Kako će svemirski teleskop James Webb loviti egzoplanete

Kada svježe lansirani svemirski teleskop James Webb potpuno razvija i dolazi na mrežu, neće biti samo još jedan alat za astronome za istraživanje svemira. Sa svojom vrhunskom tehnologijom spektroskopije, moći će zaviriti u tamu svemira i vidjeti udaljene objekte detaljnije nego ikad prije — daleko više od svog prethodnika, svemirskog Hubblea Teleskop. To će revolucionirati naše razumijevanje egzoplaneta, a moglo bi nam čak pomoći da saznamo odakle smo došli i gdje bi još u svemiru moglo biti nastanjivo.

Da bismo saznali kako će nam svemirski teleskop James Webb pomoći u proučavanju rotirajućih kamenih kugli bilijunima milja daleko (i zašto astronomi to žele), razgovarali smo s dvojicom istraživači koji će raditi s Jamesom Webbom nakon postavljanja: Néstor Espinoza iz Znanstvenog instituta za svemirski teleskop i Antonella Nota iz Europske svemirske agencije (ESA).

Ogromni skok naprijed

Posljednjih su godina istraživači identificirali planete izvan našeg sunčevog sustava pomoću teleskopa poput TESS (transiting Exoplanet Survey Satellite) ili Svemirski teleskop Kepler. One mogu promatrati najsjajnije zvijezde i vidjeti promjene u njihovom sjaju kada planet prođe između njih i nas pomoću tehnike zvane način tranzita. Ovo je impresivan podvig znanstvenog promatranja, ali nam ne govori puno o tome kakvi su ti planeti - samo njihovu približnu veličinu i povremeno njihovu masu.

Ako želimo znati kakav je planet — ima li atmosferu? od čega se sastoji? ima li oblaka na nebu? ima li tamo vode? — moramo pogledati mnogo, mnogo detaljnije. To je ono što će Webb učiniti, ali to je ogroman tehnički izazov. Zato NASA, ESA i Kanadska svemirska agencija (CSA) rade zajedno na ovom projektu.

“Webb je stotinu puta osjetljiviji od Hubblea i zbog toga će Webb moći otkriti najslabije detalje u najudaljenijim kutovima vrlo dalekog svemira, s izvrsnom rezolucijom,” Nota objasnio.

Dok je Hubble navikao saznajte više o egzoplanetima, Espinoza je rekao: “Pogled koji vam daje vrlo je uzak. Daje vam jednu značajku, možda.” Za usporedbu, rekao je, Webb će biti "zapanjujući", što će nam omogućiti da vidimo nekoliko značajki odjednom i da gledamo manje planete. "Bit će to naša prva promjena da detaljno promatramo manje planete."

Hubble također radi u valnoj duljini vidljive svjetlosti, snimajući slike u rasponu svjetlosti koju možemo vidjeti. Ali James Webb će raditi na infracrvenoj valnoj duljini, koja može odabrati različite značajke i viriti kroz zamračujuću prašinu, "otvarajući prozor u svemir koji će biti potpuno nov", kako kaže Nota stavi.

Hubble i Webb će moći raditi zajedno, prikupljajući komplementarne podatke o istim ciljevima. Dakle, ako volite prekrasne slike svemira koje je snimio Hubble, ne brini, ovo neće nestati. Jednostavno ćemo dobiti još jedan alat za još dublje razumijevanje.

“James Webb će biti revolucionaran. Doslovno revolucionarno”, rekla je Espinoza. "Omogućit će nam da vidimo stvari koje smo dugo očekivali otkriti, ali nismo imao je tehnologiju za vidjeti, i prilično sam siguran da će otkriti stvari o kojima ne razmišljamo od."

