James Webbs erste Studienziele werden in der Nähe seines Zuhauses liegen

Astronomen auf der ganzen Welt sind voller Vorfreude auf die neue Wissenschaft, die möglich sein wird Sobald das James-Webb-Weltraumteleskop, das leistungsstärkste Weltraumteleskop der Welt, seine Arbeit abgeschlossen hat Inbetriebnahme. Seit dem Start des Teleskops am 25. Dezember 2021 hat es seine Hardware in seine endgültige Konfiguration entfaltet, seine endgültige Umlaufbahn um die Sonne erreicht und Die Ausrichtung der Spiegel auf die Hauptkamera ist abgeschlossen, es sind jedoch noch Schritte wie die Kalibrierung der Instrumente erforderlich, bevor es einsatzbereit ist wissenschaftliche Nutzung.

Sobald die Inbetriebnahmephase abgeschlossen ist, die diesen Sommer abgeschlossen sein soll, werden die wissenschaftlichen Beobachtungen beginnen. Und hier wird es spannend, denn die hohe Empfindlichkeit und die Infrarotfähigkeiten des Teleskops ermöglichen dies um extrem weit entfernte Objekte zu beobachten, die sogar schwächer sind als die, die von aktuellen weltraumgestützten Teleskopen beobachtet werden Hubble. Es wird eine neue Ära astronomischer Beobachtungen einläuten und könnte dabei helfen, Themen wie z weitreichend, etwa wie die ersten Galaxien entstanden sind und ob Planeten in anderen Sternensystemen Atmosphären haben oder nicht.

Dreizehn Projekte wurden ausgewählt, um die Fähigkeiten dieses brandneuen Teleskops in den ersten fünf Monaten zu testen Operationen, und wie Sie sich vorstellen können, war die Konkurrenz, welche Projekte den ersten Platz für dieses neue Tool erhalten sollten, groß erbittert.

Die meisten von den 13 Projekte ausgewählt wird entfernte Objekte wie Schwarze Löcher oder weit entfernte Galaxien betrachten. Aber ein Projekt wird näher an der Heimat liegen – bei Jupiter, direkt in unserem kosmischen Hinterhof.

Um zu erfahren, was Forscher über diesen großen, schönen Gasriesen herausfinden wollen, und um herauszufinden, warum es sich um ein so relativ nahes Ziel handelt zum Testen eines so leistungsstarken Teleskops verwendet wird, sprachen wir mit der Berkeley-Astronomin Imke de Pater, Leiterin der Jupiter-Beobachtung Team.

Ein ganzes System zum Erkunden

Im Vergleich zu weit entfernten Exoplaneten oder sogar den weiter entfernten Eisriesenplaneten in unserem Sonnensystem wissen Astronomen viel über Jupiter. Dank Beobachtungen von bodengestützten Teleskopen und Missionen wie Galileo, die den Planeten bis 2003 umkreisten, verfügen wir über eine Fülle von Daten über den Planeten Juno der dort noch immer umkreist.

Aber wie so oft in der Wissenschaft kann jede Information, die wir über den Planeten erhalten, weitere Fragen aufwerfen. „Wir waren mit mehreren Raumschiffen dort und haben den Planeten mit Hubble und vielen bodengestützten Teleskopen bei Wellenlängen im gesamten elektromagnetischen Spektrum beobachtet (vom UV- bis zum Meter-Wellenlängenbereich), also haben wir enorm viel über Jupiter selbst, seine Atmosphäre, sein Inneres und über seine Monde und Ringe gelernt“, sagte de Pater. „Aber jedes Mal, wenn man mehr lernt, gibt es Dinge, die man noch nicht versteht – man braucht also immer mehr Daten.“

Einige der größten offenen Fragen, die wir über Jupiter haben, betreffen seine AtmosphäreB. wie sich Wärme zwischen den Schichten der Atmosphäre bewegt und wie die Atmosphäre mit der Magnetosphäre interagiert.

Aber die Gruppe wird sich nicht nur auf Jupiter selbst konzentrieren, sondern sich auch auf Details wie den Großen Roten Fleck (einen turbulenten Sturm von so großer Größe) konzentrieren dass man ihn als einen Fleck sehen kann, der groß genug ist, um die gesamte Erde zu verschlingen) und den Südpol des Planeten (mit seinem markanten Polarlichter). Sie werden auch das gesamte Jupitersystem untersuchen, einschließlich der schwachen Ringe des Planeten und seiner Monde, darunter Io und Ganymed.

