Jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba będzie polował na egzoplanety

Kiedy świeżo wystrzelony Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba zostanie w pełni rozwinięta i udostępniona online, nie będzie to tylko kolejne narzędzie dla astronomów do badania wszechświata. Dzięki najnowocześniejszej technologii spektroskopii będzie mógł zajrzeć w ciemność kosmosu i... widzieć odległe obiekty bardziej szczegółowo niż kiedykolwiek wcześniej — znacznie więcej niż poprzednia sonda, Przestrzeń Hubble'a Teleskop. Zrewolucjonizuje nasze rozumienie egzoplanet, a może nawet pomóc nam dowiedzieć się, skąd pochodzimy i gdzie jeszcze we wszechświecie mogą nadawać się do zamieszkania.

Aby dowiedzieć się, w jaki sposób Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba pomoże nam badać wirujące kule skalne oddalone o biliony mil (i dlaczego astronomowie tego chcą), rozmawialiśmy z dwoma badacze, którzy będą współpracować z Jamesem Webbem po oddelegowaniu: Néstor Espinoza z Instytutu Naukowego Teleskopu Kosmicznego i Antonella Nota z Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA).

Gigantyczny skok do przodu

W ostatnich latach badacze zidentyfikowali planety poza naszym Układem Słonecznym za pomocą teleskopów takich jak TESS (satelita do przeglądu Transiting Exoplanet Survey) lub Teleskop kosmiczny Keplera. Są w stanie obserwować najjaśniejsze gwiazdy i obserwować zmiany w ich jasności, gdy między nimi a nami przechodzi planeta, wykorzystując technikę zwaną tzw. metoda tranzytowa. To imponujące osiągnięcie obserwacji naukowej, ale niewiele nam mówi o tym, jakie są te planety – jedynie o ich przybliżonym rozmiarze i czasami o masie.

Jeśli chcemy wiedzieć, jaka jest planeta – czy ma atmosferę? z czego się składa? czy na niebie są chmury? czy jest tam woda? — musimy przyjrzeć się znacznie, znacznie bardziej szczegółowo. To właśnie zamierza zrobić Webb, ale jest to ogromne wyzwanie techniczne. Właśnie dlatego NASA, ESA i Kanadyjska Agencja Kosmiczna (CSA) współpracują nad tym projektem.

„Webb jest sto razy bardziej czuły niż Hubble i dzięki temu Webb będzie w stanie odkryć najsłabsze szczegóły w najdalszych zakątkach bardzo odległego wszechświata, z niezwykłą rozdzielczością” – Nota wyjaśnione.

Chociaż Hubble jest do tego przyzwyczajony dowiedz się więcej o egzoplanetach, Espinoza powiedział: „Pogląd, jaki ci to daje, jest bardzo wąski. Może daje ci jedną funkcję. Dla porównania, powiedział, Webb będzie „oszałamiający”, umożliwiając nam zobaczenie kilku obiektów jednocześnie i spojrzenie na mniejsze planety. „To będzie nasza pierwsza zmiana polegająca na szczegółowym przyjrzeniu się mniejszym planetom”.

Hubble pracuje również w zakresie długości fali światła widzialnego, rejestrując obrazy w zakresie światła, które widzimy. Ale James Webb będzie pracował w podczerwieni, która może wykryć różne cechy i zajrzyj przez zasłaniający kurz, „otwierając okno na wszechświat, który będzie zupełnie nowy” – jak Nota połóż to.

Hubble i Webb będą mogli współpracować, zbierając uzupełniające się dane na temat tych samych celów. Więc jeśli kochasz piękne zdjęcia kosmosu wykonane przez Hubble'anie martw się, nie znikną. Po prostu zyskamy kolejne narzędzie do jeszcze głębszego zrozumienia.

„James Webb będzie rewolucjonistą. Dosłownie rewolucyjny” – stwierdził Espinoza. „Pozwoli nam zobaczyć rzeczy, które spodziewaliśmy się wykryć od dawna, ale tego nie udało się wykryć dysponowaliśmy technologią, która umożliwiała obserwację, i jestem całkiem pewien, że wykryje rzeczy, o których nie myślimy z."

