De eerste studiedoelen van James Webb zullen dicht bij huis zijn

Astronomen over de hele wereld zoemen van verwachting voor de nieuwe wetenschap die mogelijk zal zijn zodra de James Webb Space Telescope, 's werelds krachtigste ruimtetelescoop, klaar is inbedrijfstelling. Sinds de lancering van de telescoop op 25 december 2021 heeft hij zijn hardware ontplooid tot zijn definitieve configuratie, zijn definitieve baan rond de zon bereikt en voltooid met het uitlijnen van zijn spiegels met zijn primaire camera, maar er zijn nog stappen zoals het kalibreren van zijn instrumenten voordat hij klaar is voor wetenschappelijk gebruik.

Zodra de inbedrijfstellingsfase is voltooid, die deze zomer wordt afgerond, beginnen de wetenschappelijke waarnemingen. En hier wordt het spannend, omdat de hoge gevoeligheid en infraroodmogelijkheden van de telescoop dit mogelijk maken om extreem verre objecten te observeren, zelfs zwakker dan die waargenomen door huidige ruimtetelescopen zoals Hubble. Het zal een nieuw tijdperk van astronomische waarnemingen inluiden en zou kunnen helpen bij het onderzoeken van onderwerpen als veelomvattend hoe de eerste sterrenstelsels werden gevormd en of planeten in andere sterrenstelsels atmosferen hebben of niet.

Dertien projecten zijn uitgekozen om de mogelijkheden van deze gloednieuwe telescoop in de eerste vijf maanden te testen operaties, en zoals u zich kunt voorstellen, was de competitie voor welke projecten de eerste dibs op deze nieuwe tool zouden moeten krijgen krachtig.

Meeste van de 13 projecten gekozen zal kijken naar verre objecten zoals zwarte gaten of verre sterrenstelsels. Maar één project zal dichter bij huis kijken - bij Jupiter, midden in onze kosmische achtertuin.

Om te leren wat onderzoekers hopen te ontdekken over deze grote, mooie gasreus, en om erachter te komen waarom zo'n relatief dichtbij doelwit wordt gebruikt om zo'n krachtige telescoop te testen, spraken we met Berkeley-astronoom Imke de Pater, leider van de Jupiter-observatie team.

Een heel systeem om te verkennen

Vergeleken met verre exoplaneten of zelfs de verder weg gelegen ijsreuzenplaneten in ons zonnestelsel, weten astronomen veel over Jupiter. We hebben een schat aan gegevens over de planeet dankzij zowel waarnemingen van telescopen op de grond als missies zoals Galileo, die tot 2003 in een baan om de planeet draaide, en Juno die daar nu nog steeds ronddraait.

Maar zoals vaak het geval is met de wetenschap, kan elk stukje data dat we over de planeet krijgen meer vragen oproepen. "We zijn daar geweest met verschillende ruimtevaartuigen en hebben de planeet waargenomen met Hubble en veel telescopen op de grond op golflengten over het elektromagnetische spectrum (van UV tot metersgolflengten), dus we hebben enorm veel geleerd over Jupiter zelf, zijn atmosfeer, interieur en over zijn manen en ringen, "zei de Pater. "Maar elke keer dat je meer leert, zijn er dingen die je nog niet begrijpt - dus je hebt altijd meer gegevens nodig."

Enkele van de grootste open vragen die we over Jupiter hebben, hebben betrekking op zijn atmosfeer, zoals hoe warmte tussen lagen in de atmosfeer beweegt en hoe de atmosfeer interageert met de magnetosfeer.

Maar de groep kijkt niet alleen naar Jupiter zelf, maar richt zich ook op details zoals de Grote Rode Vlek (een turbulente storm zo groot dat het kan worden gezien als een plek die groot genoeg is om de hele aarde te overspoelen) en de zuidpool van de planeet (met zijn kenmerkende aurora's). Ze kijken ook naar het hele Joviaanse systeem, inclusief de zwakke ringen van de planeet en de manen waaronder Io en Ganymedes.

