Wie das James-Webb-Weltraumteleskop nach Exoplaneten suchen wird

Wenn das frisch gestartetes James Webb-Weltraumteleskop Wenn sich das Gerät vollständig entfaltet und online geht, wird es für Astronomen nicht nur ein weiteres Werkzeug zur Erkundung des Universums sein. Mit seiner hochmodernen Spektroskopietechnologie wird es in der Lage sein, in die Dunkelheit des Weltraums zu blicken und Sehen Sie entfernte Objekte detaillierter als je zuvor – weitaus mehr als sein Vorgänger, der Hubble Space Fernrohr. Es wird unser Verständnis von Exoplaneten revolutionieren und könnte uns sogar dabei helfen, herauszufinden, woher wir kommen und wo es sonst noch im Universum bewohnbar sein könnte.

Um zu erfahren, wie das James-Webb-Weltraumteleskop uns dabei helfen wird, sich drehende Gesteinsbälle in Billionen Kilometern Entfernung zu untersuchen (und warum Astronomen das wollen), haben wir mit zwei gesprochen Forscher, die nach dem Einsatz mit James Webb zusammenarbeiten werden: Néstor Espinoza vom Space Telescope Science Institute und Antonella Nota von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).

Ein riesiger Sprung nach vorne

In den letzten Jahren haben Forscher mit Teleskopen wie z. B. Planeten außerhalb unseres Sonnensystems identifiziert TESS (der Transiting Exoplanet Survey Satellite) oder der Kepler-Weltraumteleskop. Diese sind in der Lage, die allerhellsten Sterne zu betrachten und Veränderungen in ihrer Helligkeit zu erkennen, wenn ein Planet zwischen ihnen und uns vorbeizieht, und zwar mithilfe einer Technik namens „ Transitmethode. Dies ist eine beeindruckende Leistung wissenschaftlicher Beobachtung, sagt uns aber nicht viel darüber, wie diese Planeten aussehen – nur über ihre ungefähre Größe und gelegentlich auch über ihre Masse.

Wenn wir wissen wollen, wie ein Planet ist – hat er eine Atmosphäre? Woraus besteht es? Gibt es Wolken am Himmel? Gibt es dort Wasser? – wir müssen viel, viel detaillierter schauen. Das ist es, was Webb tun wird, aber es ist eine gewaltige technische Herausforderung. Aus diesem Grund arbeiten NASA, ESA und die Canadian Space Agency (CSA) bei diesem Projekt zusammen.

„Webb ist hundertmal empfindlicher als Hubble, und deshalb wird Webb in der Lage sein, das zu enthüllen.“ „Schwächste Details in den entlegensten Winkeln des sehr fernen Universums mit exquisiter Auflösung“, Nota erklärt.

Während Hubble es gewohnt ist Erfahren Sie mehr über Exoplaneten, Espinoza sagte: „Die Sichtweise, die es einem vermittelt, ist sehr eng.“ Es gibt Ihnen vielleicht eine Funktion.“ Im Vergleich dazu, sagte er, werde Webb „überwältigend“ sein und es uns ermöglichen, mehrere Merkmale gleichzeitig zu sehen und kleinere Planeten zu betrachten. „Es wird unsere erste Änderung sein, kleinere Planeten im Detail zu betrachten.“

Hubble arbeitet auch im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts und erfasst Bilder im Bereich des Lichts, den wir sehen können. Aber James Webb wird im Infrarotwellenbereich arbeiten, der verschiedene Merkmale erkennen und unterscheiden kann Durch den verhüllenden Staub blicken und „ein Fenster in das Universum öffnen, das völlig neu sein wird“, wie Nota Leg es.

Hubble und Webb werden in der Lage sein, zusammenzuarbeiten und komplementäre Daten zu denselben Zielen zu sammeln. Also, wenn Sie das lieben wunderschöne Bilder des Weltraums, aufgenommen von Hubble, keine Sorge, diese werden nicht verschwinden. Wir bekommen einfach ein weiteres Werkzeug für noch tieferes Verständnis dazu.

„James Webb wird revolutionär sein. Im wahrsten Sinne des Wortes revolutionär“, sagte Espinoza. „Es wird uns ermöglichen, Dinge zu sehen, mit deren Entdeckung wir schon lange gerechnet haben, die wir aber nicht entdeckt haben Wir hatten die Technologie, die wir sehen konnten, und ich bin mir ziemlich sicher, dass sie Dinge erkennen wird, an die wir nicht denken von."

