Kuinka James Webb -avaruusteleskooppi metsästää eksoplaneettoja

Kun juuri käynnistetty James Webb -avaruusteleskooppi avautuu täysin ja tulee verkkoon, se ei ole vain yksi työkalu tähtitieteilijöille tutkia maailmankaikkeutta. Huippuluokan spektroskopiateknologiansa ansiosta se pystyy kurkistamaan avaruuden pimeyteen ja nähdä kaukaisia ​​kohteita yksityiskohtaisemmin kuin koskaan ennen – paljon enemmän kuin edeltäjänsä Hubble-avaruus Teleskooppi. Se tulee mullistamaan ymmärryksemme eksoplaneetoista, ja se voi jopa auttaa meitä oppimaan, mistä olemme tulleet ja missä muualla maailmankaikkeudessa voisi olla asumiskelpoista.

Puhuimme kahden kanssa saadaksemme tietoa siitä, kuinka James Webb -avaruusteleskooppi auttaa meitä tutkimaan pyöriviä kivipalloja biljoonien kilometrien päässä (ja miksi tähtitieteilijät haluavat niin). tutkijat, jotka työskentelevät James Webbin kanssa käyttöönoton jälkeen: Néstor Espinoza Space Telescope Science Institutesta ja Antonella Nota Euroopan avaruusjärjestöstä (ESA).

Valtava harppaus eteenpäin

Viime vuosina tutkijat ovat tunnistaneet aurinkokuntamme ulkopuolisia planeettoja käyttämällä kaukoputkia, kuten TESS (transiting Exoplanet Survey Satellite) tai Kepler-avaruusteleskooppi. Nämä pystyvät katsomaan kirkkaimpia tähtiä ja näkemään muutoksia niiden kirkkaudessa, kun planeetta kulkee niiden ja meidän välillämme käyttämällä tekniikkaa nimeltä kauttakulkumenetelmä. Tämä on vaikuttava tieteellisen havainnon saavutus, mutta se ei kerro meille paljon siitä, millaisia ​​nämä planeetat ovat - vain niiden likimääräinen koko ja joskus niiden massa.

Jos haluamme tietää, millainen planeetta on, onko sillä ilmakehää? mistä se koostuu? onko taivaalla pilviä? onko siellä vettä? – Meidän on tarkasteltava paljon, paljon yksityiskohtaisemmin. Sitä Webb aikoo tehdä, mutta se on valtava tekninen haaste. Siksi NASA, ESA ja Kanadan avaruusjärjestö (CSA) työskentelevät yhdessä tämän projektin parissa.

"Web on sata kertaa herkempi kuin Hubble, ja sen ansiosta Webb pystyy paljastamaan sen himmeimmät yksityiskohdat hyvin kaukaisen universumin kaukaisimmissa nurkissa, erinomaisella resoluutiolla", Nota selitti.

Vaikka Hubble on tottunut oppia lisää eksoplaneetoista, Espinoza sanoi: "Näkymä, jonka se antaa sinulle, on hyvin kapea. Se antaa sinulle ehkä yhden ominaisuuden." Vertailun vuoksi, hän sanoi, Webb tulee olemaan "mielen räjäyttävä", jolloin voimme nähdä useita piirteitä kerralla ja tarkastella pienempiä planeettoja. "Se on ensimmäinen muutoksemme tarkastella pienempiä planeettoja yksityiskohtaisesti."

Hubble toimii myös näkyvän valon aallonpituudella ja ottaa kuvia näkemämme valon alueella. Mutta James Webb työskentelee infrapuna-aallonpituudella, joka voi poimia erilaisia ​​ominaisuuksia ja katsoa peittävän pölyn läpi, "avaa ikkunan maailmankaikkeuteen, joka on täysin uusi", kuten Nota laita se.

Hubble ja Webb voivat työskennellä yhdessä keräämällä täydentäviä tietoja samoista kohteista. Joten jos rakastat kauniita Hubblen vangitsemia kuvia avaruudesta, älä huoli, nämä eivät katoa. Saamme yksinkertaisesti toisen työkalun entistä syvempään ymmärtämiseen.

"James Webbistä tulee vallankumouksellinen. Kirjaimellisesti vallankumouksellinen", Espinoza sanoi. "Sen avulla voimme nähdä asioita, joita olemme odottaneet havaitsevamme pitkään, mutta emme ole sillä oli tekniikka nähdäkseen, ja olen melko varma, että se havaitsee asioita, joita emme ajattele alkaen.”

