James Webbin ensimmäiset opiskelukohteet ovat lähellä kotia

Tähtitieteilijät ympäri maailmaa odottavat uutta tiedettä, joka on mahdollista kun James Webb Space Telescope, maailman tehokkain avaruusteleskooppi, valmistuu käyttöönotto. Sen jälkeen kun kaukoputki laukaistiin 25. joulukuuta 2021, se on avannut laitteistonsa lopulliseen kokoonpanoonsa, saavuttanut viimeisen kiertoradansa auringon ympäri ja sen peilit on kohdistettu ensisijaiseen kameraansa, mutta on vielä vaiheita, kuten sen instrumenttien kalibrointi, suoritettava ennen kuin se on valmis tieteelliseen käyttöön.

Heti kun käyttöönottovaihe on saatu päätökseen, jonka on määrä päättyä tänä kesänä, tieteelliset havainnot alkavat. Ja tässä asiat muuttuvat jännittäviksi, koska kaukoputken korkea herkkyys ja infrapunaominaisuudet mahdollistavat sen tarkkailla äärimmäisen kaukana olevia kohteita, jopa himmeämpiä kuin nykyisten avaruusteleskoopit, kuten Hubble. Se avaa tähtitieteellisten havaintojen uuden aikakauden ja voi auttaa tutkimaan aiheita kuten laaja-alainen siitä, miten ensimmäiset galaksit muodostuivat ja onko muiden tähtijärjestelmien planeetoilla ilmakehää tai ei.

Kolmetoista projektia on valittu testaamaan tämän upouuden kaukoputken ominaisuuksia sen viiden ensimmäisen kuukauden aikana. ja kuten voitte kuvitella, kilpailu siitä, mitkä projektit saisivat ensimmäiset kokeilut tähän uuteen työkaluun, oli kovaa.

Suurin osa 13 hanketta valittu tarkastelee kaukaisia ​​kohteita, kuten mustia aukkoja tai kaukaisia ​​galakseja. Mutta yksi projekti näyttää lähempänä kotia - Jupiterilla, aivan kosmisella takapihallamme.

Saadakseen tietoa siitä, mitä tutkijat toivovat löytävänsä tästä suuresta, kauniista kaasujättiläisestä, ja selvittää miksi niin suhteellisen lähellä kohdetta käytetään testaamaan niin tehokasta teleskooppia, puhuimme Berkeley tähtitieteilijä Imke de Paterin, Jupiterin havainnoinnin johtajan kanssa. tiimi.

Koko järjestelmä tutkittavaksi

Verrattuna kaukaisiin eksoplaneettoihin tai jopa kauempana oleviin aurinkokuntamme jääjättiplaneettoihin, tähtitieteilijät tietävät Jupiterista paljon. Meillä on runsaasti tietoa planeettasta kiitos sekä maanpäällisistä teleskooppeista tehdyistä havainnoista että Galileon kaltaisista tehtävistä, jotka kiertävät planeettaa vuoteen 2003 asti, ja Juno joka kiertää siellä edelleen.

Mutta kuten tieteen kanssa usein tapahtuu, jokainen planeettasta saamamme tieto voi herättää lisää kysymyksiä. "Olemme olleet siellä useiden avaruusalusten kanssa ja havainneet planeettaa Hubblella ja monilla maassa sijaitsevilla kaukoputkilla sähkömagneettisen spektrin aallonpituuksilla (UV: sta metrin aallonpituuksiin), joten olemme oppineet valtavasti Jupiterista itsestään, sen ilmakehästä, sisätiloista ja sen kuuista ja renkaista", de sanoi. Pater. "Mutta joka kerta kun opit lisää, on asioita, joita et vielä ymmärrä - joten tarvitset aina lisää tietoa."

Jotkut suurimmista avoimista kysymyksistämme Jupiterista koskevat sitä tunnelmaa, kuten kuinka lämpö liikkuu ilmakehän kerrosten välillä ja miten ilmakehä on vuorovaikutuksessa magnetosfäärin kanssa.

Mutta ryhmä ei katso vain itse Jupiteria, vaan hioi yksityiskohtia, kuten Great Red Spot (niin laaja myrskyinen myrsky että se voidaan nähdä riittävän suurena täplänä nielaisemaan koko maapallon) ja planeetan etelänavana (joka on ominaista revontulet). He myös tarkastelevat koko Jovian järjestelmää, mukaan lukien planeetan haaleat renkaat ja sen kuut, mukaan lukien Io ja Ganymede.