Aktualizacja technologii Hubble’a z lat 80

Naukowcy wykonali niezwykłą pracę, znajdując i zdobywając wiedzę na temat egzoplanet przy użyciu obecnie dostępnych instrumentów, odkrywając dotychczas ponad 4000 egzoplanet. Jednakże dziedzina ta jest bardzo nowa, a pierwsze planety poza naszym Układem Słonecznym zostały zidentyfikowane w latach 90. XX wieku. Oznacza to, że wiele instrumentów obecnej generacji, takich jak Hubble, nigdy nie zostało zaprojektowanych z myślą o badaniach egzoplanet.

„Hubble to technologia lat 80.” – powiedział Espinoza. „Nie mam nic przeciwko latom 80. – uwielbiam lata 80., zwłaszcza muzykę! – ale technologia bardzo się rozwinęła. Rodzaje detektorów, które mieliśmy wtedy, są niczym w porównaniu z detektorami, które mamy obecnie”.

Z drugiej strony James Webb został zaprojektowany z myślą o wykorzystaniu go do charakteryzowania egzoplanet i to stanowiło najważniejszy element jego założeń projektowych. Na przykład, gdy Webb wskazuje na gwiazdę, wskaże konkretny piksel z bardzo dużą precyzją i nie będzie się w ogóle poruszać, umożliwiając badaczom bardzo dokładny pomiar wszelkich spadków jasności, które mogłyby dać wskazówki dotyczące planety orbita.

Ten poziom precyzji pozwala Webbowi wykonywać najbardziej ekscytującą funkcję związaną z egzoplanetami: wykrywać, czy egzoplaneta ma atmosferę i z czego się ona składa. „Drobne szczegóły mają ogromne znaczenie, gdy próbujesz wykryć atmosfery egzoplanet” – wyjaśnił Espinoza.

Badanie egzoplanet za pomocą światła podczerwonego

Chociaż badacze wymyślili kilka bardzo kreatywne sposoby Do wykrywać atmosfery egzoplanet, nie jest to coś, do czego zaprojektowano obecne instrumenty. Dlatego możliwości Webba będą tak rewolucyjne.

Aby zajrzeć do wszechświata, Webb ma cztery instrumenty, które patrzą w zakresie fali podczerwonej. Należą do nich kamera bliskiej podczerwieni (NIRCam) i spektrograf bliskiej podczerwieni (NIRSpec). Następnie jest czujnik dokładnego naprowadzania/kamera bliskiej podczerwieni i spektrograf bezszczelinowy (FGS/NIRISS), które, jak sugerują ich nazwy, będą patrzeć w paśmie bliskiej podczerwieni. Wreszcie istnieje instrument średniej podczerwieni (MIRI), który bada szeroki zakres dalekiej podczerwieni.

Są to jednak wrażliwe instrumenty i do pracy wymagają starannie utrzymanego środowiska. Dlatego otaczająca je technologia również musi być najnowocześniejsza.

„Webb jest wyposażony po brzegi w nową, złożoną technologię, od czułych detektorów podczerwieni po pięciowarstwową, cienką osłonę przeciwsłoneczną Kapton wielkości kortu tenisowego, która chroni oprzyrządowania przed promieniowaniem słonecznym i pozwoli teleskopowi i detektorom osiągnąć niską temperaturę niezbędną do prowadzenia obserwacji w podczerwieni”, Nota powiedział.

Zwróciła także uwagę na drobne szczegóły instrumentów, takie jak układ mikroprzesłon NIRSpec, czyli zestaw maleńkich okienek z okiennicami wielkości kilku ludzkich włosów. Dzięki temu instrument będzie mógł obserwować setki obiektów jednocześnie. „Absolutnie pierwsze rozwiązanie w astronomii kosmicznej, gdzie spektroskopia jest tradycyjnie wykonywana dla jednego obiektu na raz” – stwierdziła Nota.

Zrozumienie, skąd pochodzimy

Chęć sprawdzenia, czy odległa planeta posiada atmosferę, nie wynika jedynie z naukowego zalotu czy próżnej ciekawości, jak wyglądają te odległe miejsca. Jest raczej kluczem do zrozumienia, w jaki sposób powstają planety – w tym nasza własna.

Jeśli chodzi o zrozumienie, jak powstał nasz Układ Słoneczny, badacze uruchamiają modele i próbują zobaczyć, w jaki sposób moglibyśmy otrzymać skład planet, który widzimy. „Ale obecnie mamy próbkę o wielkości jednego” – zauważył Espinoza. "Nasz układ Słoneczny. Otóż ​​to. Teraz żyjemy w epoce, w której możemy zajrzeć do składu innych układów słonecznych. A sposób formowania się planet określa ich skład chemiczny.”

