Hvordan James Webb-romteleskopet vil jakte på eksoplaneter

Når nylanserte James Webb-romteleskopet utfolder seg fullstendig og kommer på nettet, vil det ikke bare være enda et verktøy for astronomer til å utforske universet. Med sin banebrytende spektroskopiteknologi vil den være i stand til å kikke ut i rommets mørke og se fjerne objekter mer detaljert enn noen gang før - langt mer enn forgjengeren, Hubble Space Teleskop. Det kommer til å revolusjonere vår forståelse av eksoplaneter, og det kan til og med hjelpe oss å lære om hvor vi kom fra og hvor ellers i universet kan være beboelig.

For å få en oversikt over hvordan James Webb-romteleskopet vil hjelpe oss med å studere spinnende kuler av stein billioner kilometer unna (og hvorfor astronomer vil), snakket vi med to forskere som skal jobbe med James Webb etter utplassering: Néstor Espinoza fra Space Telescope Science Institute og Antonella Nota fra European Space Agency (ESA).

Et stort sprang fremover

De siste årene har forskere identifisert planeter utenfor solsystemet vårt ved hjelp av teleskoper som TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) eller Kepler romteleskop. Disse er i stand til å se på de aller lyseste stjernene og se endringer i deres lysstyrke når en planet passerer mellom dem og oss ved å bruke en teknikk som kalles transittmetode. Dette er en imponerende bragd av vitenskapelig observasjon, men det forteller oss ikke mye om hvordan disse planetene er - bare deres omtrentlige størrelse og noen ganger deres masse.

Hvis vi vil vite hvordan en planet er - har den en atmosfære? hva består den av? er det skyer på himmelen? er det vann der? – Vi må se i mye, mye større detalj. Det er det Webb skal gjøre, men det er en enorm teknisk utfordring. Det er derfor NASA, ESA og Canadian Space Agency (CSA) alle jobber sammen om dette prosjektet.

"Webb er hundre ganger mer sensitiv enn Hubble, og på grunn av det vil Webb kunne avsløre De minste detaljene i de fjerneste hjørnene av det fjerne universet, med utsøkt oppløsning,» Nota forklart.

Mens Hubble har vært vant til lære mer om eksoplaneter, Espinoza sa, "synet det gir deg er veldig snevert. Det gir deg kanskje én funksjon." Til sammenligning, sa han, kommer Webb til å være "fantastisk", slik at vi kan se flere funksjoner samtidig og se på mindre planeter. "Det kommer til å være vår første endring å se på mindre planeter i store detaljer."

Hubble fungerer også i bølgelengden for synlig lys, og tar bilder i det lysområdet vi kan se. Men James Webb vil jobbe i den infrarøde bølgelengden, som kan plukke ut forskjellige funksjoner og kikke gjennom tilslørende støv, "åpner et vindu inn i universet som vil være helt nytt," som Nota sette det.

Hubble og Webb vil kunne jobbe sammen og samle komplementære data om de samme målene. Så hvis du elsker vakre bilder av verdensrommet tatt av Hubble, ikke bekymre deg, disse forsvinner ikke. Vi vil ganske enkelt få et annet verktøy for enda dypere forståelse.

«James Webb kommer til å bli revolusjonerende. Bokstavelig talt revolusjonerende," sa Espinoza. "Det kommer til å tillate oss å se ting som vi har ventet å oppdage i lang tid, men som ikke har hadde teknologien til å se, og jeg er ganske sikker på at den kommer til å oppdage ting vi ikke tenker på av."

Oppdaterer Hubbles 1980-tallsteknologi

Forskere har gjort en bemerkelsesverdig jobb med å finne og lære om eksoplaneter ved å bruke for tiden tilgjengelige instrumenter, og oppdaget over 4000 eksoplaneter så langt. Dette feltet er imidlertid svært nylig, med de første planetene utenfor vårt solsystem som ble identifisert på 1990-tallet. Det betyr at mange nåværende generasjons instrumenter, som Hubble, aldri ble designet med eksoplanetstudier i tankene.

"Hubble er 80-tallsteknologi," sa Espinoza. «Ingenting mot 80-tallet – jeg elsker 80-tallet, spesielt musikken! – Men teknologien har utviklet seg massevis. Den typen detektorer vi hadde den gang er ingenting sammenlignet med den typen detektorer vi har nå."

James Webb, på den annen side, har blitt designet med den spesifikke hensikten å brukes til eksoplanetkarakterisering, og det har vært i forkant av designprinsippene. For eksempel, når Webb peker på en stjerne, vil den peke på en bestemt piksel med svært høy presisjon, og den vil ikke bevege seg i det hele tatt, slik at forskere kan måle alle fall i lysstyrken svært nøyaktig som kan gi ledetråder til en planet i bane.

Dette presisjonsnivået gjør at Webb kan utføre sin mest spennende eksoplanetrelaterte funksjon: Å oppdage om en eksoplanet har en atmosfære, og hva den atmosfæren består av. "De små detaljene som betyr mye når du prøver å oppdage eksoplanetatmosfærer," forklarte Espinoza.

Undersøker eksoplaneter ved hjelp av infrarødt lys

Selv om forskere har kommet opp med noen veldig kreative måter til oppdage eksoplanetatmosfære, det er ikke noe som nåværende instrumenter er designet for å gjøre. Det er derfor Webbs evner vil være så revolusjonerende.

