Kuidas James Webbi kosmoseteleskoop eksoplaneete jahtib

Kui äsja käivitatud James Webbi kosmoseteleskoop avaneb täielikult ja jõuab võrku, ei ole see astronoomide jaoks lihtsalt üks tööriist universumi uurimiseks. Tänu oma tipptasemel spektroskoopiatehnoloogiale on see võimeline piiluma kosmosepimedusse ja näha kaugeid objekte üksikasjalikumalt kui kunagi varem – palju rohkem kui selle eelkäijal Hubble'i kosmosel Teleskoop. See muudab meie arusaama eksoplaneetidest ja võib isegi aidata meil teada saada, kust me tulime ja kus mujal universumis võiks olla elamiskõlbulik.

Et saada ülevaade sellest, kuidas James Webbi kosmoseteleskoop aitab meil uurida triljonite miilide kaugusel keerlevaid kivikuule (ja miks astronoomid seda tahavad), rääkisime kahega. teadlased, kes töötavad pärast kasutuselevõttu James Webbiga: Néstor Espinoza Kosmoseteleskoobi teadusinstituudist ja Antonella Nota Euroopa Kosmoseagentuurist (ESA).

Hiiglaslik hüpe edasi

Viimastel aastatel on teadlased selliste teleskoopide abil tuvastanud planeete väljaspool meie päikesesüsteemi TESS (transiting Exoplanet Survey Satellite) või Kepleri kosmoseteleskoop. Need on võimelised vaatlema kõige heledamaid tähti ja näha nende heleduse muutusi, kui planeet liigub nende ja meie vahel, kasutades tehnikat, mida nimetatakse transiidi meetod. See on teadusliku vaatluse muljetavaldav saavutus, kuid see ei ütle meile palju nende planeetide kohta – vaid nende ligikaudne suurus ja mõnikord ka mass.

Kui tahame teada, milline on planeet – kas sellel on atmosfäär? millest see koosneb? kas taevas on pilvi? kas seal on vett? — peame vaatama palju, palju üksikasjalikumalt. Seda Webb kavatseb teha, kuid see on tohutu tehniline väljakutse. Seetõttu teevad NASA, ESA ja Kanada kosmoseagentuur (CSA) selle projekti kallal koostööd.

"Web on sada korda tundlikum kui Hubble ja tänu sellele suudab Webb selle paljastada kõige nõrgemad detailid väga kauge universumi kõige kaugemates nurkades, suurepärase eraldusvõimega, "Nota selgitas.

Kuigi Hubble on harjunud eksoplaneetide kohta lisateavet, Espinoza ütles: "Vaade, mille see teile annab, on väga kitsas. Võib-olla annab see teile ühe funktsiooni. Võrdluseks ütles ta, et Webb on "mõistustav", võimaldades meil näha mitut funktsiooni korraga ja vaadata väiksemaid planeete. "See on meie esimene muudatus, et vaadelda väiksemaid planeete üksikasjalikult."

Hubble töötab ka nähtava valguse lainepikkusel, jäädvustades pilte meie nähtavas valgusvahemikus. Kuid James Webb töötab infrapuna lainepikkusel, mis suudab välja tuua erinevaid funktsioone ja vaadake läbi varjava tolmu, "avades akna universumisse, mis on täiesti uus", nagu Nota pane see.

Hubble ja Webb saavad teha koostööd, kogudes täiendavaid andmeid samade sihtmärkide kohta. Nii et kui sa armastad kaunid Hubble'i jäädvustatud pildid kosmosest, ärge muretsege, need ei kao kuhugi. Me lihtsalt omandame uue tööriista veelgi sügavamaks mõistmiseks.

"James Webb saab olema revolutsiooniline. Sõna otseses mõttes revolutsiooniline, ”ütles Espinoza. "See võimaldab meil näha asju, mida oleme juba pikka aega oodanud tuvastada, kuid mida pole tal oli tehnoloogia, mida näha, ja ma olen üsna kindel, et see tuvastab asju, millele me ei mõtle aastast.”

