I primi obiettivi di studio di James Webb saranno vicino a casa

Gli astronomi di tutto il mondo sono pieni di anticipazione per la nuova scienza che sarà possibile una volta completato il James Webb Space Telescope, il telescopio spaziale più potente del mondo la messa in produzione. Da quando il telescopio è stato lanciato il 25 dicembre 2021, ha dispiegato il suo hardware nella sua configurazione finale, ha raggiunto la sua orbita finale attorno al sole e completato l'allineamento dei suoi specchi con la sua fotocamera principale, ma ci sono ancora passaggi come la calibrazione dei suoi strumenti prima che sia pronto per uso scientifico.

Non appena la fase di messa in servizio sarà completata, che dovrebbe concludersi quest'estate, inizieranno le osservazioni scientifiche. Ed è qui che le cose si fanno entusiasmanti, poiché l'elevata sensibilità del telescopio e le capacità a infrarossi lo consentiranno per osservare oggetti estremamente distanti, anche più deboli di quelli osservati dagli attuali telescopi spaziali come Hubble. Inaugurerà una nuova era di osservazioni astronomiche e potrebbe aiutare a indagare su argomenti come ad ampio raggio come come si sono formate le prime galassie e se i pianeti in altri sistemi stellari hanno atmosfere o no.

Tredici progetti sono stati scelti per testare le capacità di questo nuovissimo telescopio nei suoi primi cinque mesi di vita operazioni e, come puoi immaginare, il concorso per il quale i progetti dovrebbero ottenere i primi voti su questo nuovo strumento era feroce.

La maggior parte del 13 progetti scelti guarderà oggetti distanti come buchi neri o galassie lontane. Ma un progetto sembrerà più vicino a casa: a Giove, proprio nel nostro cortile cosmico.

Per conoscere ciò che i ricercatori sperano di scoprire su questo grande e bellissimo gigante gassoso e per scoprire perché un obiettivo così vicino viene utilizzato per testare un telescopio così potente, abbiamo parlato con l'astronomo di Berkeley Imke de Pater, capo del gruppo di osservazione di Giove squadra.

Un intero sistema da esplorare

Rispetto agli esopianeti lontani o anche ai pianeti giganti di ghiaccio più distanti nel nostro sistema solare, gli astronomi sanno molto su Giove. Abbiamo una miniera di dati sul pianeta grazie sia alle osservazioni dei telescopi terrestri che a missioni come Galileo, che ha orbitato attorno al pianeta fino al 2003, e Giunone che orbita ancora lì adesso.

Ma come spesso accade con la scienza, ogni dato che otteniamo sul pianeta può sollevare più domande. “Siamo stati lì con diversi veicoli spaziali e abbiamo osservato il pianeta con Hubble e molti telescopi terrestri a lunghezze d'onda attraverso lo spettro elettromagnetico (dagli UV ai metri di lunghezza d'onda), quindi abbiamo imparato moltissimo su Giove stesso, la sua atmosfera, il suo interno e le sue lune e gli anelli", ha detto de Pater. "Ma ogni volta che impari di più ci sono cose che non capisci ancora, quindi hai sempre bisogno di più dati."

Alcune delle più grandi domande aperte che abbiamo su Giove riguardano il suo atmosfera, come il modo in cui il calore si sposta tra gli strati nell'atmosfera e come l'atmosfera interagisce con la magnetosfera.

Ma il gruppo non guarderà solo a Giove stesso, affinando dettagli come la Grande Macchia Rossa (una tempesta turbolenta così vasta che può essere visto come un punto abbastanza grande da inghiottire l'intera Terra) e il polo meridionale del pianeta (con il suo caratteristico aurore). Guarderanno anche l'intero sistema gioviano, inclusi i deboli anelli del pianeta e le sue lune, tra cui Io e Ganimede.

Ciascuno di questi obiettivi è intrigante di per sé: Io è il luogo vulcanicamente più attivo del sistema solare, ad esempio, e Ganimede è l'unica luna nota per produrre la propria magnetosfera. Nel suo insieme, il sistema gioviano è il luogo ideale per testare i limiti delle capacità di Webb.

Sbirciando nell'infrarosso

Per aiutare a conoscere questi argomenti complessi, il gruppo di de Pater sfrutterà le capacità a infrarossi di James Webb, che consentono ai ricercatori di guardare più in profondità nell'atmosfera del pianeta.

Queste capacità consentono di studiare l'atmosfera oltre ciò che sarebbe possibile osservando nella lunghezza d'onda della luce visibile. "Nella gamma di lunghezze d'onda visibili, in pratica vedi le nuvole", ha spiegato. “Alle lunghezze d'onda dell'infrarosso, puoi sondare sopra le nuvole e sotto le nuvole, a seconda della lunghezza d'onda. A diverse lunghezze d'onda puoi vedere diverse altitudini nell'atmosfera, a seconda dell'opacità nel atmosfera (cioè quanta "luce" viene assorbita alla particolare lunghezza d'onda determina quanto in profondità si può guardare nell'atmosfera pianeta)."

Particolarmente utili per questa ricerca saranno le lunghezze d'onda del medio infrarosso, che possono essere visualizzate utilizzando il MIRI o lo strumento del medio infrarosso di Webb.

