Hoe de James Webb-ruimtetelescoop op exoplaneten zal jagen

Wanneer de pas gelanceerde James Webb-ruimtetelescoop zich volledig ontvouwt en online komt, zal het niet zomaar een hulpmiddel zijn voor astronomen om het universum te verkennen. Met zijn geavanceerde spectroscopietechnologie zal hij in de duisternis van de ruimte kunnen kijken zie verre objecten gedetailleerder dan ooit tevoren – veel meer dan zijn voorganger, de Hubble Space Telescoop. Het zal een revolutie teweegbrengen in ons begrip van exoplaneten, en het zou ons zelfs kunnen helpen te leren waar we vandaan komen en waar elders in het universum bewoonbaar zou kunnen zijn.

Om meer te weten te komen over hoe de James Webb-ruimtetelescoop ons zal helpen bij het bestuderen van draaiende rotsballen op biljoenen kilometers afstand (en waarom astronomen dat willen), spraken we met twee onderzoekers die na de implementatie met James Webb zullen samenwerken: Néstor Espinoza van het Space Telescope Science Institute en Antonella Nota van de European Space Agency (ESA).

Een gigantische sprong voorwaarts

De afgelopen jaren hebben onderzoekers planeten buiten ons zonnestelsel geïdentificeerd met behulp van telescopen TESS (de Transiting Exoplanet Survey Satellite) of de Kepler-ruimtetelescoop. Deze zijn in staat om naar de allerhelderste sterren te kijken en veranderingen in hun helderheid te zien wanneer een planeet tussen hen en ons in passeert, met behulp van een techniek die de zogenaamde transitmethode. Dit is een indrukwekkend staaltje wetenschappelijke observatie, maar het vertelt ons niet veel over hoe die planeten eruit zien – alleen hun geschatte grootte en soms hun massa.

Als we willen weten hoe een planeet eruit ziet: heeft deze dan een atmosfeer? waaruit bestaat het? zijn er wolken in de lucht? Is daar water? – we moeten veel, veel meer details bekijken. Dat is wat Webb gaat doen, maar het is een enorme technische uitdaging. Daarom werken NASA, ESA en de Canadian Space Agency (CSA) allemaal samen aan dit project.

“Webb is honderd keer gevoeliger dan Hubble, en daardoor zal Webb de informatie kunnen onthullen zwakste details in de verste uithoeken van het zeer verre universum, met voortreffelijke resolutie”, Nota uitgelegd.

Terwijl Hubble dat gewend is leer meer over exoplaneten, Espinoza zei: “de visie die het je geeft is erg beperkt. Het geeft je misschien één functie. Ter vergelijking, zei hij, zal Webb ‘verbluffend’ zijn, waardoor we verschillende kenmerken tegelijk kunnen zien en naar kleinere planeten kunnen kijken. “Het wordt onze eerste verandering om kleinere planeten in groot detail te bekijken.”

Hubble werkt ook in de golflengte van zichtbaar licht en legt beelden vast in het lichtbereik dat we kunnen zien. Maar James Webb zal werken op de infrarode golflengte, die verschillende kenmerken kan onderscheiden turen door verduisterend stof en “een venster openen naar het universum dat compleet nieuw zal zijn”, zoals Nota zet het.

Hubble en Webb zullen kunnen samenwerken en aanvullende gegevens over dezelfde doelen verzamelen. Dus als je van de prachtige beelden van de ruimte vastgelegd door HubbleMaak je geen zorgen, deze zullen niet verdwijnen. We krijgen gewoon een ander hulpmiddel voor een nog dieper begrip.

“James Webb wordt revolutionair. Letterlijk revolutionair”, zei Espinoza. “Het gaat ons in staat stellen dingen te zien waarvan we al heel lang verwachtten dat we ze zouden ontdekken, maar die we nog niet hebben gezien had de technologie om het te zien, en ik ben er vrij zeker van dat het dingen zal detecteren waar we niet aan denken van."

