Come il telescopio spaziale James Webb andrà a caccia di esopianeti

Quando il Telescopio spaziale James Webb appena lanciato si aprirà completamente e sarà online, non sarà solo un altro strumento per gli astronomi per esplorare l'universo. Con la sua tecnologia spettroscopica all'avanguardia, sarà in grado di scrutare nell'oscurità dello spazio e vedere gli oggetti distanti in modo più dettagliato che mai, molto più del suo predecessore, lo spazio Hubble Telescopio. Rivoluzionerà la nostra comprensione degli esopianeti e potrebbe anche aiutarci a capire da dove veniamo e dove altro nell’universo potrebbe essere abitabile.

Per sapere come il telescopio spaziale James Webb ci aiuterà a studiare le sfere rotanti di roccia a trilioni di chilometri di distanza (e perché gli astronomi lo vogliono), abbiamo parlato con due ricercatori che lavoreranno con James Webb dopo la distribuzione: Néstor Espinoza dello Space Telescope Science Institute e Antonella Nota dell'Agenzia spaziale europea (ESA).

Un gigantesco passo in avanti

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno identificato pianeti al di fuori del nostro sistema solare utilizzando telescopi simili TESS (il satellite per l'indagine sugli esopianeti in transito) o il Telescopio spaziale Keplero. Questi sono in grado di osservare le stelle più luminose e vedere i cambiamenti nella loro luminosità quando un pianeta passa tra loro e noi utilizzando una tecnica chiamata metodo di transito. Si tratta di un’impressionante impresa di osservazione scientifica, ma non ci dice molto su come sono quei pianeti: solo le loro dimensioni approssimative e, occasionalmente, la loro massa.

Se vogliamo sapere com'è un pianeta: ha un'atmosfera? da cosa è composto? ci sono nuvole nel cielo? c'è acqua lì? - dobbiamo guardare molto, molto più in dettaglio. Questo è ciò che Webb farà, ma è una sfida tecnica enorme. Ecco perché la NASA, l’ESA e l’Agenzia spaziale canadese (CSA) stanno lavorando insieme a questo progetto.

“Webb è cento volte più sensibile di Hubble e, grazie a ciò, Webb sarà in grado di rivelare il i più piccoli dettagli negli angoli più remoti dell’universo molto distante, con una risoluzione squisita”, Nota spiegato.

Mentre Hubble è abituato saperne di più sugli esopianeti, Espinoza ha detto: “la visione che ti dà è molto ristretta. Ti dà una caratteristica, forse. In confronto, ha detto, Webb sarà “strabiliante”, permettendoci di vedere diverse caratteristiche contemporaneamente e di osservare i pianeti più piccoli. “Sarà il nostro primo cambiamento per osservare i pianeti più piccoli in grande dettaglio”.

Hubble funziona anche nella lunghezza d'onda della luce visibile, catturando immagini nella gamma di luce che possiamo vedere. Ma James Webb lavorerà nella lunghezza d'onda dell'infrarosso, che può individuare diverse caratteristiche e scrutare attraverso la polvere oscurante, “aprendo una finestra sull’universo che sarà completamente nuovo”, come Nota mettilo.

Hubble e Webb potranno lavorare insieme, raccogliendo dati complementari sugli stessi obiettivi. Quindi, se ami il bellissime immagini dello spazio catturate da Hubble, non preoccuparti, questi non scompariranno. Otterremo semplicemente un altro strumento per una comprensione ancora più profonda.

“James Webb sarà rivoluzionario. Letteralmente rivoluzionario”, ha detto Espinoza. “Ci permetterà di vedere cose che ci aspettavamo di rilevare da molto tempo ma che non abbiamo avevamo la tecnologia per vedere e sono abbastanza sicuro che rileverà cose a cui non stiamo pensando Di."

Aggiornamento della tecnologia di Hubble degli anni ’80

I ricercatori hanno svolto un lavoro straordinario individuando e studiando gli esopianeti utilizzando gli strumenti attualmente disponibili, scoprendo finora oltre 4.000 esopianeti. Tuttavia, questo campo è molto recente, con i primi pianeti al di fuori del nostro sistema solare identificati negli anni ’90. Ciò significa che molti strumenti della generazione attuale, come Hubble, non sono mai stati progettati pensando agli studi sugli esopianeti.

“Hubble è la tecnologia degli anni ’80”, ha detto Espinoza. “Niente contro gli anni ’80: adoro gli anni ’80, soprattutto la musica! – ma la tecnologia si è evoluta moltissimo. Il tipo di rilevatori che avevamo allora non sono nulla in confronto al tipo di rilevatori che abbiamo adesso”.

James Webb, d'altra parte, è stato progettato con l'intento specifico di essere utilizzato per la caratterizzazione degli esopianeti, e questo è stato in prima linea nei suoi principi di progettazione. Ad esempio, quando Webb punta verso una stella, punterà verso un particolare pixel con altissima precisione e non muoversi affatto, consentendo ai ricercatori di misurare in modo molto accurato eventuali cali di luminosità che potrebbero fornire indizi su un pianeta in orbita.

Questo livello di precisione consente a Webb di svolgere la sua funzione più interessante relativa agli esopianeti: rilevare se un esopianeta ha un'atmosfera e di cosa è composta quell'atmosfera. “I piccoli dettagli che contano moltissimo quando cerchi di rilevare le atmosfere degli esopianeti”, ha spiegato Espinoza.

Studiare gli esopianeti utilizzando la luce infrarossa

Sebbene i ricercatori ne abbiano escogitati alcuni modi molto creativi A rilevare le atmosfere degli esopianeti, non è qualcosa per cui gli strumenti attuali sono stati progettati. Ecco perché le capacità di Webb saranno così rivoluzionarie.