For å se ut i universet har Webb fire instrumenter som vil se i den infrarøde bølgelengden. De inkluderer Near-Infrared Camera (NIRCam) og Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Så er det Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager og Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), som, som navnene deres antyder, vil se ut i det nær-infrarøde båndet. Til slutt er det Mid-Infrared Instrument (MIRI), som ser over et bredt spekter i fjerninfrarødt.

Men dette er sensitive instrumenter, og de krever et nøye vedlikeholdt miljø for å fungere. Så teknologien rundt dem må også være banebrytende.

"Webb er full til kanten av ny, kompleks teknologi, fra de sensitive IR-detektorene, til det femlags tynne Kapton-solskjoldet på størrelse med tennisbanen som vil beskytte instrumenteringen fra solstrålingen og vil tillate teleskopet og detektorene å nå den kalde temperaturen som er nødvendig for å observere i det infrarøde,» Nota sa.

Hun påpekte også de fine detaljene på instrumentene, som NIRSpecs microshutter-array, som er et sett med små lukkede vinduer på størrelse med noen få menneskehår. Dette vil tillate instrumentet å observere hundrevis av objekter samtidig. "En absolutt førsteplass innen romastronomi, der spektroskopi tradisjonelt utføres ett objekt om gangen," sa Nota.

Forstå hvor vi kom fra

Drivkraften til å se om en fjern planet har en atmosfære er ikke bare en vitenskapelig oppblomstring, eller en inaktiv nysgjerrighet på hvordan disse fjerne stedene er. Snarere er det nøkkelen til å forstå hvordan planeter - inkludert våre egne - blir skapt.

Når det gjelder å forstå hvordan solsystemet vårt ble dannet, kjører forskere modeller og prøver å se hvordan vi kunne ha endt opp med sammensetningen av planetene vi ser. "Men for øyeblikket har vi en prøvestørrelse på én," påpekte Espinoza. «Vårt solsystem. Det er det. Nå er vi inne i en tid da vi kan se inn i sammensetningene til andre solsystemer. Og hvordan planetene dannes definerer deres kjemiske sammensetning."

Så når vi ser på en fjern eksoplanets atmosfære, lærer vi hvordan den ble til. Og fra det kan vi bygge opp et bilde av hvordan planeter og solsystemer dannes basert på flere tilfeller enn bare den i bakgården vår. "Så å få disse hintene om formasjonssignaturer i disse eksoplanetene gjennom kjemien som vi observerer i deres atmosfærer er helt grunnleggende for at vi skal forstå hvordan de ble til, og derfor hvordan vi ble til,» han sa.

Jakt på beboelighet

Den kanskje mest spennende grunnen til å se på eksoplanetatmosfærer er å forstå hvor ellers i universet liv kan blomstre. "Et av nøkkelspørsmålene som Webb vil studere er livets opprinnelse," sa Nota. "Det er store variasjoner av ekso-verdener, flere enn vi kunne ha forestilt oss. Det er gassplaneter på størrelse med Jupiter som kretser veldig nær stjernen deres, enorme steinete "superjordar" og "varme" Neptunes.’ Noen av disse kan ha de rette temperaturforholdene og den rette sammensetningen for å være vertskap liv."

Men for å avgjøre om en planet er beboelig, sa Espinoza, er det ikke nok bare å vite størrelsen og massen. Tross alt, når vi finner en planet som er på størrelse med jorden og har en lignende masse, antar folk ofte at det vil være et jordlignende sted. Men Venus og Mars er av omtrent samme størrelse og masse som Jorden, og de har atmosfærer som er ekstremt ugjestmilde for vår livsform. “Venus er det verste stedet å dra på ferie!” spøkte han, med sitt enorme trykk og giftige atmosfære full av karbondioksid. Mars er ikke mye bedre, med sin ekstremt tynne, pustende atmosfære som bare er 1 % av tettheten til atmosfæren vår på jorden.

Så vi trenger å vite om atmosfærer for å vite om en individuell planet er beboelig. Og enda viktigere, for å få et estimat på hvor mange beboelige planeter det kan være der ute, må vi vite hvilke typer atmosfærer som er typiske for planeter med størrelse som vår. "Hvilken er den vanligste atmosfæren som naturen danner?" spurte Espinoza. "Det kan være Venus-lignende eller Mars-lignende, og Jorden er en uteligger." Eller det kan være at jordlignende atmosfærer er typiske, og antallet potensielt beboelige planeter der ute er enormt.

Å strekke seg ut i det ukjente

Webb vil ikke bare se på eksoplaneter. Den vil utføre et stort spekter av forskning, fra å se tilbake i de tidligste fasene av universet for å se de første galaksene dannes, til å se hvordan stjerner blir født fra virvlende støv og gass. Med dens første året med vitenskapelige operasjoner planlagt, vi skraper bare overflaten av hva dette nye verktøyet kan brukes til. Vi må vente og se hvilke andre astronomiske vidundere den vil kunne løse.

"Jeg tror den største oppdagelsen vil være den som ingen forventer," sa Nota. "Den som vil endre måten vi ser universet på, den som vil definere, kanskje en gang for alle, hva som er vår plass i universet."

Redaktørenes anbefalinger

• James Webb oppdager gammelt støv som kan være fra de tidligste supernovaene
• 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