Hubble'i 1980. aastate tehnoloogia värskendamine

Teadlased on teinud märkimisväärset tööd eksoplaneetide leidmisel ja nende tundmaõppimisel, kasutades praegu olemasolevaid vahendeid, avastades seni üle 4000 eksoplaneeti. See väli on aga väga värske, esimesed planeedid väljaspool meie päikesesüsteemi tuvastati 1990. aastatel. See tähendab, et paljud praeguse põlvkonna instrumendid, nagu Hubble, ei olnud kunagi loodud eksoplaneetide uuringuid silmas pidades.

"Hubble on 80ndate tehnoloogia," ütles Espinoza. “Ei midagi 80ndate vastu – ma armastan 80ndaid, eriti muusikat! – aga tehnoloogia on palju arenenud. Sellised detektorid, mis meil toona olid, pole midagi võrreldes praeguste detektoritega.

James Webb seevastu on loodud konkreetse eesmärgiga, et seda saaks kasutada eksoplaneedi iseloomustamiseks, ja see on olnud selle disainipõhimõtete esirinnas. Näiteks kui Webb osutab tähele, osutab see konkreetsele pikslile väga suure täpsusega ja see ei näita üldse liikuda, võimaldades teadlastel väga täpselt mõõta kõiki heleduse langusi, mis võivad anda vihjeid planeedile orbiit.

Selline täpsus võimaldab Webbil täita oma põnevaimat eksoplaneetidega seotud funktsiooni: tuvastada, kas eksoplaneedil on atmosfäär ja millest see atmosfäär koosneb. "Väikesed detailid, millel on palju tähtsust, kui proovite tuvastada eksoplaneedi atmosfääri," selgitas Espinoza.

Eksoplaneetide uurimine infrapunavalguse abil

Kuigi teadlased on välja mõelnud mõned väga loomingulisi viise juurde tuvastada eksoplaneetide atmosfääri, pole praegused instrumendid mõeldud selleks. Seetõttu on Webbi võimalused nii revolutsioonilised.

Universumi vaatamiseks on Webbil neli instrumenti, mis vaatavad infrapuna lainepikkust. Nende hulka kuuluvad lähiinfrapunakaamera (NIRCam) ja lähiinfrapunaspektrograaf (NIRSpec). Siis on peenjuhtimisandur / lähiinfrapuna-kaamera ja piludeta spektrograaf (FGS / NIRISS), mis, nagu nende nimed viitavad, näevad välja lähiinfrapuna sagedusalas. Lõpuks on olemas keskmise infrapuna instrument (MIRI), mis näeb kaug-infrapuna laias vahemikus.

Kuid need on tundlikud instrumendid ja nende tööks on vaja hoolikalt hooldatud keskkonda. Seega peab neid ümbritsev tehnoloogia olema ka tipptasemel.

Webb on täis uut ja keerulist tehnoloogiat, alates tundlikest IR-detektoritest kuni tenniseväljaku suuruse viiekihilise õhukese Kaptoni päikesevarjeni, mis kaitseb. päikesekiirguse mõõteriistad ning võimaldavad teleskoobil ja detektoritel saavutada infrapunas vaatlemiseks vajalikku külma temperatuuri," Nota ütles.

Ta juhtis tähelepanu ka instrumentide peentele üksikasjadele, nagu NIRSpeci mikrokatiku massiiv, mis kujutab endast paari inimese juuksekarva suurust pisikesi aknaluugi. See võimaldab seadmel korraga jälgida sadu objekte. "Absoluutselt esimene kosmoseastronoomias, kus spektroskoopiat tehakse traditsiooniliselt üks objekt korraga," ütles Nota.

Mõistmine, kust me tulime

Tõuge näha, kas kaugel planeedil on atmosfäär, ei ole lihtsalt teaduslik õitseng ega tühine uudishimu selle vastu, millised need kauged kohad on. Pigem on oluline mõista, kuidas planeedid - sealhulgas meie oma - luuakse.

Kui on vaja mõista, kuidas meie päikesesüsteem kujunes, käitavad teadlased mudeleid ja püüavad näha, kuidas oleksime võinud jõuda meie nähtud planeetide koosseisu. "Kuid praegu on meil valimi suurus üks," märkis Espinoza. "Meie päikesesüsteem. see on kõik. Nüüd oleme ajastul, mil saame tutvuda teiste päikesesüsteemide koostistega. Ja see, kuidas planeedid moodustuvad, määrab nende keemilise koostise.