Jokainen näistä kohteista on kiehtova itsessään - Io on esimerkiksi aurinkokunnan vulkaanisesti aktiivisin paikka, ja Ganymede on ainoa kuu, jonka tiedetään tuottavan oman magnetosfäärinsä. Kokonaisuutena tarkasteltuna Jovian-järjestelmä on ihanteellinen paikka testata Webbin kykyjen rajoja.

Katse infrapunaan

Auttaakseen oppimaan näistä monimutkaisista aiheista de Paterin ryhmä hyödyntää James Webbin infrapunaominaisuuksia, joiden avulla tutkijat voivat tarkastella planeetan ilmakehää syvemmälle.

Nämä ominaisuudet mahdollistavat ilmakehän tutkimisen pidemmälle kuin se olisi mahdollista katsomalla näkyvän valon aallonpituutta. "Näkyvällä aallonpituusalueella näet periaatteessa pilviä", hän selitti. "Infrapuna-aallonpituuksilla voit tutkia pilvien yläpuolella ja pilvien alapuolella aallonpituudesta riippuen. Eri aallonpituuksilla voit nähdä eri korkeuksia ilmakehässä riippuen opasiteetista ilmakehä (eli kuinka paljon "valoa" absorboituu tietyllä aallonpituudella määrittää kuinka syvälle voidaan katsoa planeetta).

Erityisen hyödyllisiä tässä tutkimuksessa ovat keski-infrapuna-aallonpituudet, joita voidaan tarkastella Webbin MIRI- tai Mid-Infrared Instrument -laitteella.

"Suurin etu on infrapuna-aallonpituuksilla", de Pater selitti. "Voimme tarkkailla joitakin näistä aallonpituuksista maasta, mutta maapallon ilmakehä on niin myrskyinen, että mitä saamme maahan, emme pysty kalibroimaan havaintoja kovin hyvin." Tämä tarkoittaa lisää epävarmuutta tiedot; ongelma, jota pahentaa maan päällä oleva infrapuna-taustasäteily.

Mutta James Webbin kaltaisella avaruudessa sijaitsevalla kaukoputkella ei ole ilmakehää ja vähemmän taustasäteilyä tiellä, mikä tarkoittaa, että kerätyt tiedot ovat paljon tarkempia. Lisäksi Webb tarjoaa poikkeuksellisen vakauden, mikä tarkoittaa, että se voi osoittaa kohdetta eikä horjua avaruuden sijainnin ansiosta. Kaikki tämä tarkoittaa, että se voi kerätä joitakin tähän mennessä tarkimpia tietoja Jupiterista.

Webbin rajojen testaaminen

Arvioidessaan ehdotuksia siitä, miten James Webbia voitaisiin käyttää, de Pater selitti komitean päättämässä mitkä hankkeet halusivat ensin nähdä tähtitieteilijäyhteisön ajatukset siitä, mitä teleskooppi voisi tehdä tehdä. "Joten he todella etsivät projekteja, jotka työnsivät JWST: n rajoja", hän sanoi. "Sitä meidän projektimme tekee."

He käyttävät kaikkia neljää Webbin instrumenttia eri yhdistelmissä järjestelmän eri kohteille poimimaan erilaisia ​​ominaisuuksia, kuten tulivuoria, renkaita ja planeetan ilmakehän kerroksia.

Suunnitelmana oli tarkkailla Jupiteria, sen renkaita ja sen kuita Io ja Ganymede, mutta useita vuosia sen jälkeen, kun ryhmä esitti Heidän ehdotuksensa syntyi odottamaton ongelma – kaukoputki oli itse asiassa liian herkkä suureen osaan suunnitellusta työstä Jupiter. "Kaukoputki oli paljon herkempi kuin he odottivat, joten jouduimme muuttamaan useita Jupiterin havaintojamme - ja voimme tehdä itse Jupiterille vähemmän kuin alun perin odotimme."

Mutta tiimi tiesi silti voivansa saada arvokasta tietoa ja löytää tapoja tehdä haluamansa työn. He muuttivat tekijöitä, kuten käyttämiään suodattimia, ja tarkastelivat pienempiä näkökenttiä.