Aktualisierung der Hubble-Technologie aus den 1980er Jahren

Forscher haben mit den derzeit verfügbaren Instrumenten bemerkenswerte Arbeit bei der Suche und Aufklärung von Exoplaneten geleistet und bisher über 4.000 Exoplaneten entdeckt. Allerdings ist dieses Gebiet noch sehr jung, da die ersten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems bereits in den 1990er Jahren identifiziert wurden. Das bedeutet, dass viele Instrumente der aktuellen Generation, wie Hubble, nie für die Erforschung von Exoplaneten entwickelt wurden.

„Hubble ist die Technologie der 80er Jahre“, sagte Espinoza. „Nichts gegen die 80er – ich liebe die 80er, vor allem die Musik! – aber die Technologie hat sich enorm weiterentwickelt. Die Art von Detektoren, die wir damals hatten, sind nichts im Vergleich zu der Art von Detektoren, die wir heute haben.“

James Webb hingegen wurde mit der spezifischen Absicht entwickelt, zur Charakterisierung von Exoplaneten verwendet zu werden, und das stand im Vordergrund seiner Designprinzipien. Wenn Webb beispielsweise auf einen Stern zeigt, zeigt er mit sehr hoher Präzision auf ein bestimmtes Pixel, was jedoch nicht der Fall ist So können Forscher etwaige Helligkeitseinbrüche sehr genau messen, die Hinweise auf einen Planeten geben könnten Orbit.

Dieses Maß an Präzision ermöglicht es Webb, seine aufregendste Funktion im Zusammenhang mit Exoplaneten auszuführen: Erkennen, ob ein Exoplanet eine Atmosphäre hat und woraus diese Atmosphäre besteht. „Die kleinen Details, die von großer Bedeutung sind, wenn man versucht, die Atmosphäre von Exoplaneten zu erkennen“, erklärte Espinoza.

Exoplaneten mit Infrarotlicht untersuchen

Obwohl Forscher einige gefunden haben sehr kreative Wege Zu Atmosphären von Exoplaneten erkennen, dafür sind aktuelle Instrumente nicht konzipiert. Deshalb werden die Fähigkeiten von Webb so revolutionär sein.

Um einen Blick ins Universum zu werfen, verfügt Webb über vier Instrumente, die im Infrarotwellenbereich blicken. Dazu gehören die Nahinfrarotkamera (NIRCam) und der Nahinfrarotspektrograph (NIRSpec). Dann gibt es noch den Fine Guidance Sensor/Near Infrarot Imager und Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), der, wie der Name schon sagt, im Nahinfrarotband suchen wird. Schließlich gibt es noch das Mid-Infrared Instrument (MIRI), das einen weiten Bereich im fernen Infrarot abdeckt.

Dabei handelt es sich jedoch um sensible Instrumente, für deren Funktion eine sorgfältig gepflegte Umgebung erforderlich ist. Daher muss auch die Technologie um sie herum auf dem neuesten Stand sein.

„Webb steckt bis zum Rand in der neuen, komplexen Technologie, von den empfindlichen IR-Detektoren bis hin zum Tennisplatz-großen, fünfschichtigen, dünnen Kapton-Sonnenschutz, der schützen wird „Die Instrumentierung wird von der Sonnenstrahlung ferngehalten und es dem Teleskop und den Detektoren ermöglicht, die kalte Temperatur zu erreichen, die für Beobachtungen im Infrarotbereich erforderlich ist“, so Nota sagte.

Sie wies auch auf die feinen Details der Instrumente hin, wie zum Beispiel das Microshutter-Array von NIRSpec, bei dem es sich um eine Reihe winziger Fensterläden von der Größe einiger menschlicher Haare handelt. Dadurch kann das Instrument Hunderte von Objekten gleichzeitig beobachten. „Eine absolute Premiere in der Weltraumastronomie, wo die Spektroskopie traditionell an einem Objekt nach dem anderen durchgeführt wird“, sagte Nota.

Verstehen, woher wir kommen

Der Antrieb, herauszufinden, ob ein entfernter Planet eine Atmosphäre hat, ist nicht nur ein wissenschaftlicher Schnörkel oder eine müßige Neugier darüber, wie diese weit entfernten Orte aussehen. Es ist vielmehr der Schlüssel zum Verständnis, wie Planeten – einschließlich unseres eigenen – entstehen.