Hubble’s technologie uit de jaren 80 bijwerken

Onderzoekers hebben opmerkelijk werk verricht bij het vinden en leren over exoplaneten met behulp van de momenteel beschikbare instrumenten, waarbij tot nu toe meer dan 4.000 exoplaneten zijn ontdekt. Dit veld is echter zeer recent: de eerste planeten buiten ons zonnestelsel werden in de jaren negentig geïdentificeerd. Dat betekent dat veel instrumenten van de huidige generatie, zoals Hubble, nooit zijn ontworpen met exoplaneetstudies in gedachten.

“Hubble is technologie uit de jaren 80”, zei Espinoza. “Niets tegen de jaren ’80 – ik hou van de jaren ’80, vooral van de muziek! – maar de technologie is enorm geëvolueerd. Het soort detectoren dat we toen hadden, is niets vergeleken met het soort detectoren dat we nu hebben.”

James Webb daarentegen is ontworpen met de specifieke bedoeling om te worden gebruikt voor de karakterisering van exoplaneten, en dat heeft voorop gestaan ​​bij de ontwerpprincipes. Wanneer Webb bijvoorbeeld naar een ster wijst, zal hij met zeer hoge precisie naar een bepaalde pixel wijzen en niet überhaupt bewegen, waardoor onderzoekers zeer nauwkeurig elke dip in helderheid kunnen meten die aanwijzingen zou kunnen geven voor een planeet in baan.

Dankzij dit precisieniveau kan Webb zijn meest opwindende exoplaneetgerelateerde functie uitvoeren: detecteren of een exoplaneet een atmosfeer heeft en waaruit die atmosfeer bestaat. “De kleine details die er heel veel toe doen als je de atmosfeer van exoplaneten probeert te detecteren”, legt Espinoza uit.

Onderzoek naar exoplaneten met behulp van infrarood licht

Hoewel onderzoekers er enkele hebben bedacht zeer creatieve manieren naar exoplaneetatmosfeer detecteren, het is niet iets waarvoor de huidige instrumenten zijn ontworpen. Daarom zullen de mogelijkheden van Webb zo revolutionair zijn.

Om het universum in te kijken, heeft Webb vier instrumenten die in de infrarode golflengte kijken. Ze omvatten de nabij-infraroodcamera (NIRCam) en de nabij-infraroodspectrograaf (NIRSpec). Dan zijn er nog de Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager en Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), die, zoals hun namen doen vermoeden, in de nabij-infraroodband zullen kijken. Ten slotte is er het Mid-Infrared Instrument (MIRI), dat over een breed bereik in het verre infrarood kijkt.

Maar dit zijn gevoelige instrumenten en ze vereisen een zorgvuldig onderhouden omgeving om te kunnen werken. De technologie om hen heen moet dus ook baanbrekend zijn.

“Webb zit boordevol nieuwe, complexe technologie, van de gevoelige IR-detectoren tot de vijflaagse dunne Kapton-zonnekap ter grootte van een tennisbaan die beschermt de instrumentatie van de zonnestraling en zal ervoor zorgen dat de telescoop en de detectoren de koude temperatuur kunnen bereiken die nodig is om in het infrarood waar te nemen,” Nota gezegd.

Ze wees ook op de fijne details van de instrumenten, zoals de microshutter-array van NIRSpec, een reeks kleine raampjes met luiken ter grootte van een paar menselijke haartjes. Hierdoor kan het instrument honderden objecten tegelijkertijd waarnemen. “Een absolute primeur in de ruimteastronomie, waarbij spectroscopie traditioneel object voor object wordt uitgevoerd”, aldus Nota.

Begrijpen waar we vandaan komen

De aanzet om te kijken of een verre planeet een atmosfeer heeft, is niet alleen een wetenschappelijke bloei, of een ijdele nieuwsgierigheid naar hoe deze verre oorden eruit zien. Het is eerder de sleutel om te begrijpen hoe planeten – inclusief de onze – worden gecreëerd.

Als het erom gaat te begrijpen hoe ons zonnestelsel is ontstaan, gebruiken onderzoekers modellen en proberen te zien hoe we op de samenstelling van de planeten die we zien terecht kunnen komen. “Maar momenteel hebben we een steekproefomvang van één,” merkte Espinoza op. "Ons zonnestelsel. Dat is het. Nu bevinden we ons in een tijdperk waarin we kunnen kijken naar de samenstellingen van andere zonnestelsels. En hoe de planeten ontstaan, bepaalt hun chemische samenstelling.”