Hubblen 1980-luvun teknologian päivittäminen

Tutkijat ovat tehneet merkittävää työtä etsiessään ja oppiessaan eksoplaneettoja tällä hetkellä saatavilla olevilla välineillä ja löytäneet tähän mennessä yli 4 000 eksoplaneettaa. Tämä kenttä on kuitenkin hyvin tuore, ja ensimmäiset aurinkokuntamme ulkopuoliset planeetat tunnistettiin 1990-luvulla. Tämä tarkoittaa, että monia nykyisen sukupolven instrumentteja, kuten Hubblea, ei koskaan suunniteltu eksoplaneettatutkimuksia ajatellen.

"Hubble on 80-luvun tekniikkaa", Espinoza sanoi. ”Ei mitään 80-lukua vastaan ​​– rakastan 80-lukua, erityisesti musiikkia! – mutta tekniikka on kehittynyt valtavasti. Sellaiset ilmaisimet, jotka meillä oli silloin, eivät ole mitään verrattuna nykyisiin ilmaisimiin.

James Webb puolestaan ​​​​on suunniteltu erityisellä tarkoituksella käytettäväksi eksoplaneettojen karakterisointiin, ja se on ollut sen suunnitteluperiaatteiden eturintamassa. Esimerkiksi kun Webb osoittaa tähteä, se osoittaa tiettyyn pikseliin erittäin tarkasti eikä liikkua ollenkaan, jolloin tutkijat voivat mitata erittäin tarkasti kirkkauden laskut, jotka voisivat antaa vihjeitä planeetan olemassaolosta. kiertoradalla.

Tämän tason tarkkuuden ansiosta Webb voi suorittaa jännittävimmän eksoplaneettaan liittyvän tehtävänsä: havaita, onko eksoplaneetalla ilmakehää ja mistä ilmakehä koostuu. "Pienet yksityiskohdat, joilla on paljon merkitystä, kun yrität havaita eksoplaneetan ilmakehää", Espinoza selitti.

Eksoplaneettojen tutkiminen infrapunavalolla

Vaikka tutkijat ovat keksineet joitain erittäin luovia tapoja to havaita eksoplaneettojen ilmakehät, se ei ole jotain, jota nykyiset laitteet on suunniteltu tekemään. Siksi Webbin kyvyt ovat niin vallankumouksellisia.

Universumiin kurkistaakseen Webbillä on neljä instrumenttia, jotka katsovat infrapuna-aallonpituudella. Niihin kuuluvat lähi-infrapunakamera (NIRCam) ja lähi-infrapunaspektrografi (NIRSpec). Sitten on Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager ja Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), jotka, kuten nimensä antavat ymmärtää, näyttävät lähi-infrapunakaistalta. Lopuksi on Mid-Infrared Instrument (MIRI), joka näyttää laajalla kauko-infrapuna-alueella.

Mutta nämä ovat herkkiä instrumentteja, ja ne vaativat huolellisesti hoidetun ympäristön toimiakseen. Heitä ympäröivän tekniikan on siis oltava myös huippuluokkaa.

"Web on täynnä uutta, monimutkaista teknologiaa herkistä infrapunatunnistimista tenniskentän kokoiseen, viisikerroksiseen ohueseen Kapton-aurinkosuojaan, joka suojaa Auringon säteilyn instrumentointi ja mahdollistaa sen, että kaukoputki ja ilmaisimet saavuttavat kylmän lämpötilan, joka tarvitaan infrapunassa havaitsemiseen", Nota sanoi.

Hän korosti myös instrumenttien hienoja yksityiskohtia, kuten NIRSpecin mikrosuljinryhmää, joka on joukko pieniä, muutaman ihmisen hiuksen kokoisia ikkunaluukkuja. Näin laite voi tarkkailla satoja kohteita samanaikaisesti. "Absoluuttinen ensimmäinen avaruusastronomiassa, jossa spektroskopia tehdään perinteisesti yksi kohde kerrallaan", Nota sanoi.

Ymmärtää mistä tulimme

Sysäys sen selvittämiseen, onko kaukaisella planeetalla ilmakehää, ei ole vain tieteellinen menestys tai tyhjä uteliaisuus siitä, millaisia ​​nämä kaukaiset paikat ovat. Pikemminkin se on avainasemassa ymmärtämään, kuinka planeetat - mukaan lukien omamme - luodaan.

