Kā Džeimsa Veba kosmiskais teleskops medīs eksoplanētas

Kad svaigi palaists Džeimsa Veba kosmiskais teleskops pilnībā izvēršas un nonāk tiešsaistē, tas nebūs tikai vēl viens rīks astronomiem Visuma izpētei. Ar savu visprogresīvāko spektroskopijas tehnoloģiju tas varēs ieskatīties kosmosa tumsā un redzēt tālu objektus detalizētāk nekā jebkad agrāk — daudz vairāk nekā tā priekšgājējs Habla kosmosā Teleskops. Tas mainīs mūsu izpratni par eksoplanētām, un tas pat varētu mums palīdzēt uzzināt, no kurienes esam nākuši un kur citur Visumā varētu būt apdzīvojama.

Lai iegūtu informāciju par to, kā Džeimsa Veba kosmiskais teleskops mums palīdzēs pētīt triljoniem jūdžu attālumā esošo akmeņu bumbiņu griešanos (un kāpēc astronomi to vēlas), mēs runājām ar diviem cilvēkiem. pētnieki, kas strādās ar Džeimsu Vebu pēc izvietošanas: Néstors Espinoza no Kosmosa teleskopa zinātnes institūta un Antonella Nota no Eiropas Kosmosa aģentūras (ESA).

Milzu lēciens uz priekšu

Pēdējos gados pētnieki ir identificējuši planētas ārpus mūsu Saules sistēmas, izmantojot tādus teleskopus kā TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) vai Keplera kosmiskais teleskops. Viņi spēj aplūkot spožākās zvaigznes un redzēt to spilgtuma izmaiņas, kad planēta iet starp tām un mums, izmantojot paņēmienu, ko sauc par tranzīta metode. Tas ir iespaidīgs zinātnisku novērojumu varoņdarbs, taču tas mums neko daudz nepasaka par to, kādas ir šīs planētas – tikai to aptuvenais izmērs un reizēm arī masa.

Ja mēs vēlamies uzzināt, kāda ir planēta, vai tai ir atmosfēra? no kā tas sastāv? vai debesīs ir mākoņi? vai tur ir ūdens? — mums jāskatās daudz, daudz sīkāk. Tas ir tas, ko Vebs darīs, taču tas ir milzīgs tehnisks izaicinājums. Tāpēc NASA, ESA un Kanādas Kosmosa aģentūra (CSA) strādā kopā pie šī projekta.

"Vebs ir simts reižu jutīgāks par Hablu, un tāpēc Vebs varēs atklāt vājākās detaļas ļoti tālā Visuma vistālākajos nostūros ar izcilu izšķirtspēju,” Nota paskaidroja.

Kamēr Habls ir pieradis uzzināt vairāk par eksoplanētām, Espinoza teica: "Skatījums, ko tas jums sniedz, ir ļoti šaurs. Iespējams, tas sniedz jums vienu funkciju. Salīdzinājumam, viņš teica, Vebs būs "prātu pārsteidzošs", ļaujot mums redzēt vairākas pazīmes vienlaikus un aplūkot mazākas planētas. "Tā būs mūsu pirmā izmaiņa, lai detalizēti aplūkotu mazākas planētas."

Habls darbojas arī redzamās gaismas viļņa garumā, tverot attēlus gaismas diapazonā, ko mēs varam redzēt. Bet Džeimss Vebs strādās infrasarkanā viļņa garumā, kas var izvēlēties dažādas funkcijas un Skatieties cauri aizēnojošiem putekļiem, "atverot logu uz Visumu, kas būs pilnīgi jauns", kā norāda Nota ielieciet to.

Habls un Vebs varēs strādāt kopā, apkopojot papildu datus par tiem pašiem mērķiem. Tātad, ja jums patīk skaisti Habla uzņemtie kosmosa attēli, neuztraucieties, tie nepazudīs. Mēs vienkārši iegūsim vēl vienu instrumentu vēl dziļākai izpratnei.

"Džeimss Vebs būs revolucionārs. Burtiski revolucionārs,” sacīja Espinoza. "Tas ļaus mums redzēt lietas, kuras mēs esam gaidījuši atklāt jau ilgu laiku, bet neesam bija tehnoloģija, ko redzēt, un esmu diezgan pārliecināts, ka tā atklās lietas, par kurām mēs nedomājam no.”