"Il più grande vantaggio è alle lunghezze d'onda del medio infrarosso", ha spiegato de Pater. "Possiamo osservare alcune di queste lunghezze d'onda dal suolo, ma l'atmosfera terrestre è così turbolenta che quello che otteniamo a terra, non possiamo calibrare molto bene le osservazioni”. Ciò significa maggiore incertezza nel dati; un problema che è esacerbato dalla radiazione infrarossa di fondo sulla Terra.

Ma con un telescopio spaziale come James Webb, non c'è atmosfera e meno radiazioni di fondo da intralciare, e ciò significa che i dati raccolti saranno molto più accurati. Inoltre, Webb offre una stabilità eccezionale, il che significa che può puntare verso un bersaglio senza vacillare, grazie al suo posizionamento nello spazio. Tutto ciò significa che può raccogliere alcuni dei dati più accurati finora su Giove.

Testare i limiti di Webb

Durante la valutazione delle proposte su come James Webb potrebbe essere utilizzato, ha spiegato de Pater, il comitato ha deciso in merito quali progetti perseguire prima volevano vedere le idee della comunità di astronomia su ciò che il telescopio poteva Fare. "Quindi hanno davvero cercato progetti che spingessero JWST ai limiti", ha detto. "Questo è ciò che sta facendo il nostro progetto."

Utilizzeranno tutti e quattro gli strumenti di Webb in diverse combinazioni per diversi obiettivi nel sistema, per individuare diverse caratteristiche come vulcani, anelli e strati dell'atmosfera del pianeta.

Il piano era di osservare Giove, i suoi anelli e le sue lune Io e Ganimede, ma diversi anni dopo il team si è presentato la loro proposta sorse un problema inaspettato: il telescopio era in realtà troppo sensibile per gran parte del lavoro pianificato Giove. "Il telescopio era molto più sensibile di quanto si aspettassero, quindi abbiamo dovuto modificare un certo numero delle nostre osservazioni su Giove e possiamo fare meno su Giove stesso di quanto avevamo inizialmente previsto".

Ma il team sapeva ancora di poter ottenere dati preziosi e trovare il modo di svolgere il lavoro che desiderava. Hanno cambiato fattori come i filtri che avrebbero utilizzato e hanno esaminato campi visivi più piccoli.

Perché Giove offre una tale sfida

L'idea che un telescopio sia troppo sensibile potrebbe sembrare controintuitiva. Ma pensalo come scattare una fotografia mentre sei di fronte al sole: tutti i colori vengono spenti, quindi tutto appare bianco e sbiadito ed è difficile vedere qualsiasi dettaglio. La luce proveniente dal sole è semplicemente troppo intensa, portando a un'immagine sovraesposta.

La stessa cosa accade quando si studiano i corpi astronomici. I pianeti non emettono molta luce rispetto alle stelle, poiché non producono luce propria ma riflettono solo la luce delle loro stelle. Ciò rende i pianeti molto più deboli delle stelle in generale. Ma quando guardi piccoli dettagli o cerchi corpi ancora più piccoli come le lune, o dettagli fini come gli anelli, allora la luce di un pianeta può creare bagliori nei dati che stai raccogliendo.

Questa è la grande sfida quando si utilizza Webb per studiare le lune o gli anelli di Giove: cercare di consentire la luce del pianeta in modo che questi piccoli oggetti possano essere visti in dettaglio. Giove è uno degli oggetti più luminosi del cielo, quindi non è un compito facile.

Fortunatamente, gli astronomi hanno molta esperienza nell'osservazione degli anelli planetari utilizzando altri strumenti come il telescopio spaziale Hubble. "Quindi usiamo questa conoscenza per le osservazioni JWST", ha spiegato de Pater. Il team osserverà gli anelli a diversi "angoli di rollio", il che significa che gli anelli verranno spostati in orientamenti leggermente diversi sul rivelatore. Osservando gli anelli da diverse angolazioni, possono vedere come la luce diffusa dal pianeta cade sugli anelli. Quindi questa luce può essere sottratta, lasciando solo la luce degli anelli stessi.

Studiare i pianeti nel nostro sistema solare e oltre

Usare Webb per studiare Giove non è solo un modo per testare i limiti di questo nuovissimo telescopio. Studiare i pianeti nel nostro sistema solare può anche aiutare a comprendere i pianeti al di fuori del nostro sistema solare, chiamati esopianeti.

Uno dei grandi obiettivi della scienza degli esopianeti oggi è andare oltre l'identificazione di un pianeta e la sua stima dimensione o massa, e per costruirne una comprensione più completa osservando se ha un atmosfera.

Ma per capire i pianeti in sistemi distanti, aiuta a capire i pianeti nel nostro. Webb osserverà le atmosfere di giganti gassosi distanti, che potremo quindi confrontare con ciò che sappiamo delle atmosfere di Giove e Saturno.

Inoltre, utilizzando Webb per studiare Giove, il team di de Pater svilupperà una serie di strumenti che possono essere utilizzati da altri nella comunità astronomica per studiare altri pianeti in nostro sistema solare, e dare un'occhiata a ciò che Webb potrebbe essere in grado di scoprire su di loro - inclusi gli intriganti e raramente studiati pianeti distanti di Urano e Nettuno.

“Il nostro team svilupperà un software utilizzabile per il sistema gioviano, ma anche per il sistema di Saturno, per Urano e Nettuno. E possiamo mostrare alla gente cosa ci si può aspettare sulla base delle nostre osservazioni", ha detto de Pater. "È sicuramente un pioniere in questo modo."

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