James Webbs første studiemål vil være nær hjemmet

Astronomer verden over summer av forventning til den nye vitenskapen som vil være mulig når James Webb Space Telescope, verdens kraftigste romteleskop, fullfører sitt igangkjøring. Siden teleskopet ble skutt opp 25. desember 2021, har det foldet ut maskinvaren til sin endelige konfigurasjon, nådd sin endelige bane rundt solen, og fullført justeringen av speilene med hovedkameraet, men det gjenstår fortsatt trinn som kalibrering av instrumentene før det er klart for vitenskapelig bruk.

Så snart idriftsettelsesfasen er fullført, som skal avsluttes i sommer, starter vitenskapelige observasjoner. Og det er her ting blir spennende, ettersom teleskopets høye følsomhet og infrarøde evner vil gjøre det mulig å observere ekstremt fjerne objekter, enda svakere enn de observert av nåværende rombaserte teleskoper som Hubble. Det vil innlede en ny æra av astronomiske observasjoner og kan bidra til å undersøke emner som omfattende som hvordan de første galaksene ble dannet og om planeter i andre stjernesystemer har atmosfærer eller ikke.

Tretten prosjekter er valgt for å teste ut egenskapene til dette splitter nye teleskopet i løpet av de første fem månedene av operasjoner, og som du kan forestille deg, var konkurransen om hvilke prosjekter som skulle få første nedgang på dette nye verktøyet voldsom.

Mesteparten av 13 prosjekter valgt vil se på fjerne objekter som sorte hull eller fjerntliggende galakser. Men ett prosjekt vil se nærmere hjemmet - ved Jupiter, midt i vår kosmiske bakgård.

For å lære om hva forskere håper å oppdage om denne store, vakre gassgiganten, og for å finne ut hvorfor et så relativt nært mål blir brukt til å teste ut et så kraftig teleskop, snakket vi med Berkeley-astronomen Imke de Pater, leder av Jupiter-observasjonen team.

Et helt system å utforske

Sammenlignet med fjerne eksoplaneter eller til og med de fjernere isgigantplanetene i vårt solsystem, vet astronomer mye om Jupiter. Vi har massevis av data om planeten takket være både observasjoner fra bakkebaserte teleskoper og oppdrag som Galileo, som gikk i bane rundt planeten frem til 2003, og Juno som fortsatt går i bane der nå.

Men som ofte er tilfellet med vitenskap, kan hver databit vi får om planeten reise flere spørsmål. "Vi har vært der med flere romfartøyer og har observert planeten med Hubble og mange bakkebaserte teleskoper på bølgelengder over det elektromagnetiske spekteret (fra UV til meter bølgelengder), så vi har lært enormt mye om selve Jupiter, dens atmosfære, indre og om månene og ringene,» sa de Pater. "Men hver gang du lærer mer er det ting du ennå ikke forstår - så du trenger alltid mer data."

Noen av de største åpne spørsmålene vi har om Jupiter angår dens atmosfære, som hvordan varme beveger seg mellom lag i atmosfæren, og hvordan atmosfæren samhandler med magnetosfæren.

Men gruppen vil ikke bare se på selve Jupiter, og se på detaljer som den store røde flekken (en turbulent storm så enorm at det kan sees på som en flekk som er stor nok til å oppsluke hele jorden) og planetens sørpol (med dens særegne nordlys). De vil også se på hele det jovianske systemet, inkludert planetens svake ringer og dens måner inkludert Io og Ganymedes.

Hvert av disse målene er spennende i seg selv - Io er for eksempel det mest vulkansk aktive stedet i solsystemet, og Ganymedes er den eneste månen som er kjent for å produsere sin egen magnetosfære. Sett under ett er Jovian-systemet det ideelle stedet for å teste grensene for Webbs muligheter.

Ser inn i det infrarøde

For å hjelpe til med å lære om disse komplekse emnene, vil de Paters gruppe dra nytte av James Webbs infrarøde evner, som lar forskere se dypere inn i planetens atmosfære.

Disse egenskapene gjør det mulig å studere atmosfæren utover det som ville være mulig ved å se i det synlige lysets bølgelengde. "I det synlige bølgelengdeområdet ser du i utgangspunktet skyer," forklarte hun. "Ved infrarøde bølgelengder kan du sondere over skyene og under skyene, avhengig av bølgelengden. Ved forskjellige bølgelengder kan du se forskjellige høyder i atmosfæren, avhengig av opasiteten i atmosfæren atmosfære (dvs. hvor mye "lys" som absorberes ved den bestemte bølgelengden bestemmer hvor dypt man kan se inn i planet)."

Spesielt nyttig for denne forskningen vil være de midt-infrarøde bølgelengdene, som kan sees ved hjelp av Webbs MIRI eller Mid-Infrared Instrument.

"Den største fordelen er ved de midt-infrarøde bølgelengdene," forklarte de Pater. "Vi kan observere noen av disse bølgelengdene fra bakken, men jordens atmosfære er så turbulent at det vi får på bakken, kan vi ikke kalibrere observasjonene særlig godt.» Det betyr mer usikkerhet i data; et problem som forverres av den infrarøde bakgrunnsstrålingen på jorden.