Miksi Jupiter tarjoaa tällaisen haasteen

Ajatus siitä, että kaukoputki on liian herkkä, saattaa kuulostaa ristiriitaiselta. Mutta ajattele sitä kuin valokuvaamista aurinkoa kohti: Kaikki värit puhalletaan pois, joten kaikki näyttää valkoiselta ja haalistuneelta ja on vaikea nähdä mitään yksityiskohtia. Auringosta tuleva valo on aivan liian kirkas, mikä johtaa ylivalottuneeseen kuvaan.

Sama tapahtuu tutkittaessa tähtitieteellisiä kappaleita. Planeetat eivät anna paljon valoa tähtiin verrattuna, koska ne eivät tuota omaa valoaan, vaan heijastavat vain tähtiensä valoa. Tämä tekee planeetoista paljon himmeämpiä kuin tähdet yleisesti. Mutta kun tarkastelet pieniä yksityiskohtia tai etsit vielä pienempiä kappaleita, kuten kuita, tai hienoja yksityiskohtia, kuten renkaita, planeetan valo voi luoda häikäisyä keräämissäsi tiedoissa.

Se on suuri haaste käytettäessä Webbia Jupiterin kuuiden tai renkaiden tutkimiseen: Pyri sallimaan planeetalta tuleva valo, jotta nämä pienet esineet voidaan nähdä yksityiskohtaisesti. Jupiter on yksi kirkkaimmista kohteista taivaalla, joten tämä ei ole helppo tehtävä.

Onneksi tähtitieteilijöillä on paljon kokemusta planeettojen renkaiden havainnoinnista käyttämällä muita työkaluja, kuten Hubble-avaruusteleskooppia. "Joten käytämme tätä tietoa JWST-havaintoja varten", de Pater selitti. Ryhmä tarkkailee renkaita eri "rullauskulmissa", mikä tarkoittaa, että renkaat siirretään ilmaisimen hieman eri asentoihin. Tarkkailemalla renkaita eri kulmista he voivat nähdä kuinka planeetalta hajallaan oleva valo putoaa renkaiden päälle. Sitten tämä valo voidaan vähentää jättäen vain valon itse renkaista.

Planeettojen tutkiminen aurinkokunnassamme ja sen ulkopuolella

Webbin käyttäminen Jupiterin tutkimiseen ei ole vain tapa testata tämän upouuden kaukoputken rajoja. Oman aurinkokuntamme planeettojen tutkiminen voi myös auttaa ymmärtämään aurinkokuntamme ulkopuolisia planeettoja, joita kutsutaan eksoplaneetoiksi.

Yksi eksoplaneettatieteen suurista tavoitteista nykyään on mennä planeetan tunnistamista ja sen arvioimista pidemmälle kokoa tai massaa ja muodostaa siitä täydellisempi käsitys tarkastelemalla, onko sillä tunnelmaa.

Mutta ymmärtääksemme kaukaisten järjestelmien planeettoja, se auttaa ymmärtämään omia planeettojamme. Webb tarkastelee kaukaisten kaasujättiläisten ilmapiiriä, jota voimme sitten verrata siihen, mitä tiedämme Jupiterin ja Saturnuksen ilmakehistä.

Lisäksi käyttämällä Webbia Jupiterin tutkimiseen de Paterin tiimi kehittää työkaluja, joita muut tähtitieteellinen yhteisö voivat käyttää muiden planeettojen tutkimiseen. aurinkokuntaamme ja antaa välähdyksen siitä, mitä Webb voisi löytää niistä – mukaan lukien kiehtovat ja harvoin tutkitut kaukaiset Uranuksen ja Neptunus.

”Tiimimme kehittää ohjelmistoja, joita voidaan käyttää Jovian järjestelmään, mutta myös Saturnukseen, Uranukselle ja Neptunukselle. Ja voimme näyttää ihmisille, mitä voit odottaa havainteidemme perusteella”, de Pater sanoi. "Se on ehdottomasti tiennäyttäjä sillä tavalla."

Toimittajien suositukset

• Tästä syystä tutkijat ajattelevat, että elämä on voinut kukoistaa "helvettiplaneetalla" Venuksella
• Zoomaa upeaan James Webb -kuvaan nähdäksesi galaksin, joka muodostui 13,4 miljardia vuotta sitten
• James Webb havaitsee kaukaisimman koskaan löydetyn aktiivisen supermassiivisen mustan aukon
• James Webb havaitsee vihjeitä maailmankaikkeuden laajamittaisesta rakenteesta
• James Webb havaitsee tärkeän molekyylin upeasta Orion-sumusta