Jedes dieser Ziele ist für sich genommen faszinierend – Io ist beispielsweise der vulkanisch aktivste Ort im Sonnensystem und Ganymed ist der einzige bekannte Mond, der eine eigene Magnetosphäre erzeugt. Insgesamt ist das Jovian-System der ideale Ort, um die Grenzen der Fähigkeiten von Webb zu testen.

Blick ins Infrarot

Um mehr über diese komplexen Themen zu erfahren, wird de Paters Gruppe die Infrarotfähigkeiten von James Webb nutzen, die es Forschern ermöglichen, tiefer in die Atmosphäre des Planeten zu blicken.

Diese Fähigkeiten ermöglichen es, die Atmosphäre über das hinaus zu untersuchen, was durch Betrachtung der Wellenlänge des sichtbaren Lichts möglich wäre. „Im sichtbaren Wellenlängenbereich sieht man grundsätzlich Wolken“, erklärte sie. „Bei Infrarotwellenlängen kann man je nach Wellenlänge über und unter den Wolken sondieren. Bei unterschiedlichen Wellenlängen kann man je nach Opazität in der Atmosphäre unterschiedliche Höhen in der Atmosphäre erkennen Atmosphäre (d. h. wie viel „Licht“ bei einer bestimmten Wellenlänge absorbiert wird, bestimmt, wie tief man hineinschauen kann Planet)."

Besonders nützlich für diese Forschung werden die Wellenlängen im mittleren Infrarot sein, die mit Webbs MIRI (Mid-Infrared Instrument) betrachtet werden können.

„Der größte Vorteil liegt bei den Wellenlängen im mittleren Infrarot“, erklärte de Pater. „Wir können einige dieser Wellenlängen vom Boden aus beobachten, aber die Erdatmosphäre ist so turbulent, dass es so ist.“ Was wir vor Ort bekommen, ist, dass wir die Beobachtungen nicht sehr gut kalibrieren können.“ Das bedeutet mehr Unsicherheit in der Daten; ein Problem, das durch die Hintergrundinfrarotstrahlung auf der Erde noch verschärft wird.

Aber mit einem weltraumgestützten Teleskop wie James Webb gibt es keine Atmosphäre und weniger Hintergrundstrahlung, die im Weg stehen, und das bedeutet, dass die gesammelten Daten viel genauer sein werden. Darüber hinaus bietet Webb eine außergewöhnliche Stabilität, was bedeutet, dass es dank seiner Positionierung im Raum auf ein Ziel zielen kann und nicht schwankt. All dies bedeutet, dass es einige der genauesten Daten überhaupt über Jupiter sammeln kann.

Testen Sie Webbs Grenzen

Bei der Bewertung von Vorschlägen, wie James Webb eingesetzt werden könnte, erklärte de Pater, dass das Komitee darüber entscheiden könne Welche Projekte zuerst verfolgt werden sollten, wollte die Vorstellungen der Astronomie-Gemeinschaft darüber sehen, was das Teleskop leisten kann Tun. „Also suchten sie wirklich nach Projekten, die JWST an seine Grenzen brachten“, sagte sie. „Genau das macht unser Projekt.“

Sie werden alle vier Instrumente von Webb in unterschiedlichen Kombinationen für verschiedene Ziele im System verwenden, um verschiedene Merkmale wie Vulkane, Ringe und Schichten der Planetenatmosphäre auszuwählen.

Der Plan bestand darin, Jupiter, seine Ringe und seine Monde Io und Ganymed zu beobachten, doch einige Jahre später reichte das Team ein Bei ihrem Vorschlag trat ein unerwartetes Problem auf – das Teleskop war tatsächlich zu empfindlich für einen Großteil der geplanten Arbeiten Jupiter. „Das Teleskop war viel empfindlicher als erwartet, daher mussten wir einige unserer Beobachtungen auf Jupiter ändern – und auf Jupiter selbst können wir weniger tun, als wir ursprünglich erwartet hatten.“

Aber das Team wusste immer noch, dass es wertvolle Daten erhalten und Wege finden konnte, die Arbeit zu erledigen, die es wollte. Sie änderten Faktoren wie die zu verwendenden Filter und betrachteten kleinere Sichtfelder.