Habla 80. gadu tehnoloģijas atjaunināšana

Pētnieki ir paveikuši ievērojamu darbu, meklējot un mācoties par eksoplanetiem, izmantojot pašlaik pieejamos instrumentus, līdz šim atklājot vairāk nekā 4000 eksoplanetu. Tomēr šis lauks ir pavisam nesens, un pirmās planētas ārpus mūsu Saules sistēmas tika identificētas deviņdesmitajos gados. Tas nozīmē, ka daudzi pašreizējās paaudzes instrumenti, piemēram, Habla, nekad netika izstrādāti, ņemot vērā eksoplanetu pētījumus.

"Habls ir 80. gadu tehnoloģija," sacīja Espinoza. “Nekas nav pret 80. gadiem — man patīk 80. gadi, īpaši mūzika! – bet tehnoloģija ir daudz attīstījusies. Tādi detektori, kādi mums bija toreiz, nav nekas, salīdzinot ar tādiem detektoriem, kādi mums ir tagad.

No otras puses, Džeimss Vebs ir izstrādāts ar īpašu nolūku, lai to izmantotu eksoplanetu raksturošanai, un tas ir bijis tā projektēšanas principu priekšgalā. Piemēram, kad Vebs norāda uz zvaigzni, tas norādīs uz konkrētu pikseļu ar ļoti augstu precizitāti un nenorādīs vispār pārvietoties, ļaujot pētniekiem ļoti precīzi izmērīt jebkuru spilgtuma kritumu, kas varētu dot norādes uz planētu orbītā.

Šis precizitātes līmenis ļauj Webb veikt savu aizraujošāko ar eksoplanētu saistīto funkciju: noteikt, vai eksoplanetai ir atmosfēra un no kā šī atmosfēra sastāv. "Sīkajām detaļām ir liela nozīme, mēģinot noteikt eksoplanetu atmosfēru," paskaidroja Espinoza.

Eksoplanetu izpēte, izmantojot infrasarkano gaismu

Lai gan pētnieki ir nākuši klajā ar dažiem ļoti radoši veidi uz atklāt eksoplanetu atmosfēru, tas nav kaut kas tāds, kam pašreizējie instrumenti ir paredzēti. Tāpēc Webb iespējas būs tik revolucionāras.

Lai ielūkotos Visumā, Vebam ir četri instrumenti, kas skatīsies infrasarkanā viļņa garumā. Tie ietver infrasarkano staru kameru (NIRCam) un tuvās infrasarkano staru spektrogrāfu (NIRSpec). Pēc tam ir smalkais vadības sensors/tuvās infrasarkanais attēlotājs un bezšķautņu spektrogrāfs (FGS/NIRISS), kas, kā liecina to nosaukumi, izskatīsies tuvās infrasarkanās joslā. Visbeidzot, ir vidējais infrasarkanais instruments (MIRI), kas tālajos infrasarkanajos staros darbojas plašā diapazonā.

Taču tie ir jutīgi instrumenti, un to darbībai ir nepieciešama rūpīgi uzturēta vide. Tāpēc arī tām apkārt esošajām tehnoloģijām ir jābūt vismodernākajām.

“Web ir pilns ar jaunām, sarežģītām tehnoloģijām, sākot no jutīgiem IR detektoriem un beidzot ar tenisa korta izmēra piecu slāņu plānu Kapton saulessargu, kas pasargās instrumenti no saules starojuma un ļaus teleskopam un detektoriem sasniegt auksto temperatūru, kas nepieciešama, lai novērotu infrasarkano staru,” Nota teica.

Viņa arī norādīja uz smalkajām detaļām uz instrumentiem, piemēram, NIRSpec mikroslēģu bloku, kas ir sīku slēģu logu komplekts dažu cilvēka matiņu lielumā. Tas ļaus instrumentam vienlaikus novērot simtiem objektu. "Absolūtais pirmais kosmosa astronomijā, kur spektroskopija tradicionāli tiek veikta pa vienam objektam," sacīja Nota.

Izpratne par to, no kurienes esam nākuši

Stimuls noskaidrot, vai tālā planētā ir atmosfēra, nav tikai zinātnes uzplaukums vai dīkā ziņkārība par to, kādas ir šīs tālās vietas. Drīzāk tas ir galvenais, lai saprastu, kā tiek radītas planētas, tostarp mūsu pašu.

Lai saprastu, kā veidojās mūsu Saules sistēma, pētnieki izmanto modeļus un mēģina noskaidrot, kā mēs būtu varējuši nonākt pie redzamo planētu sastāva. "Bet pašlaik mums ir viens izlases lielums," norādīja Espinoza. "Mūsu Saules sistēma. Tieši tā. Tagad mēs esam laikmetā, kad varam ieskatīties citu Saules sistēmu sastāvos. Un tas, kā planētas veidojas, nosaka to ķīmisko sastāvu.

