Pierwsze cele badań Jamesa Webba będą blisko domu

Astronomowie na całym świecie nie mogą się doczekać nowej nauki, która będzie możliwa gdy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, najpotężniejszy teleskop kosmiczny na świecie, zakończy swoją pracę uruchomienie. Od czasu wystrzelenia teleskopu 25 grudnia 2021 r. rozwinął swój sprzęt do ostatecznej konfiguracji, osiągnął ostateczną orbitę wokół Słońca i zakończył wyrównywanie lusterek z głównym aparatem, ale zanim będzie gotowy do zastosowanie naukowe.

Jak tylko zakończy się faza rozruchu, która ma się zakończyć tego lata, rozpoczną się obserwacje naukowe. I tutaj sprawy stają się ekscytujące, ponieważ umożliwią to wysoka czułość teleskopu i możliwości w zakresie podczerwieni obserwować bardzo odległe obiekty, nawet słabsze niż te obserwowane przez obecne teleskopy kosmiczne, takie jak Hubble'a. Zapoczątkuje nową erę obserwacji astronomicznych i może pomóc w badaniu takich tematów jak szeroko zakrojone, jak to, jak powstały pierwsze galaktyki i czy planety w innych układach gwiezdnych mają atmosfery albo nie.

Wybrano trzynaście projektów, aby przetestować możliwości tego zupełnie nowego teleskopu w ciągu pierwszych pięciu miesięcy operacji i jak możesz sobie wyobrazić, konkurs, w którym projekty powinny otrzymać pierwszeństwo w tym nowym narzędziu, był zaciekły.

Większość Wybrano 13 projektów przyjrzy się odległym obiektom, takim jak czarne dziury lub odległe galaktyki. Ale jeden projekt będzie wyglądał bliżej domu — na Jowiszu, bezpośrednio na naszym kosmicznym podwórku.

Aby dowiedzieć się, co naukowcy mają nadzieję odkryć na temat tego wielkiego, pięknego gazowego olbrzyma i dowiedzieć się, dlaczego tak stosunkowo bliski cel jest używany do testowania tak potężnego teleskopu, rozmawialiśmy z astronomem z Berkeley Imke de Pater, liderem obserwacji Jowisza zespół.

Cały system do zbadania

W porównaniu z odległymi egzoplanetami, a nawet bardziej odległymi lodowymi olbrzymami w naszym Układzie Słonecznym, astronomowie wiedzą dużo o Jowiszu. Mamy mnóstwo danych o planecie dzięki zarówno obserwacjom z naziemnych teleskopów, jak i misjom takim jak Galileo, który krążył wokół planety do 2003 roku, oraz Juno który nadal tam krąży.

Ale jak to często bywa w nauce, każdy kawałek danych, które otrzymujemy na temat planety, może rodzić więcej pytań. „Byliśmy tam z kilkoma statkami kosmicznymi i obserwowaliśmy planetę za pomocą Hubble'a i wielu teleskopów naziemnych na długościach fal w całym spektrum elektromagnetycznym (od UV do długości fal metrów), więc dowiedzieliśmy się ogromnej ilości o samym Jowiszu, jego atmosferze, wnętrzu oraz o jego księżycach i pierścieniach” – powiedział de Ojciec. „Ale za każdym razem, gdy uczysz się więcej, są rzeczy, których jeszcze nie rozumiesz – więc zawsze potrzebujesz więcej danych”.

Niektóre z największych otwartych pytań, jakie mamy na temat Jowisza, dotyczą jego atmosfera, jak ciepło przemieszcza się między warstwami atmosfery i jak atmosfera oddziałuje z magnetosferą.

Ale grupa nie będzie patrzeć tylko na samego Jowisza, skupiając się na szczegółach, takich jak Wielka Czerwona Plama (burzliwa burza tak rozległa, że można go postrzegać jako plamę wystarczająco dużą, by objąć całą Ziemię) oraz biegun południowy planety (z charakterystycznymi zorze polarne). Będą również przyglądać się całemu systemowi Jowisza, w tym słabym pierścieniom planety i jej księżycom, w tym Io i Ganimedesowi.