Warum Jupiter eine solche Herausforderung darstellt

Die Vorstellung, ein Teleskop sei zu empfindlich, mag kontraintuitiv klingen. Aber stellen Sie sich das so vor, als würden Sie ein Foto machen, während Sie in die Sonne blicken: Alle Farben werden ausgeblasen, sodass alles weiß und verwaschen erscheint und es schwierig ist, Details zu erkennen. Das von der Sonne kommende Licht ist einfach zu hell, was zu einem überbelichteten Bild führt.

Das Gleiche passiert bei der Untersuchung astronomischer Körper. Im Vergleich zu Sternen geben Planeten nicht viel Licht ab, da sie kein eigenes Licht erzeugen, sondern lediglich das Licht ihrer Sterne reflektieren. Dadurch sind Planeten insgesamt viel dunkler als Sterne. Wenn Sie jedoch winzige Details betrachten oder nach noch kleineren Körpern wie Monden oder feinen Details wie Ringen suchen, kann das Licht eines Planeten zu Blendungen in den von Ihnen gesammelten Daten führen.

Das ist die große Herausforderung bei der Untersuchung von Jupitermonden oder -ringen mithilfe von Webb: Man muss versuchen, das Licht des Planeten zu berücksichtigen, damit diese kleinen Objekte im Detail gesehen werden können. Jupiter ist eines der hellsten Objekte am Himmel, daher ist dies keine leichte Aufgabe.

Glücklicherweise haben Astronomen viel Erfahrung mit der Beobachtung von Planetenringen mit anderen Instrumenten wie dem Hubble-Weltraumteleskop. „Also nutzen wir dieses Wissen für die JWST-Beobachtungen“, erklärte de Pater. Das Team wird die Ringe in verschiedenen „Rollwinkeln“ beobachten, was bedeutet, dass die Ringe auf dem Detektor in leicht unterschiedliche Ausrichtungen verschoben werden. Indem sie die Ringe aus verschiedenen Winkeln betrachten, können sie sehen, wie das Streulicht des Planeten auf die Ringe fällt. Dann kann dieses Licht abgezogen werden, sodass nur noch das Licht der Ringe selbst übrig bleibt.

Erforschung von Planeten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus

Die Verwendung von Webb zur Untersuchung von Jupiter ist nicht nur eine Möglichkeit, die Grenzen dieses brandneuen Teleskops zu testen. Die Untersuchung von Planeten in unserem eigenen Sonnensystem kann auch dabei helfen, Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, sogenannte Exoplaneten, zu verstehen.

Eines der großen Ziele der heutigen Exoplanetenforschung besteht darin, über die Identifizierung und Schätzung eines Planeten hinauszugehen Größe oder Masse, und um ein umfassenderes Verständnis davon aufzubauen, indem man untersucht, ob es eine hat Atmosphäre.

Aber um Planeten in entfernten Systemen zu verstehen, ist es hilfreich, die Planeten in unserem eigenen zu verstehen. Webb wird die Atmosphären entfernter Gasriesen untersuchen, die wir dann mit dem vergleichen können, was wir über die Atmosphären von Jupiter und Saturn wissen.

Darüber hinaus wird de Paters Team durch die Verwendung von Webb zur Untersuchung von Jupiter eine Reihe von Werkzeugen entwickeln, die von anderen Mitgliedern der Astronomiegemeinschaft zur Untersuchung anderer Planeten verwendet werden können Unser Sonnensystem und geben einen Einblick in das, was Webb über sie entdecken könnte – einschließlich der faszinierenden und selten untersuchten fernen Planeten Uranus und Neptun.

„Unser Team wird Software entwickeln, die für das Jupitersystem, aber auch für das Saturnsystem, für Uranus und Neptun verwendet werden kann. Und wir können den Menschen anhand unserer Beobachtungen zeigen, was sie erwarten können“, sagte de Pater. „In dieser Hinsicht ist es definitiv ein Wegbereiter.“

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