Πώς το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα κυνηγήσει εξωπλανήτες

Οταν ο πρόσφατα εκτοξευμένο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb ξεδιπλώνεται πλήρως και έρχεται στο διαδίκτυο, δεν θα είναι απλώς ένα άλλο εργαλείο για τους αστρονόμους να εξερευνήσουν το σύμπαν. Με την τεχνολογία αιχμής φασματοσκοπίας του, θα μπορεί να κοιτάζει έξω στο σκοτάδι του διαστήματος και δείτε μακρινά αντικείμενα με περισσότερες λεπτομέρειες από ποτέ — πολύ περισσότερο από τον προκάτοχό του, το Διάστημα Hubble Τηλεσκόπιο. Θα φέρει επανάσταση στην κατανόησή μας για τους εξωπλανήτες και θα μπορούσε ακόμη και να μας βοηθήσει να μάθουμε από πού ήρθαμε και πού αλλού στο σύμπαν μπορεί να είναι κατοικήσιμο.

Για να καταλάβουμε πώς το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb θα μας βοηθήσει να μελετήσουμε περιστρεφόμενες μπάλες βράχου τρισεκατομμυρίων μιλίων μακριά (και γιατί το θέλουν οι αστρονόμοι), μιλήσαμε σε δύο ερευνητές που θα συνεργαστούν με τον James Webb μετά την ανάπτυξη: Néstor Espinoza του Επιστημονικού Ινστιτούτου Διαστημικού Τηλεσκοπίου και Antonella Nota της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA).

Ένα τεράστιο άλμα προς τα εμπρός

Τα τελευταία χρόνια, οι ερευνητές έχουν εντοπίσει πλανήτες εκτός του ηλιακού μας συστήματος χρησιμοποιώντας τηλεσκόπια όπως TESS (ο Transiting Exoplanet Survey Satellite) ή το Διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler. Αυτά είναι σε θέση να δουν τα πιο φωτεινά αστέρια και να δουν αλλαγές στη φωτεινότητά τους όταν ένας πλανήτης περνά ανάμεσά τους και εμάς χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται μέθοδος διέλευσης. Αυτό είναι ένα εντυπωσιακό επίτευγμα επιστημονικής παρατήρησης, αλλά δεν μας λέει πολλά για το πώς είναι αυτοί οι πλανήτες - απλώς το κατά προσέγγιση μέγεθός τους και περιστασιακά η μάζα τους.

Αν θέλουμε να μάθουμε πώς είναι ένας πλανήτης — έχει ατμόσφαιρα; από τι αποτελείται; υπάρχουν σύννεφα στον ουρανό; υπάρχει νερό εκεί; — Πρέπει να ψάξουμε με πολύ, πολύ περισσότερες λεπτομέρειες. Αυτό πρόκειται να κάνει ο Webb, αλλά είναι μια τεράστια τεχνική πρόκληση. Γι' αυτό η NASA, η ESA και η Καναδική Διαστημική Υπηρεσία (CSA) εργάζονται όλοι μαζί σε αυτό το έργο.

«Ο Webb είναι εκατό φορές πιο ευαίσθητος από το Hubble και εξαιτίας αυτού, ο Webb θα μπορεί να το αποκαλύψει οι πιο αμυδρές λεπτομέρειες στις πιο απομακρυσμένες γωνιές του πολύ μακρινού σύμπαντος, με εξαιρετική ανάλυση», Nota εξήγησε.

Ενώ το Hubble το έχει συνηθίσει μάθετε περισσότερα για τους εξωπλανήτες, Ο Εσπινόζα είπε, «η θέα που σου δίνει είναι πολύ στενή. Σας δίνει ένα χαρακτηριστικό, ίσως." Συγκριτικά, είπε, ο Webb θα είναι «καταπληκτικός», επιτρέποντάς μας να δούμε πολλά χαρακτηριστικά ταυτόχρονα και να κοιτάξουμε μικρότερους πλανήτες. «Θα είναι η πρώτη μας αλλαγή για να δούμε τους μικρότερους πλανήτες με μεγάλη λεπτομέρεια».

Το Hubble λειτουργεί επίσης στο μήκος κύματος του ορατού φωτός, συλλαμβάνοντας εικόνες στο εύρος του φωτός που μπορούμε να δούμε. Αλλά ο James Webb θα εργάζεται στο υπέρυθρο μήκος κύματος, το οποίο μπορεί να διακρίνει διαφορετικά χαρακτηριστικά και κοιτάξτε μέσα από την σκοτεινή σκόνη, «ανοίγοντας ένα παράθυρο στο σύμπαν που θα είναι εντελώς νέο», όπως η Nota βάλε το.