Każdy z tych celów jest intrygujący na swój sposób — na przykład Io jest najbardziej aktywnym wulkanicznie miejscem w Układzie Słonecznym, a Ganimedes jest jedynym księżycem, o którym wiadomo, że wytwarza własną magnetosferę. Jako całość system Jowisza jest idealnym miejscem do testowania granic możliwości Webba.

Zaglądanie w podczerwień

Aby pomóc w poznaniu tych złożonych zagadnień, grupa de Patera wykorzysta możliwości podczerwieni Jamesa Webba, które pozwolą naukowcom zajrzeć głębiej w atmosferę planety.

Możliwości te umożliwiają badanie atmosfery w zakresie wykraczającym poza to, co byłoby możliwe, patrząc w zakresie długości fali światła widzialnego. „W widzialnym zakresie długości fal zasadniczo widzisz chmury” – wyjaśniła. „W zakresie fal podczerwonych można sondować nad chmurami i pod chmurami, w zależności od długości fali. Przy różnych długościach fal można zobaczyć różne wysokości w atmosferze, w zależności od zmętnienia w atmosfera (tj. ile „światła” jest absorbowane przy określonej długości fali, określa, jak głęboko można zajrzeć do wnętrza planeta)."

Szczególnie przydatne w tych badaniach będą fale średniej podczerwieni, które można oglądać za pomocą instrumentu Webba MIRI lub Mid-Infrared Instrument.

„Największą zaletą są fale średniej podczerwieni” – wyjaśnił de Pater. „Możemy obserwować na niektórych z tych długości fal z Ziemi, ale atmosfera ziemska jest tak burzliwa, że co otrzymujemy na ziemi, nie możemy dobrze skalibrować obserwacji”. Oznacza to większą niepewność w dane; problem, który pogarsza promieniowanie podczerwone tła na Ziemi.

Ale dzięki teleskopowi kosmicznemu, takiemu jak James Webb, nie ma atmosfery i mniej promieniowania tła, które mogłoby przeszkadzać, a to oznacza, że ​​zebrane dane będą znacznie dokładniejsze. Dodatkowo Webb oferuje wyjątkową stabilność, co oznacza, że ​​może wskazywać cel i nie wahać się, dzięki pozycjonowaniu w przestrzeni. Wszystko to oznacza, że ​​może zebrać jedne z najdokładniejszych danych na temat Jowisza.

Testowanie ograniczeń Webba

Oceniając propozycje wykorzystania Jamesa Webba, wyjaśnił de Pater, komisja podjęła decyzję który z projektów do zrealizowania najpierw chciał zobaczyć pomysły społeczności astronomicznej na temat możliwości teleskopu Do. „Więc naprawdę szukali projektów, które popchnęły JWST do granic możliwości” – powiedziała. „To właśnie robi nasz projekt”.

Wykorzystają wszystkie cztery instrumenty Webba w różnych kombinacjach dla różnych celów w systemie, aby wybrać różne cechy, takie jak wulkany, pierścienie i warstwy atmosfery planety.

Plan zakładał obserwację Jowisza, jego pierścieni oraz księżyców Io i Ganimedesa, ale kilka lat po tym, jak zespół przedłożył ich propozycji pojawił się nieoczekiwany problem — teleskop był w rzeczywistości zbyt czuły na większość planowanych prac Jowisz. „Teleskop był znacznie bardziej czuły, niż się spodziewali, więc musieliśmy zmienić wiele naszych obserwacji Jowisza – a na samym Jowiszu możemy zrobić mniej, niż pierwotnie przewidywaliśmy”.

Ale zespół nadal wiedział, że mogą uzyskać cenne dane i znaleźć sposoby na wykonanie pracy, którą chcieli. Zmienili czynniki, takie jak używane filtry, i spojrzeli na mniejsze pola widzenia.