Kiedy więc patrzymy na atmosferę odległej egzoplanety, dowiadujemy się, jak do tego doszło. Na tej podstawie możemy zbudować obraz powstawania planet i układów słonecznych w oparciu o większą liczbę przypadków niż tylko ten z naszego podwórka. „A zatem uzyskanie wskazówek dotyczących sygnatur formacji na tych egzoplanetach poprzez chemię, którą na nich obserwujemy Atmosfery mają dla nas absolutnie fundamentalne znaczenie, abyśmy mogli zrozumieć, jak one powstały, a co za tym idzie, jak powstaliśmy” – stwierdził powiedział.

Polowanie na zamieszkanie

Być może najbardziej ekscytującym powodem do przyjrzenia się atmosferom egzoplanet jest zrozumienie, gdzie jeszcze we wszechświecie życie mogłoby się rozwijać. „Jednym z kluczowych pytań, które będzie badał Webb, jest pochodzenie życia” – powiedziała Nota. „Istnieje ogromna różnorodność egzoświatów, większa, niż mogliśmy sobie wyobrazić. Istnieją planety gazowe wielkości Jowisza krążące bardzo blisko swojej gwiazdy, ogromne skaliste „super-Ziemie” i „ciepłe Neptun. Niektóre z nich mogą mieć odpowiednie warunki temperaturowe i skład właściwy do przechowywania życie."

Jednak aby określić, czy planeta nadaje się do zamieszkania, nie wystarczy znać jej rozmiar i masę, powiedział Espinoza. W końcu, kiedy znajdziemy planetę wielkości Ziemi i o podobnej masie, ludzie często zakładają, że będzie to miejsce podobne do Ziemi. Ale Wenus i Mars mają mniej więcej podobne rozmiary i masy do Ziemi, a ich atmosfery są wyjątkowo niegościnne dla naszej formy życia. „Wenus to najgorsze miejsce na wakacje!” – zażartował, z jego ogromnym ciśnieniem i toksyczną atmosferą pełną dwutlenku węgla. Mars nie jest dużo lepszy, ze swoją niezwykle cienką, niezdatną do oddychania atmosferą, która stanowi zaledwie 1% gęstości naszej atmosfery na Ziemi.

Musimy więc wiedzieć o atmosferach, aby wiedzieć, czy dana planeta nadaje się do zamieszkania. A co ważniejsze, aby oszacować, ile planet nadających się do zamieszkania może istnieć, musimy wiedzieć, jakie rodzaje atmosfer są typowe dla planet o rozmiarach takich jak nasza. „Jaka atmosfera jest najczęstsza, jaką tworzy przyroda?” – zapytał Espinoza. „Może być podobny do Wenus lub Marsa, a Ziemia jest wyjątkiem”. Może być też tak, że atmosfery podobne do ziemskich są typowe, a liczba planet potencjalnie nadających się do zamieszkania jest ogromna.

Sięganie w nieznane

Webb nie będzie patrzył tylko na egzoplanety. Będzie przeprowadzać szeroki zakres badań, od spojrzenia wstecz na najwcześniejsze fazy wszechświata, aby zobaczyć powstawanie pierwszych galaktyk, po obserwację narodzin gwiazd z wirującego pyłu i gazu. Z jego zaplanowany pierwszy rok działalności naukowej, dopiero zarysowujemy powierzchnię, do czego można wykorzystać to nowe narzędzie. Będziemy musieli poczekać i zobaczyć, jakie inne cuda astronomiczne uda się odkryć.

„Myślę, że największym odkryciem będzie to, którego nikt się nie spodziewa” – powiedziała Nota. „Ten, który zmieni sposób, w jaki postrzegamy wszechświat, ten, który być może raz na zawsze określi, jakie jest nasze miejsce we wszechświecie”.

Zalecenia redaktorów

• James Webb dostrzega starożytny pył, który mógł pochodzić z najwcześniejszych supernowych
• Powiększ oszałamiające zdjęcie Jamesa Webba, aby zobaczyć galaktykę powstałą 13,4 miliarda lat temu
• James Webb dostrzega najdalszą aktywną supermasywną czarną dziurę, jaką kiedykolwiek odkryto
• James Webb dostrzega wskazówki dotyczące wielkoskalowej struktury wszechświata
• James Webb wykrywa ważną cząsteczkę w oszałamiającej mgławicy Oriona