Το Hubble και ο Webb θα μπορούν να συνεργάζονται, συλλέγοντας συμπληρωματικά δεδομένα για τους ίδιους στόχους. Αν λοιπόν αγαπάτε το όμορφες εικόνες του διαστήματος που κατέγραψε το Hubble, μην ανησυχείτε, αυτά δεν θα φύγουν. Απλώς θα αποκτήσουμε ένα άλλο εργαλείο για ακόμη βαθύτερη κατανόηση.

«Ο Τζέιμς Γουέμπ θα είναι επαναστατικός. Κυριολεκτικά επαναστατικό», είπε ο Εσπινόζα. «Θα μας επιτρέψει να δούμε πράγματα που περιμέναμε να εντοπίσουμε εδώ και πολύ καιρό, αλλά δεν έχουμε είχε την τεχνολογία για να δει και είμαι σίγουρος ότι θα εντοπίσει πράγματα που δεν σκεφτόμαστε του."

Ενημέρωση της τεχνολογίας του 1980 του Hubble

Οι ερευνητές έχουν κάνει μια αξιοσημείωτη δουλειά βρίσκοντας και μαθαίνοντας για εξωπλανήτες χρησιμοποιώντας όργανα που είναι διαθέσιμα αυτή τη στιγμή, ανακαλύπτοντας μέχρι στιγμής πάνω από 4.000 εξωπλανήτες. Ωστόσο, αυτό το πεδίο είναι πολύ πρόσφατο, με τους πρώτους πλανήτες εκτός ηλιακού μας συστήματος να έχουν εντοπιστεί τη δεκαετία του 1990. Αυτό σημαίνει ότι πολλά όργανα τρέχουσας γενιάς, όπως το Hubble, δεν σχεδιάστηκαν ποτέ με γνώμονα τις μελέτες εξωπλανητών.

«Το Hubble είναι τεχνολογία της δεκαετίας του '80», είπε ο Εσπινόζα. «Τίποτα ενάντια στη δεκαετία του ’80 – Λατρεύω τη δεκαετία του ’80, ειδικά τη μουσική! – αλλά η τεχνολογία έχει εξελιχθεί πάρα πολύ. Το είδος των ανιχνευτών που είχαμε τότε δεν είναι τίποτα σε σύγκριση με το είδος των ανιχνευτών που έχουμε τώρα».

Ο James Webb, από την άλλη πλευρά, έχει σχεδιαστεί με τη συγκεκριμένη πρόθεση να χρησιμοποιηθεί για τον χαρακτηρισμό εξωπλανητών και αυτό ήταν στην πρώτη γραμμή των αρχών σχεδιασμού του. Για παράδειγμα, όταν ο Webb δείχνει σε ένα αστέρι, θα δείχνει σε ένα συγκεκριμένο pixel με πολύ υψηλή ακρίβεια και δεν θα κινούνται καθόλου, επιτρέποντας στους ερευνητές να μετρήσουν με μεγάλη ακρίβεια τυχόν πτώσεις στη φωτεινότητα που θα μπορούσαν να δώσουν ενδείξεις για έναν πλανήτη σε τροχιά.

Αυτό το επίπεδο ακρίβειας επιτρέπει στον Webb να εκτελέσει την πιο συναρπαστική λειτουργία του που σχετίζεται με εξωπλανήτες: Ανίχνευση εάν ένας εξωπλανήτης έχει ατμόσφαιρα και από τι αποτελείται αυτή η ατμόσφαιρα. «Οι μικρές λεπτομέρειες που έχουν μεγάλη σημασία όταν προσπαθείς να ανιχνεύσεις ατμόσφαιρες εξωπλανητών», εξήγησε ο Εσπινόζα.

Διερεύνηση εξωπλανητών χρησιμοποιώντας υπέρυθρο φως

Αν και οι ερευνητές έχουν καταλήξει σε κάποια πολύ δημιουργικούς τρόπους προς την ανίχνευση ατμόσφαιρων εξωπλανητών, δεν είναι κάτι για το οποίο έχουν σχεδιαστεί τα τρέχοντα όργανα. Γι' αυτό οι δυνατότητες του Webb θα είναι τόσο επαναστατικές.

Για να κοιτάξει έξω στο σύμπαν, ο Webb έχει τέσσερα όργανα που θα κοιτάζουν στο υπέρυθρο μήκος κύματος. Περιλαμβάνουν την Near-Infrared Camera (NIRCam) και τον Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Έπειτα, υπάρχει ο Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager και Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), οι οποίοι, όπως υποδηλώνουν τα ονόματά τους, θα φαίνονται στην εγγύς υπέρυθρη ζώνη. Τέλος, υπάρχει το όργανο μεσαίας υπέρυθρης ακτινοβολίας (MIRI), το οποίο βλέπει σε ένα ευρύ φάσμα στο μακρινό υπέρυθρο.