Dlaczego Jowisz stanowi takie wyzwanie

Pomysł, że teleskop jest zbyt czuły, może wydawać się sprzeczny z intuicją. Ale pomyśl o tym, jak o zrobieniu zdjęcia twarzą do słońca: wszystkie kolory są rozmyte, więc wszystko wydaje się białe i wyblakłe i trudno dostrzec jakiekolwiek szczegóły. Światło pochodzące od słońca jest po prostu zbyt jasne, co prowadzi do prześwietlenia obrazu.

To samo dzieje się podczas badania ciał astronomicznych. Planety nie emitują dużo światła w porównaniu z gwiazdami, ponieważ nie wytwarzają własnego światła, a jedynie odbijają światło od swoich gwiazd. To sprawia, że ​​planety ogólnie są znacznie ciemniejsze niż gwiazdy. Ale kiedy patrzysz na drobne szczegóły lub szukasz jeszcze mniejszych ciał, takich jak księżyce, lub na drobne szczegóły, takie jak pierścienie, światło z planety może powodować odblaski w gromadzonych danych.

To jest duże wyzwanie, gdy używasz Webba do badania księżyców lub pierścieni Jowisza: próba wpuszczenia światła z planety, aby te małe obiekty były widoczne w szczegółach. Jowisz jest jednym z najjaśniejszych obiektów na niebie, więc nie jest to łatwe zadanie.

Na szczęście astronomowie mają duże doświadczenie w obserwowaniu pierścieni planetarnych za pomocą innych narzędzi, takich jak Kosmiczny Teleskop Hubble'a. „Wykorzystujemy więc tę wiedzę do obserwacji JWST” — wyjaśnił de Pater. Zespół będzie obserwował pierścienie pod różnymi „kątami przechyłu”, co oznacza, że ​​pierścienie zostaną przesunięte w nieco innych kierunkach na detektorze. Obserwując pierścienie pod różnymi kątami, mogą zobaczyć, jak rozproszone światło z planety pada na pierścienie. Następnie to światło można odjąć, pozostawiając tylko światło z samych pierścieni.

Badanie planet w naszym Układzie Słonecznym i poza nim

Wykorzystanie Webba do badania Jowisza to nie tylko sposób na przetestowanie ograniczeń tego zupełnie nowego teleskopu. Badanie planet w naszym własnym Układzie Słonecznym może również pomóc w zrozumieniu planet poza naszym Układem Słonecznym, zwanych egzoplanetami.

Jednym z głównych celów dzisiejszej nauki o egzoplanetach jest wyjście poza identyfikację planety i oszacowanie jej wartości rozmiar lub masę i zbudować pełniejsze zrozumienie tego, sprawdzając, czy ma atmosfera.

Ale zrozumienie planet w odległych układach pomaga zrozumieć planety w naszym własnym. Webb będzie przyglądał się atmosferom odległych gazowych olbrzymów, które możemy następnie porównać z tym, co wiemy o atmosferach Jowisza i Saturna.

Co więcej, wykorzystując Webba do badania Jowisza, zespół de Patera opracuje zestaw narzędzi, które będą mogły być używane przez innych członków społeczności astronomicznej do badania innych planet w naszego Układu Słonecznego i rzucić okiem na to, co Webb mógłby o nich odkryć — w tym intrygujące i rzadko badane odległe planety Urana i Neptun.

„Nasz zespół opracuje oprogramowanie, które będzie można wykorzystać w systemie Jowisza, ale także w systemie Saturna, Urana i Neptuna. I możemy pokazać ludziom, czego można się spodziewać na podstawie naszych obserwacji” – powiedział de Pater. „Pod tym względem zdecydowanie jest pionierem”.

Zalecenia redaktorów

• Oto dlaczego naukowcy uważają, że życie mogło kwitnąć na „piekielnej planecie” Wenus
• Powiększ oszałamiające zdjęcie Jamesa Webba, aby zobaczyć galaktykę utworzoną 13,4 miliarda lat temu
• James Webb dostrzega najodleglejszą aktywną supermasywną czarną dziurę, jaką kiedykolwiek odkryto
• James Webb dostrzega wskazówki dotyczące wielkoskalowej struktury wszechświata
• James Webb wykrywa ważną cząsteczkę w oszałamiającej mgławicy Oriona