Kun on tarkoitus ymmärtää aurinkokuntamme muodostumista, tutkijat ajavat malleja ja yrittävät nähdä, kuinka olisimme voineet päätyä näkemiimme planeettojen koostumukseen. "Mutta tällä hetkellä meillä on yksi otoskoko", Espinoza huomautti. "Aurinkokuntamme. Se siitä. Nyt olemme aikakaudella, jolloin voimme kurkistaa muiden aurinkokuntien koostumuksiin. Ja se, miten planeetat muodostuvat, määrittää niiden kemiallisen koostumuksen."

Joten kun katsomme kaukaisen eksoplaneetan ilmapiiriä, opimme, kuinka se syntyi. Ja sen perusteella voimme rakentaa kuvan siitä, kuinka planeetat ja aurinkojärjestelmät muodostuvat, perustuen useampaan tapaukseen kuin vain meidän takapihallamme. "Joten näiden vihjeiden saaminen näiden eksoplaneettojen muodostumisen allekirjoituksista niiden kemian kautta, jonka havaitsemme ilmapiirit ovat meille ehdottoman tärkeitä ymmärtääksemme, miten ne syntyivät ja näin ollen kuinka me tulimme olemaan, hän sanoi.

Asumiskelpoisuuden metsästys

Ehkä jännittävin syy tarkastella eksoplaneettojen ilmakehää on ymmärtää, missä muualla universumissa elämä voisi kukoistaa. "Yksi Webbin avainkysymyksistä on elämän alkuperä", Nota sanoi. "Eksomaailmoja on valtavasti, enemmän kuin olisimme voineet kuvitella. On olemassa Jupiterin kokoisia kaasuplaneettoja, jotka kiertävät hyvin lähellä tähteään, valtavia kivisiä "supermaita" ja "lämpimiä" Neptunukset. Joillakin näistä voi olla oikeat lämpötila-olosuhteet ja oikea koostumus isännöintiin elämä."

Mutta sen määrittämiseksi, onko planeetta asumiskelpoinen, Espinoza sanoi, ei riitä, että tietää sen kokoa ja massaa. Loppujen lopuksi, kun löydämme planeetan, joka on Maan kokoinen ja jolla on samanlainen massa, ihmiset usein olettavat sen olevan Maan kaltainen paikka. Mutta Venus ja Mars ovat kooltaan ja massaltaan suunnilleen samanlaisia ​​kuin Maan, ja niissä on ilmakehä, joka on äärimmäisen epäystävällinen elämänmuodollemme. “Venus on pahin paikka lomalle!” hän vitsaili, sen valtava paine ja myrkyllinen ilmakehä täynnä hiilidioksidia. Mars ei ole paljon parempi, sillä sen erittäin ohut, hengittävä ilmakehä on vain 1 % ilmakehämme tiheydestä maan päällä.

Joten meidän on tiedettävä ilmakehät, jotta voimme tietää, onko yksittäinen planeetta asumiskelpoinen. Ja mikä vielä tärkeämpää, saadaksemme arvion siitä, kuinka monta asuttavaa planeettaa siellä voisi olla, meidän on tiedettävä, millaiset ilmakehät ovat tyypillisiä meidän kaltaisillemme planeetoille. "Mikä on yleisin luonnon muodostama ilmapiiri?" Espinoza kysyi. "Se voi olla Venuksen tai Marsin kaltainen, ja Maa on poikkeava." Tai voi olla, että Maan kaltaiset ilmakehät ovat tyypillisiä ja mahdollisesti asuttavien planeettojen määrä siellä on valtava.

Kurottautumassa tuntemattomaan

Webb ei katso vain eksoplaneettoja. Se suorittaa valtavan määrän tutkimusta, katsomalla taaksepäin maailmankaikkeuden varhaisimpiin vaiheisiin nähdäkseen ensimmäisten galaksien muodostumisen, katsomalla, kuinka tähdet syntyvät pyörivästä pölystä ja kaasusta. Sen kanssa ensimmäinen vuosi suunniteltu tiedetoiminta, kaavimme vain pintaa, mihin tätä uutta työkalua voitaisiin käyttää. Meidän on odotettava ja katsottava, mitä muita tähtitieteellisiä ihmeitä se pystyy paljastamaan.

"Uskon, että suurin löytö on se, jota kukaan ei odota", Nota sanoi. "Se, joka muuttaa tapaamme nähdä maailmankaikkeuden, joka määrittää, ehkä lopullisesti, mikä on paikkamme maailmankaikkeudessa."

Toimittajien suositukset

• James Webb havaitsee muinaisen pölyn, joka saattoi olla varhaisimmista supernovoista
• 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