Per scrutare l'universo, Webb ha quattro strumenti che guarderanno nella lunghezza d'onda dell'infrarosso. Includono la fotocamera nel vicino infrarosso (NIRCam) e lo spettrografo nel vicino infrarosso (NIRSpec). Poi c’è il Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager e lo Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), che, come suggeriscono i nomi, guarderanno nella banda del vicino infrarosso. Infine, c’è lo strumento del medio infrarosso (MIRI), che esamina un’ampia gamma nel lontano infrarosso.

Ma questi sono strumenti sensibili e richiedono un ambiente attentamente mantenuto per funzionare. Quindi anche la tecnologia che li circonda deve essere all’avanguardia.

“Webb è pieno di tecnologie nuove e complesse, dai sensibili rilevatori IR, al sottile parasole Kapton a cinque strati, grande quanto un campo da tennis, che proteggerà la strumentazione dalla radiazione solare e consentirà al telescopio e ai rivelatori di raggiungere la temperatura fredda necessaria per osservare nell'infrarosso,” Nota disse.

Ha anche sottolineato i dettagli più fini degli strumenti, come la serie di micro-otturatori del NIRSpec, che è una serie di minuscole finestre con persiane grandi quanto pochi capelli umani. Ciò consentirà allo strumento di osservare centinaia di oggetti contemporaneamente. "Una novità assoluta nell'astronomia spaziale, dove la spettroscopia viene tradizionalmente eseguita un oggetto alla volta", ha affermato Nota.

Capire da dove veniamo

L’impulso a vedere se un pianeta lontano ha un’atmosfera non è solo uno sviluppo scientifico o una vana curiosità su come siano questi luoghi lontani. Piuttosto, è la chiave per capire come vengono creati i pianeti, incluso il nostro.

Quando si tratta di capire come si è formato il nostro sistema solare, i ricercatori eseguono modelli e cercano di vedere come avremmo potuto avere la composizione dei pianeti che vediamo. "Ma attualmente abbiamo una dimensione del campione pari a uno", ha sottolineato Espinoza. "Il nostro sistema solare. Questo è tutto. Ora siamo in un’era in cui possiamo scrutare la composizione di altri sistemi solari. E il modo in cui si formano i pianeti definisce la loro composizione chimica”.

Quindi, quando osserviamo l’atmosfera di un pianeta extrasolare distante, impariamo come si è formata. E da ciò, possiamo costruire un quadro di come si formano i pianeti e i sistemi solari sulla base di più casi oltre a quello nel nostro cortile. “Quindi ottenere questi indizi di tracce di formazione in questi esopianeti attraverso la chimica che osserviamo nei loro atmosfere è assolutamente fondamentale per noi per capire come sono nate, e quindi come siamo diventati noi”, ha disse.

A caccia di abitabilità

Forse la ragione più interessante per osservare le atmosfere degli esopianeti è capire in quale altro posto nell’universo la vita potrebbe prosperare. "Una delle domande chiave che Webb studierà riguarda le origini della vita", ha detto Nota. “Esistono enormi varietà di esomondi, più di quanto avremmo potuto immaginare. Ci sono pianeti gassosi delle dimensioni di Giove che orbitano molto vicino alla loro stella, enormi “super-Terre” rocciose e “calde” Nettuno”. Alcuni di questi potrebbero avere le giuste condizioni di temperatura e la giusta composizione per ospitarli vita."

Ma per determinare se un pianeta è abitabile, ha detto Espinoza, non è sufficiente conoscerne solo le dimensioni e la massa. Dopotutto, quando troviamo un pianeta delle dimensioni della Terra e con una massa simile, le persone spesso presumono che sarà un luogo simile alla Terra. Ma Venere e Marte hanno dimensioni e masse più o meno simili a quelle della Terra, e hanno atmosfere estremamente inospitali per la nostra forma di vita. “Venere è il posto peggiore dove andare in vacanza!” ha scherzato, con la sua immensa pressione e l'atmosfera tossica piena di anidride carbonica. Marte non è molto migliore, con la sua atmosfera estremamente sottile e irrespirabile che ha solo l’1% della densità della nostra atmosfera sulla Terra.

Quindi dobbiamo conoscere le atmosfere per sapere se un singolo pianeta è abitabile. E, cosa ancora più importante, per ottenere una stima di quanti pianeti abitabili potrebbero esserci là fuori, dobbiamo sapere quali tipi di atmosfere sono tipiche dei pianeti di dimensioni come le nostre. “Qual è l’atmosfera più comune che la natura forma?” chiese Espinoza. “Potrebbe essere simile a Venere o a Marte, e la Terra è un valore anomalo”. Oppure potrebbe essere che le atmosfere simili alla Terra siano tipiche e che il numero di pianeti potenzialmente abitabili là fuori sia enorme.

Raggiungere l'ignoto

Webb non osserverà solo gli esopianeti. Effettuerà una vasta gamma di ricerche, dallo sguardo indietro alle prime fasi dell'universo per vedere la formazione delle prime galassie, all'osservazione di come le stelle nascono dal vortice di polvere e gas. Con i suoi primo anno di operazioni scientifiche pianificate, stiamo solo raschiando la superficie di ciò per cui questo nuovo strumento potrebbe essere utilizzato. Dovremo aspettare e vedere quali altre meraviglie astronomiche sarà in grado di svelare.

"Penso che la scoperta più grande sarà quella che nessuno si aspetta", ha detto Nota. “Quello che cambierà il modo in cui vediamo l’universo, quello che definirà, forse una volta per tutte, qual è il nostro posto nell’universo.”

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