Ažuriranje Hubbleove tehnologije iz 1980-ih

Istraživači su obavili izvanredan posao pronalazeći egzoplanete i učeći o njima koristeći trenutno dostupne instrumente, otkrivši do sada više od 4000 egzoplaneta. Međutim, ovo polje je vrlo nedavno, s prvim planetima izvan našeg sunčevog sustava koji su identificirani 1990-ih. To znači da mnogi instrumenti sadašnje generacije, poput Hubblea, nikada nisu dizajnirani s proučavanjem egzoplaneta na umu.

"Hubble je tehnologija 80-ih", rekao je Espinoza. “Nemam ništa protiv 80-ih – volim 80-e, posebno glazbu! – ali tehnologija je mnogo napredovala. Vrsta detektora koju smo imali tada nije ništa u usporedbi s vrstom detektora koju imamo sada.”

James Webb, s druge strane, dizajniran je s posebnom namjerom da se koristi za karakterizaciju egzoplaneta, a to je bilo na čelu njegovih načela dizajna. Na primjer, kada Webb pokazuje na zvijezdu, pokazat će na određeni piksel s vrlo velikom preciznošću i neće uopće pomaknuti, omogućujući istraživačima da vrlo precizno izmjere sve padove svjetline koji bi mogli dati naznake o planetu u orbita.

Ova razina preciznosti omogućuje Webbu da obavlja svoju najuzbudljiviju funkciju vezanu uz egzoplanete: otkriva ima li egzoplanet atmosferu i od čega se ta atmosfera sastoji. "Mali detalji koji su jako bitni kada pokušavate detektirati atmosferu egzoplaneta", objasnio je Espinoza.

Istraživanje egzoplaneta pomoću infracrvenog svjetla

Iako su istraživači došli do nekih vrlo kreativne načine do otkriti atmosferu egzoplaneta, to nije nešto za što su sadašnji instrumenti dizajnirani. Zato će Webbove mogućnosti biti tako revolucionarne.

Kako bi zavirio u svemir, Webb ima četiri instrumenta koji će gledati u infracrvenoj valnoj duljini. Oni uključuju blisku infracrvenu kameru (NIRCam) i bliski infracrveni spektrograf (NIRSpec). Tu su zatim Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), koji će, kao što im ime sugerira, gledati u bliskom infracrvenom pojasu. Konačno, tu je Mid-Infrared Instrument (MIRI), koji gleda u širokom rasponu u dalekom infracrvenom području.

Ali to su osjetljivi instrumenti i za rad im je potrebno pažljivo održavano okruženje. Stoga i tehnologija oko njih mora biti vrhunska.

„Webb je pun nove, složene tehnologije, od osjetljivih IR detektora, do petoslojne tanke kaptonske zaštite od sunca veličine teniskog terena koja će zaštititi instrumentacije od sunčevog zračenja i omogućit će teleskopu i detektorima da postignu nisku temperaturu potrebnu za promatranje u infracrvenom području,” Nota rekao je.

Također je istaknula fine detalje na instrumentima, poput NIRSpecovog niza mikrozatvarača, koji je skup sićušnih prozora s kapcima veličine nekoliko ljudskih dlaka. To će omogućiti instrumentu promatranje stotina objekata u isto vrijeme. "Apsolutni prvi u svemirskoj astronomiji, gdje se spektroskopija tradicionalno radi jedan po jedan objekt", rekao je Nota.

Razumijevanje odakle smo došli

Poticaj da se vidi ima li daleki planet atmosferu nije samo znanstveni procvat ili prazna znatiželja o tome kakva su ta daleka mjesta. Umjesto toga, to je ključno za razumijevanje kako su planeti - uključujući i naš - stvoreni.

Kada je riječ o razumijevanju kako je nastao naš solarni sustav, istraživači pokreću modele i pokušavaju vidjeti kako smo mogli završiti sa sastavom planeta koji vidimo. "No trenutno imamo uzorak veličine jedan", istaknula je Espinoza. “Naš Sunčev sustav. To je to. Sada smo u eri kada možemo zaviriti u sastave drugih solarnih sustava. A način na koji se planeti formiraju određuje njihov kemijski sastav.”