Tātad, aplūkojot tālas eksoplanetas atmosfēru, mēs uzzinām, kā tā radās. Un no tā mēs varam izveidot priekšstatu par to, kā veidojas planētas un Saules sistēmas, pamatojoties uz vairākiem gadījumiem, nevis tikai mūsu pagalmā. "Tātad šie mājieni par veidošanās parakstiem šajās eksoplanētās tiek iegūti, izmantojot ķīmiju, ko mēs novērojam Atmosfēras ir absolūti nepieciešamas, lai mēs saprastu, kā tās radās un līdz ar to arī kā mēs radām,” viņš teica.

Apdzīvojamības medības

Iespējams, ka aizraujošākais iemesls aplūkot eksoplanetu atmosfēru ir saprast, kur vēl Visumā dzīvība varētu uzplaukt. "Viens no galvenajiem jautājumiem, ko Vēbs pētīs, ir dzīves izcelsme," sacīja Nota. "Ir milzīgas ekso-pasauļu šķirnes, vairāk nekā mēs varējām iedomāties. Ir Jupitera izmēra gāzes planētas, kas riņķo ļoti tuvu savai zvaigznei, milzīgas akmeņainas "superzemes" un "siltas". Neptūns.’ Dažiem no tiem var būt piemēroti temperatūras apstākļi un pareizais sastāvs dzīve.”

Taču, lai noteiktu, vai planēta ir apdzīvojama, Espinoza teica, nepietiek tikai zināt tās izmēru un masu. Galu galā, kad mēs atrodam planētu, kas ir Zemes izmēra un kuras masa ir līdzīga, cilvēki bieži pieņem, ka tā būs Zemei līdzīga vieta. Bet Venērai un Marsam ir aptuveni līdzīgs izmērs un masa kā Zemei, un tiem ir atmosfēra, kas ir ārkārtīgi neviesmīlīga mūsu dzīvības formai. "Venēra ir sliktākā vieta, kur doties atvaļinājumā!" viņš jokoja ar milzīgo spiedienu un toksisko atmosfēru, kas ir pilna ar oglekļa dioksīdu. Marss nav daudz labāks, jo tā ārkārtīgi plānā, neelpojošā atmosfērā ir tikai 1% no mūsu atmosfēras blīvuma uz Zemes.

Tāpēc mums ir jāzina par atmosfēru, lai zinātu, vai atsevišķa planēta ir apdzīvojama. Un vēl svarīgāk ir tas, ka, lai novērtētu, cik daudz apdzīvojamu planētu tur varētu būt, mums ir jāzina, kāda veida atmosfēra ir raksturīga planētām, kuru izmērs ir līdzīgs mūsējam. "Kāda ir visizplatītākā atmosfēra, ko veido daba?" Espinoza jautāja. "Tas varētu būt līdzīgs Venērai vai Marsam, un Zeme ir izņēmums." Vai arī varētu būt raksturīga Zemei līdzīga atmosfēra, un potenciāli apdzīvojamu planētu skaits ir milzīgs.

Sniedzoties nezināmajā

Vebs neskatīsies tikai uz eksoplanētām. Tas veiks plašu pētījumu klāstu, sākot no atskatīšanās uz Visuma agrākajām fāzēm, lai redzētu, kā veidojas pirmās galaktikas, līdz vērošanai, kā zvaigznes rodas no virpuļojošiem putekļiem un gāzēm. Ar to plānots pirmais zinātnes darbības gads, mēs tikai noskrāpējam, kam šis jaunais rīks varētu tikt izmantots. Mums būs jāgaida un jāredz, kādus citus astronomiskus brīnumus tas spēs atklāt.

"Es domāju, ka lielākais atklājums būs tas, ko neviens negaida," sacīja Nota. "Tas, kas mainīs veidu, kā mēs redzam Visumu, tas, kas, iespējams, vienreiz uz visiem laikiem noteiks, kāda ir mūsu vieta Visumā."

Redaktoru ieteikumi

• Džeimss Vebs pamana senos putekļus, kas varētu būt no senākajām supernovām
• Tuviniet satriecošo Džeimsa Veba attēlu, lai redzētu galaktiku, kas izveidojusies pirms 13,4 miljardiem gadu
• Džeimss Vebs atklāj visattālāko aktīvo supermasīvo melno caurumu, kas jebkad atklāts
• Džeimss Vebs atklāj norādes uz Visuma liela mēroga struktūru
• Džeimss Vebs atklāj svarīgu molekulu satriecošajā Oriona miglājā