Αλλά αυτά είναι ευαίσθητα όργανα και απαιτούν ένα προσεκτικά διατηρημένο περιβάλλον για να λειτουργήσουν. Επομένως, η τεχνολογία γύρω από αυτά πρέπει επίσης να είναι αιχμής.

«Η Webb είναι γεμάτη στο χείλος της νέας, πολύπλοκης τεχνολογίας, από τους ευαίσθητους ανιχνευτές υπερύθρων, μέχρι το λεπτό κάλυμμα Kapton σε μέγεθος γηπέδου τένις, πέντε στρώσεων που θα προστατεύει τα όργανα από την ηλιακή ακτινοβολία και θα επιτρέψουν στο τηλεσκόπιο και τους ανιχνευτές να φτάσουν την ψυχρή θερμοκρασία που απαιτείται για την παρατήρηση στο υπέρυθρο», Nota είπε.

Επεσήμανε επίσης τις λεπτές λεπτομέρειες στα όργανα, όπως η διάταξη μικροδιαφράγματος του NIRSpec, η οποία είναι ένα σύνολο μικροσκοπικών παραθύρων με παραθυρόφυλλα στο μέγεθος λίγων ανθρώπινων τριχών. Αυτό θα επιτρέψει στο όργανο να παρατηρεί εκατοντάδες αντικείμενα ταυτόχρονα. «Μια απόλυτη πρωτιά στη διαστημική αστρονομία, όπου η φασματοσκοπία γίνεται παραδοσιακά ένα αντικείμενο τη φορά», είπε ο Νότα.

Κατανοώντας από πού ήρθαμε

Η ώθηση για να δούμε αν ένας μακρινός πλανήτης έχει ατμόσφαιρα δεν είναι απλώς μια επιστημονική άνθηση ή μια άεργη περιέργεια για το πώς είναι αυτά τα μακρινά μέρη. Αντίθετα, είναι το κλειδί για να κατανοήσουμε πώς δημιουργούνται οι πλανήτες - συμπεριλαμβανομένου του δικού μας.

Όταν πρόκειται να κατανοήσουν πώς σχηματίστηκε το ηλιακό μας σύστημα, οι ερευνητές τρέχουν μοντέλα και προσπαθούν να δουν πώς θα μπορούσαμε να καταλήξουμε στη σύνθεση των πλανητών που βλέπουμε. «Αλλά αυτή τη στιγμή έχουμε ένα μέγεθος δείγματος ενός», επεσήμανε ο Εσπινόζα. «Το ηλιακό μας σύστημα. Αυτό είναι. Τώρα βρισκόμαστε σε μια εποχή που μπορούμε να δούμε τις συνθέσεις άλλων ηλιακών συστημάτων. Και το πώς σχηματίζονται οι πλανήτες καθορίζει τη χημική τους σύνθεση».

Έτσι, όταν κοιτάμε την ατμόσφαιρα ενός μακρινού εξωπλανήτη, μαθαίνουμε πώς δημιουργήθηκε. Και από αυτό, μπορούμε να δημιουργήσουμε μια εικόνα για το πώς σχηματίζονται οι πλανήτες και τα ηλιακά συστήματα με βάση περισσότερες περιπτώσεις από αυτήν της αυλής μας. «Λάβοντας λοιπόν αυτές τις υποδείξεις υπογραφών σχηματισμού σε αυτούς τους εξωπλανήτες μέσω της χημείας που παρατηρούμε στους Οι ατμόσφαιρες είναι απολύτως θεμελιώδες για να καταλάβουμε πώς προέκυψαν, και επομένως πώς γίναμε», είπε είπε.

Κυνήγι για κατοικησιμότητα

Ίσως ο πιο συναρπαστικός λόγος για να δούμε τις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών είναι να κατανοήσουμε πού αλλού στο σύμπαν μπορεί να ανθίσει η ζωή. «Ένα από τα βασικά ερωτήματα που θα μελετήσει ο Γουέμπ είναι η προέλευση της ζωής», είπε η Νότα. «Υπάρχουν τεράστιες ποικιλίες εξωκόσμων, περισσότερες από ό, τι θα μπορούσαμε να φανταστούμε. Υπάρχουν πλανήτες αερίου μεγέθους του Δία που βρίσκονται σε τροχιά πολύ κοντά στο άστρο τους, τεράστιες βραχώδεις «υπερ-γαίες» και «θερμές» Ποσειδώνες.» Μερικά από αυτά μπορεί να έχουν τις κατάλληλες συνθήκες θερμοκρασίας και τη σωστή σύνθεση για να φιλοξενήσουν ΖΩΗ."