Men med et rombasert teleskop som James Webb, er det ingen atmosfære og mindre bakgrunnsstråling å komme i veien, og det betyr at dataene som samles inn vil være mye mer nøyaktige. I tillegg tilbyr Webb eksepsjonell stabilitet, noe som betyr at den kan peke på et mål og ikke vakle, takket være sin plassering i verdensrommet. Alt dette betyr at den kan samle inn noen av de mest nøyaktige dataene ennå om Jupiter.

Tester ut Webbs grenser

Ved vurderingen av forslag til hvordan James Webb kunne brukes, forklarte de Pater, komiteen vedtok hvilke prosjekter å forfølge først ønsket å se astronomisamfunnets ideer om hva teleskopet kunne gjøre. "Så de så virkelig etter prosjekter som presset JWST til grensene," sa hun. "Det er det prosjektet vårt gjør."

De vil bruke alle fire av Webbs instrumenter i forskjellige kombinasjoner for forskjellige mål i systemet, for å plukke ut forskjellige funksjoner som vulkaner, ringer og lag av planetens atmosfære.

Planen var å observere Jupiter, ringene og månene Io og Ganymede, men flere år etter at teamet sendte inn deres forslag oppsto et uventet problem — teleskopet var faktisk for følsomt for mye av det planlagte arbeidet med Jupiter. "Teleskopet var mye mer følsomt enn de forventet, så vi måtte endre en rekke av våre observasjoner på Jupiter - og vi kan gjøre mindre på Jupiter selv enn vi opprinnelig hadde forventet."

Men teamet visste fortsatt at de kunne få verdifulle data og finne måter å gjøre jobben de ønsket. De endret faktorer som hvilke filtre de ville bruke, og så på mindre synsfelt.

Hvorfor Jupiter gir en slik utfordring

Ideen om at et teleskop er for følsomt kan høres motintuitivt ut. Men tenk på det som å ta et bilde mens du vender mot solen: Alle fargene blir blåst ut slik at alt ser hvitt og utvasket ut og det er vanskelig å se noen detaljer. Lyset som kommer fra solen er bare for sterkt, noe som fører til et overeksponert bilde.

Det samme skjer når man studerer astronomiske kropper. Planeter avgir ikke mye lys sammenlignet med stjerner, da de ikke produserer lys av seg selv, men bare reflekterer lys fra stjernene. Det gjør planeter mye dimmere enn stjerner totalt sett. Men når du ser på små detaljer eller ser etter enda mindre kropper som måner, eller på fine detaljer som ringer, kan lyset fra en planet skape gjenskinn i dataene du samler inn.

Det er den store utfordringen når du bruker Webb til å studere Jupiters måner eller ringer: Å prøve å tillate lyset fra planeten slik at disse små objektene kan sees i detalj. Jupiter er et av de lyseste objektene på himmelen, så dette er ikke en lett oppgave.

Heldigvis har astronomer mye erfaring med å observere planetringer ved å bruke andre verktøy som Hubble-romteleskopet. "Så vi bruker den kunnskapen for JWST-observasjonene," forklarte de Pater. Teamet vil observere ringene i forskjellige "rullevinkler", noe som betyr at ringene vil bli forskjøvet til litt forskjellige orienteringer på detektoren. Ved å observere ringene i forskjellige vinkler kan de se hvordan det spredte lyset fra planeten faller på ringene. Deretter kan dette lyset trekkes fra, slik at bare lyset fra selve ringene blir igjen.

Studerer planeter i vårt solsystem og utover

Å bruke Webb til å studere Jupiter er ikke bare en måte å teste grensene til dette splitter nye teleskopet på. Å studere planeter i vårt eget solsystem kan også bidra til å forstå planeter utenfor vårt solsystem, kalt eksoplaneter.

Et av de store målene med eksoplanetvitenskap i dag er å gå utover å identifisere en planet og estimere dens størrelse eller masse, og å bygge opp en mer fullstendig forståelse av den ved å se på om den har en atmosfære.

Men for å forstå planeter i fjerne systemer, hjelper det å forstå planetene i våre egne. Webb skal se på atmosfærene til fjerne gassgiganter, som vi så kan sammenligne med det vi vet om atmosfærene til Jupiter og Saturn.

Videre, ved å bruke Webb til å studere Jupiter, vil de Paters team utvikle et sett med verktøy som kan brukes av andre i astronomimiljøet for å studere andre planeter i vårt solsystem, og gi et glimt av hva Webb kan være i stand til å oppdage om dem - inkludert de spennende og sjelden studerte fjerne planetene til Uranus og Neptun.

«Vårt team vil utvikle programvare som kan brukes for det jovianske systemet, men også for Saturn-systemet, for Uranus og Neptun. Og vi kan vise folk hva du kan forvente basert på våre observasjoner," sa de Pater. "Det er definitivt en veisøker på den måten."

Redaktørenes anbefalinger

• Her er grunnen til at forskere tror at livet kan ha trivdes på "helvetesplaneten" Venus
• Zoom inn på det fantastiske James Webb-bildet for å se en galakse som ble dannet for 13,4 milliarder år siden
• James Webb oppdager det mest fjerne aktive supermassive sorte hullet som noen gang er oppdaget
• James Webb oppdager ledetråder til universets storskalastruktur
• James Webb oppdager viktige molekyler i den fantastiske Orion-tåken