Dus als we naar de atmosfeer van een verre exoplaneet kijken, leren we hoe deze is ontstaan. En op basis daarvan kunnen we een beeld opbouwen van hoe planeten en zonnestelsels ontstaan, op basis van meer gevallen dan alleen die in onze achtertuin. “Dus we krijgen deze hints van formatiesignaturen in deze exoplaneten door de chemie die we daarin waarnemen Atmosferen zijn absoluut van fundamenteel belang voor ons om te begrijpen hoe ze zijn ontstaan, en dus hoe wij zijn ontstaan”, zegt hij gezegd.

Op jacht naar bewoonbaarheid

Misschien wel de meest opwindende reden om naar de atmosferen van exoplaneten te kijken, is om te begrijpen waar elders in het universum het leven zou kunnen floreren. “Een van de belangrijkste vragen die Webb gaat bestuderen is de oorsprong van het leven”, zegt Nota. “Er zijn enorme variëteiten aan exowerelden, meer dan we ons hadden kunnen voorstellen. Er zijn gasplaneten ter grootte van Jupiter die heel dicht in de buurt van hun ster cirkelen, enorme rotsachtige ‘superaardes’ en ‘warme’ planeten. Neptunussen.’ Sommige hiervan hebben misschien de juiste temperatuuromstandigheden en de juiste samenstelling om te hosten leven."

Maar om te bepalen of een planeet bewoonbaar is, zegt Espinoza, is het niet voldoende om alleen de omvang en massa ervan te kennen. Als we een planeet vinden die zo groot is als de aarde en een vergelijkbare massa heeft, gaan mensen er immers vaak van uit dat het een aarde-achtige plek zal zijn. Maar Venus en Mars hebben ongeveer dezelfde afmetingen en massa als de aarde, en ze hebben een atmosfeer die uiterst onherbergzaam is voor onze levensvorm. “Venus is de slechtste plek om op vakantie te gaan!” grapte hij, met zijn enorme druk en giftige atmosfeer vol koolstofdioxide. Mars is niet veel beter, met zijn extreem dunne, niet-ademende atmosfeer die slechts 1% van de dichtheid van onze atmosfeer op aarde bedraagt.

We moeten dus iets weten over atmosferen om te weten of een individuele planeet bewoonbaar is. En nog belangrijker: om een ​​schatting te krijgen van hoeveel bewoonbare planeten er zouden kunnen zijn, moeten we weten welke soorten atmosferen typisch zijn voor planeten met een formaat als de onze. “Wat is de meest voorkomende sfeer die de natuur vormt?” vroeg Espinoza. “Het zou Venus-achtig of Mars-achtig kunnen zijn, en de Aarde is een uitbijter.” Of het kan zijn dat aardachtige atmosferen typisch zijn en dat het aantal potentieel bewoonbare planeten enorm is.

Uitreiken naar het onbekende

Webb zal niet alleen naar exoplaneten kijken. Het zal een enorm scala aan onderzoek uitvoeren, van terugkijken naar de vroegste fasen van het universum om de eerste sterrenstelsels te zien ontstaan, tot het kijken hoe sterren worden geboren uit wervelend stof en gas. Met zijn eerste jaar van wetenschappelijke activiteiten gepland, we schetsen slechts de oppervlakte van waar deze nieuwe tool voor zou kunnen worden gebruikt. We zullen moeten afwachten welke andere astronomische wonderen het zal kunnen ontrafelen.

“Ik denk dat de grootste ontdekking degene zal zijn die niemand verwacht”, zei Nota. “Degene die de manier zal veranderen waarop we het universum zien, degene die misschien voor eens en voor altijd zal bepalen wat onze plaats in het universum is.”

Aanbevelingen van de redactie

• James Webb ontdekt oud stof dat afkomstig zou kunnen zijn van de vroegste supernova's
• Zoom in op de verbluffende James Webb-afbeelding en zie een sterrenstelsel dat 13,4 miljard jaar geleden werd gevormd
• James Webb ziet het verste 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 Orionnevel