så vi er nødt til at kende til atmosfærer for at vide, om en individuel planet er beboelig. Og endnu vigtigere, for at få et skøn over, hvor mange beboelige planeter der kunne være derude, skal vi vide, hvilke typer atmosfærer der er typiske for planeter på størrelse med vores. "Hvilken er den mest almindelige atmosfære, som naturen danner?" spurgte Espinoza. "Det kunne være Venus-lignende eller Mars-lignende, og Jorden er en afviger." Eller det kan være, at jordlignende atmosfærer er typiske, og antallet af potentielt beboelige planeter derude er enormt.

At række ud i det ukendte

Webb vil ikke kun se på exoplaneter. Det vil udføre en bred vifte af forskning, fra at se tilbage i de tidligste faser af universet for at se de første galakser dannes, til at se, hvordan stjerner bliver født fra hvirvlende støv og gas. Med sin første års videnskabelige operationer planlagt, vi skraber bare overfladen af, hvad dette nye værktøj kunne bruges til. Vi bliver nødt til at vente og se, hvilke andre astronomiske vidundere det vil være i stand til at optrevle.

"Jeg tror, ​​at den største opdagelse vil være den, som ingen forventer," sagde Nota. "Den, der vil ændre den måde, vi ser universet på, den, der vil definere, måske én gang for alle, hvad der er vores plads i universet."

Redaktørens anbefalinger

• James Webb opdager gammelt støv, der kunne være fra de tidligste supernovaer
• 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