Nii et kui vaatame kauge eksoplaneedi atmosfääri, saame teada, kuidas see tekkis. Ja selle põhjal saame luua pildi sellest, kuidas planeedid ja päikesesüsteemid moodustuvad, tuginedes rohkematele juhtumitele kui ainult meie tagaaias. "Nii et saada vihjeid nende eksoplaneetide moodustumise tunnustele keemia kaudu, mida me nendel eksoplaneetidel jälgime. atmosfäär on meie jaoks ülioluline, et mõista, kuidas need tekkisid ja seega ka meie kujunemise viisid,“ ta ütles.

Elamiskõlblikkuse jaht

Võib-olla on kõige põnevam põhjus eksoplaneetide atmosfääri vaatamiseks mõista, kus mujal universumis võiks elu õitseda. "Üks võtmeküsimusi, mida Webb uurib, on elu päritolu," ütles Nota. "Eksomaailmu on tohutult palju rohkem, kui oleksime ette kujutanud. Nende tähele väga lähedal tiirlevad Jupiteri suurused gaasiplaneedid, tohutud kivised "supermaad" ja "soojad" Neptuun.’ Mõnel neist võivad olla sobivad temperatuuritingimused ja õige koostis elu."

Kuid Espinoza sõnul ei piisa planeedi elamiskõlblikkuse kindlakstegemiseks selle suuruse ja massi teadmisest. Lõppude lõpuks, kui leiame planeedi, mis on Maa-suurune ja millel on sarnane mass, eeldavad inimesed sageli, et see on Maa-sarnane koht. Kuid Veenus ja Marss on Maaga ligikaudu sarnase suuruse ja massiga ning nende atmosfäär on meie eluvormi jaoks äärmiselt ebasõbralik. "Veenus on halvim koht puhkuseks!" naljatas ta oma tohutu rõhu ja mürgise atmosfääriga, mis on täis süsihappegaasi. Marss pole palju parem, selle äärmiselt õhukese, mittehingava atmosfääriga, mis on vaid 1% meie atmosfääri tihedusest Maal.

Seega peame teadma atmosfääri, et teada saada, kas üksik planeet on elamiskõlblik. Ja mis veelgi olulisem, selleks, et saada hinnangut selle kohta, kui palju elamiskõlblikke planeete seal võib olla, peame teadma, mis tüüpi atmosfäär on tüüpiline meie omaga sarnase suurusega planeetidele. "Milline on looduse kõige levinum atmosfäär?" küsis Espinoza. "See võib olla Veenuse või Marsi sarnane ja Maa on kõrvalekalle." Või võib juhtuda, et Maa-sarnane atmosfäär on tüüpiline ja potentsiaalselt elamiskõlblike planeetide arv on tohutu.

Sirutades käe tundmatusse

Webb ei vaata ainult eksoplaneete. See viib läbi tohutul hulgal uuringuid, alustades tagasivaatamisest universumi varaseimatesse faasidesse, et näha esimeste galaktikate moodustumist, kuni jälgimiseni, kuidas tähed tekivad keerlevast tolmust ja gaasist. Sellega kavandatud teadustegevuse esimene aasta, kraabime lihtsalt pinda, milleks seda uut tööriista kasutada saaks. Peame ootama ja vaatama, milliseid muid astronoomilisi imesid see lahti harutada suudab.

"Ma arvan, et suurim avastus on see, mida keegi ei oota," ütles Nota. "See, mis muudab seda, kuidas me universumit näeme, see, mis võib-olla lõplikult määratleb meie koha universumis."

Toimetajate soovitused

• James Webb märkab iidset tolmu, mis võis pärineda kõige varasematest supernoovadest
• Suumige vapustavat James Webbi pilti, et näha galaktikat, mis tekkis 13,4 miljardit aastat tagasi
• James Webb märkab kõige kaugema aktiivse supermassiivse musta augu, mis eales avastatud
• James Webb leiab vihjeid universumi suuremahulisele struktuurile
• James Webb tuvastab vapustavas Orioni udukogus olulise molekuli