ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡はどのように系外惑星を探すのか

とき 打ち上げられたばかりのジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡 完全に展開されてオンラインになると、それは天文学者が宇宙を探索するための単なるツールではなくなるでしょう。 最先端の分光技術により、宇宙の暗闇を覗き見ることができます。 遠くの天体をこれまで以上に詳細に見ることができます。その前身のハッブル宇宙よりもはるかに優れています。 望遠鏡。 それは系外惑星についての私たちの理解に革命をもたらすものであり、私たちがどこから来たのか、宇宙の他のどこに居住可能なのかを知るのにも役立つかもしれません。

ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡が何兆マイルも離れた回転する岩石の球の研究にどのように役立つか（そして天文学者がなぜそうしたいのか）について詳しく知るために、私たちは2人に話を聞きました。 配備後にジェームズ・ウェッブと協力する研究者: 宇宙望遠鏡科学研究所のネストル・エスピノザ氏と欧州宇宙機関のアントネラ・ノタ氏 (ESA)。

大きな飛躍

近年、研究者たちは、次のような望遠鏡を使用して、太陽系外の惑星を特定しました。 テス (トランジット系外惑星調査衛星) または ケプラー宇宙望遠鏡. これらは、非常に明るい星を観察し、惑星が私たちとの間を通過するときの明るさの変化を見ることができます。 交通手段. これは科学的観測の素晴らしい偉業ですが、それらの惑星がどのようなものであるかについては多くを教えてくれません。ただ、おおよその大きさと、場合によっては質量が分かるだけです。

惑星がどのようなものかを知りたい場合、大気はあるのでしょうか? それは何で構成されていますか？ 空には雲がありますか？ そこに水はありますか？ —もっともっと詳しく調べる必要があります。 それがウェブ氏がやろうとしていることだが、それは技術的に大きな挑戦だ。 そのため、NASA、ESA、カナダ宇宙機関 (CSA) はすべてこのプロジェクトに協力しています。

「ウェッブはハッブルよりも100倍敏感であり、そのためウェッブは、 非常に遠い宇宙の隅々にある最もかすかな細部を、絶妙な解像度で再現します。」 と説明した。

ハッブルはこれまで慣れてきましたが、 系外惑星についてもっと学び、 エスピノーザ氏は、「それが与える視野は非常に狭い。 おそらく 1 つの機能が得られます。」 それに比べて、ウェッブは「驚くべきもの」になり、私たちが一度にいくつかの地物を観察したり、より小さな惑星を観察したりできるようになる、と同氏は述べた。 「これは、より小さな惑星を詳細に観察するための最初の変更となるでしょう。」

ハッブルは可視光の波長でも動作し、私たちが見ることができる光の範囲の画像をキャプチャします。 しかし、ジェームス・ウェッブ氏は、さまざまな特徴を見つけ出すことができる赤外線波長で作業する予定です。 覆い隠された塵を通して覗いて、「まったく新しい宇宙への窓を開ける」（ノタ） それを置く。

ハッブルとウェッブは協力して、同じターゲットに関する補完的なデータを収集できるようになります。 それで、もしあなたがそれを愛しているなら、 ハッブルが捉えた宇宙の美しい画像、心配しないでください、これらは消えることはありません。 さらに深く理解するための別のツールを入手するだけです。

「ジェームズ・ウェッブは革命家になるだろう。 文字通り革命的だ」とエスピノーザ氏は語った。 「これにより、長い間検出されると期待されていたものの、まだ検出されていなかったものを確認できるようになります。 見るテクノロジーがあったので、私たちが考えていないものを検出してくれると確信しています の。"

ハッブルの 1980 年代のテクノロジーを更新する

研究者たちは、現在利用可能な機器を使用して系外惑星の発見と学習に目覚ましい成果を上げ、これまでに 4,000 個を超える系外惑星を発見しました。 しかし、この分野はごく最近のもので、太陽系外の惑星が初めて確認されたのは 1990 年代です。 つまり、ハッブルのような現行世代の機器の多くは、系外惑星の研究を念頭に置いて設計されていなかったということです。

「ハッブルは80年代のテクノロジーだ」とエスピノーザ氏は語った。 「80 年代を否定するものではありません。私は 80 年代、特に音楽が大好きです。 – しかし、テクノロジーは大幅に進化しました。 当時私たちが持っていた種類の探知機は、今私たちが持っている種類の探知機に比べれば何でもありません。」

一方、James Webb は、系外惑星の特性評価に使用するという特定の意図を持って設計されており、それがその設計原則の最前線にあります。 たとえば、Webb が星を指しているとき、それは非常に高い精度で特定のピクセルを指していますが、 まったく動いていないため、研究者は、惑星の手がかりを与える可能性のある明るさの低下を非常に正確に測定できるようになります。 軌道。

このレベルの精度により、ウェッブは太陽系外惑星に関連する最もエキサイティングな機能、つまり太陽系外惑星に大気があるかどうか、またその大気が何で構成されているかを検出することが可能になります。 「系外惑星の大気を検出しようとするとき、細部は非常に重要です」とエスピノーザ氏は説明した。

赤外線を使った系外惑星の調査

研究者たちはいくつかのことを考え出しましたが、 とてもクリエイティブな方法 に 系外惑星の大気を検出する、それは現在の機器がそうするように設計されたものではありません。 だからこそ、Webb の機能は非常に革新的なものとなるのです。