Dakle, kada pogledamo atmosferu udaljenog egzoplaneta, saznajemo kako je nastala. I iz toga možemo izgraditi sliku o tome kako nastaju planeti i sunčevi sustavi na temelju više slučajeva nego samo jednog u našem dvorištu. “Dakle, dobivanje ovih naznaka formacijskih potpisa na ovim egzoplanetima kroz kemiju koju promatramo u njihovim Atmosfere su apsolutno temeljne da bismo razumjeli kako su one nastale, a time i kako smo mi nastali,” rekao je.

Lov na nastanjivost

Možda je najuzbudljiviji razlog za promatranje atmosfere egzoplaneta razumjeti gdje bi drugdje u svemiru život mogao cvjetati. "Jedno od ključnih pitanja koje će Webb proučavati je podrijetlo života", rekao je Nota. “Postoje ogromne vrste egzo-svjetova, više nego što smo mogli zamisliti. Postoje plinoviti planeti veličine Jupitera koji kruže vrlo blizu svoje zvijezde, ogromne stjenovite 'super-Zemlje' i 'tople Neptun.’ Neki od njih mogli bi imati prave uvjete temperature i pravi sastav za domaćinstvo život."

Ali da bi se utvrdilo je li planet nastanjiv, rekao je Espinoza, nije dovoljno samo znati njegovu veličinu i masu. Uostalom, kada pronađemo planet koji je veličine Zemlje i ima sličnu masu, ljudi često pretpostavljaju da će to biti mjesto nalik Zemlji. Ali Venera i Mars otprilike su slične veličine i mase kao Zemlja i imaju atmosferu koja je krajnje negostoljubiva za naš oblik života. “Venera je najgore mjesto za otići na odmor!” našalio se, s golemim pritiskom i otrovnom atmosferom punom ugljičnog dioksida. Mars nije puno bolji, sa svojom iznimno tankom atmosferom koja se ne može disati i koja je gustoće samo 1% naše atmosfere na Zemlji.

Stoga moramo znati o atmosferi da bismo znali je li pojedini planet nastanjiv. I što je još važnije, da bismo dobili procjenu koliko bi nastanjivih planeta moglo biti vani, moramo znati koje su vrste atmosfera tipične za planete veličine poput našeg. "Koja je najčešća atmosfera koju priroda stvara?" upita Espinoza. "Mogao bi biti sličan Veneri ili Marsu, a Zemlja je izuzetak." Ili bi moglo biti da su atmosfere slične Zemljine tipične, a broj potencijalno nastanjivih planeta tamo je ogroman.

Posezanje u nepoznato

Webb neće promatrati samo egzoplanete. Izvodit će ogroman raspon istraživanja, od osvrta unazad na najranije faze svemira kako bi vidjeli kako se formiraju prve galaksije, do promatranja kako se zvijezde rađaju iz uskovitlane prašine i plina. Sa svojim prva godina planiranih znanstvenih operacija, samo stružemo površinu onoga za što bi se ovaj novi alat mogao koristiti. Morat ćemo pričekati i vidjeti koja će još astronomska čuda moći razotkriti.

"Mislim da će najveće otkriće biti ono koje nitko ne očekuje", rekao je Nota. "Onaj koji će promijeniti način na koji vidimo svemir, onaj koji će definirati, možda jednom zauvijek, koje je naše mjesto u svemiru."

Preporuke urednika

• James Webb uočava drevnu prašinu koja bi mogla biti iz najranijih supernova
• Zumirajte zadivljujuću sliku Jamesa Webba da vidite galaksiju formiranu prije 13,4 milijarde godina
• James Webb uočava najudaljeniju aktivnu supermasivnu crnu rupu ikada otkrivenu
• James Webb pronalazi tragove velike strukture svemira
• James Webb otkriva važnu molekulu u zapanjujućoj Orionovoj maglici