Elk van deze doelen is op zichzelf al intrigerend - Io is bijvoorbeeld de meest vulkanisch actieve plaats in het zonnestelsel en Ganymedes is de enige bekende maan die zijn eigen magnetosfeer produceert. Over het geheel genomen is het Jovian-systeem de ideale plek om de grenzen van Webb's mogelijkheden te testen.

In het infrarood turen

Om meer te weten te komen over deze complexe onderwerpen, zal de groep van De Pater profiteren van de infraroodmogelijkheden van James Webb, waarmee onderzoekers dieper in de atmosfeer van de planeet kunnen kijken.

Die mogelijkheden maken het mogelijk om de atmosfeer verder te bestuderen dan mogelijk zou zijn door in de golflengte van zichtbaar licht te kijken. "In het zichtbare golflengtebereik zie je eigenlijk wolken", legde ze uit. “Bij infrarode golflengten kun je boven de wolken en onder de wolken sonderen, afhankelijk van de golflengte. Op verschillende golflengten kun je verschillende hoogten in de atmosfeer zien, afhankelijk van de ondoorzichtigheid in de atmosfeer atmosfeer (d.w.z. hoeveel 'licht' wordt geabsorbeerd bij de specifieke golflengte bepaalt hoe diep men in de ruimte kan kijken planeet)."

Vooral nuttig voor dit onderzoek zijn de mid-infraroodgolflengten, die kunnen worden bekeken met behulp van Webb's MIRI of Mid-Infrared Instrument.

"Het grootste voordeel zit in de midden-infraroodgolflengten", legt de Pater uit. "We kunnen op sommige van deze golflengten vanaf de grond waarnemen, maar de atmosfeer van de aarde is zo turbulent dat wat we op de grond krijgen, kunnen we de waarnemingen niet goed kalibreren.” Dat betekent meer onzekerheid in de gegevens; een probleem dat wordt verergerd door de achtergrondinfraroodstraling op aarde.

Maar met een ruimtetelescoop zoals James Webb is er geen atmosfeer en minder achtergrondstraling die in de weg zit, en dat betekent dat de verzamelde gegevens veel nauwkeuriger zullen zijn. Bovendien biedt Webb uitzonderlijke stabiliteit, wat betekent dat het op een doel kan wijzen en niet wankelt, dankzij de positionering in de ruimte. Dit alles betekent dat het enkele van de meest nauwkeurige gegevens tot nu toe op Jupiter kan verzamelen.

De limieten van Webb testen

Bij het beoordelen van voorstellen voor hoe James Webb zou kunnen worden gebruikt, legde de Pater uit, waarover de commissie besliste welke projecten eerst moesten worden nagestreefd, wilde de ideeën van de astronomiegemeenschap zien over wat de telescoop zou kunnen Doen. "Dus zochten ze echt naar projecten die JWST tot het uiterste dreef", zei ze. "Dat is wat ons project doet."

Ze zullen alle vier de instrumenten van Webb in verschillende combinaties gebruiken voor verschillende doelen in het systeem, om verschillende kenmerken zoals vulkanen, ringen en lagen van de atmosfeer van de planeet te onderscheiden.

Het plan was om Jupiter, zijn ringen en zijn manen Io en Ganymedes te observeren, maar enkele jaren nadat het team hun voorstel deed zich een onverwacht probleem voor: de telescoop was eigenlijk te gevoelig voor veel van de geplande werkzaamheden Jupiter. "De telescoop was veel gevoeliger dan ze hadden verwacht, dus moesten we een aantal van onze waarnemingen op Jupiter veranderen - en we kunnen minder doen op Jupiter zelf dan we aanvankelijk hadden verwacht."

Maar het team wist nog steeds dat ze waardevolle gegevens konden krijgen en manieren konden vinden om het werk te doen dat ze wilden. Ze veranderden factoren zoals welke filters ze zouden gebruiken en keken naar kleinere gezichtsvelden.