宇宙をのぞくために、ウェッブ氏は赤外線波長を調べる 4 つの機器を持っています。 これらには、近赤外線カメラ (NIRCam) と近赤外線分光器 (NIRSpec) が含まれます。 次に、ファイン ガイダンス センサー/近赤外線イメージャーとスリットレス スペクトログラフ (FGS/NIRISS) があります。これらは、その名前が示すように、近赤外線帯域を観察します。 最後に、遠赤外線の広範囲を観察する中赤外線装置 (MIRI) があります。

しかし、これらは繊細な機器であり、動作するには注意深く維持された環境が必要です。 したがって、周囲のテクノロジーも最先端のものでなければなりません。

「Webb には、高感度の IR 検出器から、テニスコートサイズの 5 層の薄いカプトン サンシールドまで、新しい複雑なテクノロジーが満載されています。 これにより、望遠鏡と検出器が赤外線での観測に必要な低温に達することが可能になります。」 言った。

彼女はまた、人間の髪の毛ほどの大きさの小さなシャッター付き窓のセットである NIRSpec のマイクロシャッター アレイなど、機器の細部についても指摘しました。 これにより、機器は数百の物体を同時に観察できるようになります。 「伝統的に一度に 1 つの物体ずつ分光分析が行われる宇宙天文学においては、まったく初めてのことです」とノタ氏は述べています。

私たちがどこから来たのかを理解する

遠く離れた惑星に大気が存在するかどうかを確認しようとする動機は、単に科学の進歩や、これらの遠い場所がどのようなものであるかについての無為な好奇心からではありません。 むしろ、私たち自身の惑星を含む惑星がどのように形成されたかを理解するための鍵となります。

私たちの太陽系がどのように形成されたかを理解することになると、研究者はモデルを実行し、どのようにして私たちが見ている惑星の構成に到達したのかを調べようとします。 「しかし、現時点ではサンプルサイズは 1 です」とエスピノーザ氏は指摘しました。 「私たちの太陽系。 それでおしまい。 今では他の太陽系の組成を覗くことができる時代になりました。 そして、惑星がどのように形成されるかによって、その化学組成が決まります。」

したがって、遠く離れた系外惑星の大気を見ると、それがどのようにしてできたのかがわかります。 そしてそこから、私たちの裏庭で起こった事例だけではなく、より多くの事例に基づいて、惑星や太陽系がどのように形成されるのかについての全体像を構築することができます。 「したがって、これらの系外惑星で観察される化学反応を通じて、これらの系外惑星の形成痕跡のヒントを得ることができます。 雰囲気は、それがどのようにしてできたのか、ひいては私たちがどのようにしてできたのかを理解するために、私たちにとって絶対に基礎的なものです。」 言った。

居住性の追求

おそらく、系外惑星の大気を観察する最も興味深い理由は、宇宙の他の場所で生命が繁栄できる可能性があることを理解することです。 「ウェッブが研究する重要な疑問の一つは、生命の起源です」とノタ氏は語った。 「私たちが想像していた以上に、多種多様な異世界が存在します。 木星ほどの大きさのガス惑星が、その星のすぐ近くを周回していて、巨大な岩石の「スーパーアース」や「暖かい地球」もある。 これらのいくつかは、ホストに適した温度条件と適切な組成を備えている可能性があります。 人生。"

しかし、惑星が居住可能かどうかを判断するには、その大きさと質量を知るだけでは十分ではないとエスピノーザ氏は言う。 結局のところ、地球サイズで同様の質量を持つ惑星を見つけると、人々はそれが地球に似た場所であると仮定することがよくあります。 しかし、金星と火星は地球とほぼ同じ大きさと質量であり、私たちの生命体にとって非常に住みにくい大気を持っています。 「ヴィーナスは休暇に行くには最悪の場所だ！」 とてつもない圧力と二酸化炭素が充満した有毒な雰囲気に、彼は冗談を言った。 火星もそれに劣らず、その大気は非常に薄く、呼吸不可能であり、その密度は地球の大気のわずか 1% です。

したがって、個々の惑星が居住可能かどうかを知るためには、大気について知る必要があります。 そしてさらに重要なことは、居住可能な惑星がどれだけ存在するかを推定するには、私たちの惑星と同じような大きさの惑星に典型的な大気の種類を知る必要があるということです。 「自然が形成する最も一般的な大気はどれですか?」 エスピノーザは尋ねた。 「それは金星や火星のようなものである可能性があり、地球は異常値です。」 あるいは、地球に似た大気が典型的であり、居住可能な惑星の数が膨大である可能性もあります。

未知の世界に手を伸ばす

ウェッブ氏が注目するのは系外惑星だけではありません。 宇宙の初期段階を遡って最初の銀河が形成される様子を観察することから、渦巻く塵やガスから星がどのように誕生するかを観察することまで、膨大な範囲の研究が行われる予定だ。 その 科学作戦の初年度が計画される、私たちはこの新しいツールが何に使用できるかについて表面を削っただけです。 他にどのような天文学の驚異が解明されるのか、私たちは待って見なければなりません。

「最大の発見は、誰も予想していなかったものになると思います」とノタ氏は語った。 「それは、私たちの宇宙に対する見方を変えるものであり、おそらく、宇宙における私たちの位置をおそらく一度だけ定義するものです。」

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