Αλλά για να καθοριστεί εάν ένας πλανήτης είναι κατοικήσιμος, είπε ο Εσπινόζα, δεν αρκεί μόνο να γνωρίζουμε το μέγεθος και τη μάζα του. Εξάλλου, όταν βρίσκουμε έναν πλανήτη που έχει το μέγεθος της Γης και έχει παρόμοια μάζα, οι άνθρωποι συχνά υποθέτουν ότι θα είναι ένα μέρος που μοιάζει με τη Γη. Αλλά η Αφροδίτη και ο Άρης έχουν περίπου παρόμοια μεγέθη και μάζες με τη Γη, και έχουν ατμόσφαιρες εξαιρετικά αφιλόξενες για τη μορφή της ζωής μας. «Η Αφροδίτη είναι το χειρότερο μέρος για να πάτε διακοπές!» αστειεύτηκε, με την απέραντη πίεση και την τοξική ατμόσφαιρα γεμάτη διοξείδιο του άνθρακα. Ο Άρης δεν είναι πολύ καλύτερος, με την εξαιρετικά λεπτή, μη αναπνεύσιμη ατμόσφαιρά του που είναι μόνο το 1% της πυκνότητας της ατμόσφαιράς μας στη Γη.

Πρέπει λοιπόν να γνωρίζουμε για τις ατμόσφαιρες για να γνωρίζουμε εάν ένας μεμονωμένος πλανήτης είναι κατοικήσιμος. Και ακόμη πιο σημαντικό, για να πάρουμε μια εκτίμηση του πόσοι κατοικήσιμοι πλανήτες θα μπορούσαν να υπάρχουν εκεί έξω, πρέπει να γνωρίζουμε ποιοι τύποι ατμόσφαιρων είναι τυπικοί για πλανήτες με μέγεθος σαν τον δικό μας. «Ποια είναι η πιο κοινή ατμόσφαιρα που σχηματίζει η φύση;» ρώτησε ο Εσπινόζα. «Θα μπορούσε να μοιάζει με την Αφροδίτη ή τον Άρη, και η Γη είναι ακραία». Ή θα μπορούσε να είναι ότι οι ατμόσφαιρες που μοιάζουν με τη Γη είναι χαρακτηριστικές και ο αριθμός των δυνητικά κατοικήσιμων πλανητών εκεί έξω είναι τεράστιος.

Προσεγγίζοντας το άγνωστο

Ο Webb δεν θα κοιτάζει μόνο εξωπλανήτες. Θα πραγματοποιήσει ένα τεράστιο εύρος έρευνας, από το να κοιτάξει πίσω στις πρώτες φάσεις του σύμπαντος για να δει τους πρώτους γαλαξίες που σχηματίζονται, μέχρι να παρακολουθήσει πώς γεννιούνται τα αστέρια από την στροβιλιζόμενη σκόνη και αέριο. Με τα σχεδιάστηκε το πρώτο έτος επιστημονικών επιχειρήσεων, απλώς ξύνουμε την επιφάνεια για ποιο σκοπό θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί αυτό το νέο εργαλείο. Θα πρέπει να περιμένουμε και να δούμε ποια άλλα αστρονομικά θαύματα θα μπορέσει να αποκαλύψει.

«Νομίζω ότι η μεγαλύτερη ανακάλυψη θα είναι αυτή που κανείς δεν περιμένει», είπε η Νότα. «Αυτός που θα αλλάξει τον τρόπο που βλέπουμε το σύμπαν, αυτός που θα καθορίσει, ίσως μια για πάντα, ποια είναι η θέση μας στο σύμπαν».

Συστάσεις των συντακτών

• Ο Τζέιμς Γουέμπ εντοπίζει αρχαία σκόνη που θα μπορούσε να είναι από τα πρώτα σουπερνόβα
• Μεγεθύνετε την εκπληκτική εικόνα του James Webb για να δείτε έναν γαλαξία που σχηματίστηκε πριν από 13,4 δισεκατομμύρια χρόνια
• Ο Τζέιμς Γουέμπ εντοπίζει την πιο μακρινή ενεργή υπερμεγέθη μαύρη τρύπα που έχει ανακαλυφθεί ποτέ
• Ο James Webb εντοπίζει ενδείξεις για τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος
• Ο James Webb ανιχνεύει σημαντικό μόριο στο εκπληκτικό νεφέλωμα του Ωρίωνα