Waarom Jupiter zo'n uitdaging biedt

Het idee dat een telescoop te gevoelig is, klinkt misschien contra-intuïtief. Maar zie het als het maken van een foto terwijl je naar de zon kijkt: alle kleuren worden uitgeblazen, zodat alles wit en vervaagd lijkt en het moeilijk is om enig detail te zien. Het licht dat van de zon komt is gewoon te fel, wat leidt tot een overbelicht beeld.

Hetzelfde gebeurt bij het bestuderen van astronomische lichamen. Planeten geven niet veel licht af in vergelijking met sterren, omdat ze zelf geen licht produceren, maar alleen het licht van hun sterren weerkaatsen. Dat maakt planeten veel zwakker dan sterren in het algemeen. Maar als je naar kleine details kijkt of naar nog kleinere lichamen zoekt, zoals manen, of naar fijne details zoals ringen, dan kan het licht van een planeet verblinding veroorzaken in de gegevens die je verzamelt.

Dat is de grote uitdaging bij het gebruik van Webb om de manen of ringen van Jupiter te bestuderen: proberen rekening te houden met het licht van de planeet, zodat deze kleine objecten in detail kunnen worden gezien. Jupiter is een van de helderste objecten aan de hemel, dus dit is geen gemakkelijke taak.

Gelukkig hebben astronomen veel ervaring met het observeren van planetaire ringen met behulp van andere instrumenten zoals de Hubble-ruimtetelescoop. "Dus die kennis gebruiken we voor de JWST-waarnemingen", legt de Pater uit. Het team zal de ringen onder verschillende "rolhoeken" observeren, wat betekent dat de ringen in enigszins verschillende richtingen op de detector worden verschoven. Door de ringen onder verschillende hoeken te bekijken, kunnen ze zien hoe het verstrooide licht van de planeet op de ringen valt. Dan kan dit licht worden afgetrokken, waardoor alleen het licht van de ringen zelf overblijft.

Planeten bestuderen in ons zonnestelsel en daarbuiten

Het gebruik van Webb om Jupiter te bestuderen is niet alleen een manier om de grenzen van deze gloednieuwe telescoop te testen. Het bestuderen van planeten in ons eigen zonnestelsel kan ook helpen om planeten buiten ons zonnestelsel, de zogenaamde exoplaneten, beter te begrijpen.

Een van de grote doelen van de exoplaneetwetenschap van tegenwoordig is verder te gaan dan het identificeren van een planeet en het schatten van de planeet grootte of massa, en om er een vollediger begrip van op te bouwen door te kijken of het een atmosfeer.

Maar om planeten in verre systemen te begrijpen, helpt het om de planeten in de onze te begrijpen. Webb zal kijken naar de atmosferen van verre gasreuzen, die we vervolgens kunnen vergelijken met wat we weten over de atmosferen van Jupiter en Saturnus.

Bovendien zal het team van de Pater, door Webb te gebruiken om Jupiter te bestuderen, een reeks hulpmiddelen ontwikkelen die door anderen in de astronomiegemeenschap kunnen worden gebruikt om andere planeten in ons zonnestelsel, en een glimp geven van wat Webb over hen zou kunnen ontdekken - inclusief de intrigerende en zelden bestudeerde verre planeten van Uranus en Neptunus.

“Ons team gaat software ontwikkelen die gebruikt kan worden voor het Joviaanse systeem, maar ook voor het Saturnus-systeem, voor Uranus en Neptunus. En we kunnen mensen laten zien wat je kunt verwachten op basis van onze observaties, 'zei de Pater. "Het is absoluut een wegwijzer op die manier."

Aanbevelingen van de redactie

• Dit is waarom wetenschappers denken dat het leven gedijt op de 'helplaneet' Venus
• Zoom in op het verbluffende James Webb-beeld om een ​​sterrenstelsel te zien dat 13,4 miljard jaar geleden is gevormd
• James Webb ziet het verst verwijderde actieve superzware zwarte gat dat ooit is ontdekt
• James Webb ontdekt aanwijzingen voor de grootschalige structuur van het universum
• James Webb detecteert een belangrijk molecuul in de verbluffende Orion-nevel