Um zu verstehen, wie unser Sonnensystem entstanden ist, führen Forscher Modelle durch und versuchen herauszufinden, wie wir zu der Zusammensetzung der Planeten, die wir sehen, gekommen sein könnten. „Aber derzeit haben wir eine Stichprobengröße von eins“, betonte Espinoza. "Unser Sonnensystem. Das ist es. Jetzt befinden wir uns in einer Ära, in der wir einen Blick in die Zusammensetzung anderer Sonnensysteme werfen können. Und wie sich die Planeten bilden, bestimmt ihre chemische Zusammensetzung.“

Wenn wir uns also die Atmosphäre eines fernen Exoplaneten ansehen, erfahren wir, wie er entstanden ist. Und daraus können wir uns ein Bild davon machen, wie Planeten und Sonnensysteme entstehen, basierend auf mehr Fällen als nur dem einen in unserem Hinterhof. „Wir erhalten also diese Hinweise auf Formationssignaturen in diesen Exoplaneten durch die Chemie, die wir in ihnen beobachten.“ „Atmosphären sind für uns von grundlegender Bedeutung, um zu verstehen, wie sie entstanden sind und damit auch wir“, sagte er sagte.

Auf der Suche nach Bewohnbarkeit

Der vielleicht aufregendste Grund, die Atmosphären von Exoplaneten zu untersuchen, besteht darin, zu verstehen, wo sonst im Universum Leben gedeihen könnte. „Eine der Schlüsselfragen, die Webb untersuchen wird, ist der Ursprung des Lebens“, sagte Nota. „Es gibt eine riesige Vielfalt an Exowelten, mehr, als wir uns vorstellen konnten. Es gibt jupitergroße Gasplaneten, die sehr nahe um ihren Stern kreisen, riesige felsige „Supererden“ und „warme Planeten“. Neptune.‘ Einige von ihnen könnten die richtigen Temperaturbedingungen und die richtige Zusammensetzung haben, um sie zu beherbergen Leben."

Aber um festzustellen, ob ein Planet bewohnbar ist, reicht es laut Espinoza nicht aus, nur seine Größe und Masse zu kennen. Denn wenn wir einen Planeten finden, der erdgroß ist und eine ähnliche Masse hat, gehen die Menschen oft davon aus, dass es sich um einen erdähnlichen Ort handelt. Aber Venus und Mars haben ungefähr die gleiche Größe und Masse wie die Erde und ihre Atmosphäre ist für unsere Lebensform äußerst unwirtlich. „Venus ist der schlechteste Ort, um Urlaub zu machen!“ scherzte er, mit seinem immensen Druck und der giftigen Atmosphäre voller Kohlendioxid. Der Mars ist nicht viel besser, mit seiner extrem dünnen, nicht atembaren Atmosphäre, die nur 1 % der Dichte unserer Erdatmosphäre ausmacht.

Wir müssen also etwas über die Atmosphäre wissen, um zu wissen, ob ein einzelner Planet bewohnbar ist. Und was noch wichtiger ist: Um abschätzen zu können, wie viele bewohnbare Planeten es da draußen geben könnte, müssen wir wissen, welche Arten von Atmosphären typisch für Planeten von der Größe unseres Planeten sind. „Welche Atmosphäre bildet die Natur am häufigsten?“ fragte Espinoza. „Es könnte venus- oder marsähnlich sein, und die Erde ist ein Ausreißer.“ Oder es könnte sein, dass erdähnliche Atmosphären typisch sind und die Anzahl potenziell bewohnbarer Planeten dort draußen riesig ist.

Ins Unbekannte vordringen

Webb wird sich nicht nur mit Exoplaneten befassen. Es wird ein breites Spektrum an Forschungsarbeiten durchführen, vom Rückblick in die frühesten Phasen des Universums, um die Entstehung der ersten Galaxien zu beobachten, bis hin zur Beobachtung, wie Sterne aus wirbelndem Staub und Gas entstehen. Mit Das erste Jahr des wissenschaftlichen Betriebs ist geplant, wir kratzen nur an der Oberfläche dessen, wofür dieses neue Werkzeug verwendet werden könnte. Wir müssen abwarten und sehen, welche anderen astronomischen Wunder es aufdecken kann.

„Ich denke, die größte Entdeckung wird die sein, mit der niemand gerechnet hat“, sagte Nota. „Derjenige, der die Art und Weise verändern wird, wie wir das Universum sehen, derjenige, der vielleicht ein für alle Mal definieren wird, welchen Platz wir im Universum einnehmen.“

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