Primele ținte de studiu ale lui James Webb vor fi aproape de casă

Astronomii din întreaga lume zbârnesc de anticipare pentru noua știință care va fi posibilă odată ce telescopul spațial James Webb, cel mai puternic telescop spațial din lume, își finalizează punere in functiune. De când telescopul a fost lansat pe 25 decembrie 2021, și-a desfășurat hardware-ul în configurația sa finală, și-a atins orbita finală în jurul soarelui și a finalizat alinierea oglinzilor sale cu camera principală, dar mai sunt pași, cum ar fi calibrarea instrumentelor sale, înainte de a fi gata pentru utilizare științifică.

De îndată ce faza de punere în funcțiune este finalizată, care se va încheia în această vară, vor începe observațiile științifice. Și aici lucrurile devin interesante, deoarece sensibilitatea ridicată și capabilitățile în infraroșu ale telescopului o vor permite pentru a observa obiecte extrem de îndepărtate, chiar mai slabe decât cele observate de telescoapele spațiale actuale, cum ar fi Hubble. Acesta va introduce o nouă eră a observațiilor astronomice și ar putea ajuta la investigarea subiectelor variază în ceea ce privește modul în care s-au format primele galaxii și dacă planetele din alte sisteme stelare au atmosfere sau nu.

Au fost alese treisprezece proiecte pentru a testa capacitățile acestui telescop nou-nouț în primele cinci luni de operațiuni și, după cum vă puteți imagina, competiția pentru care proiectele ar trebui să obțină primele șanse pe acest nou instrument a fost feroce.

Cele mai multe dintre 13 proiecte alese se va uita la obiecte îndepărtate, cum ar fi găurile negre sau galaxiile îndepărtate. Dar un proiect va arăta mai aproape de casă – la Jupiter, chiar în curtea noastră cosmică.

Pentru a afla ce speră cercetătorii să descopere despre acest gigant gazos mare și frumos și pentru a afla de ce o țintă atât de apropiată este folosit pentru a testa un telescop atât de puternic, am vorbit cu astronomul din Berkeley Imke de Pater, liderul observației Jupiter echipă.

Un întreg sistem de explorat

În comparație cu exoplanetele îndepărtate sau chiar cu planetele gigantice de gheață mai îndepărtate din sistemul nostru solar, astronomii știu multe despre Jupiter. Avem o mulțime de date despre planetă datorită atât observațiilor de la telescoape de la sol, cât și misiunilor precum Galileo, care a orbitat planeta până în 2003 și Juno care încă orbitează acolo acum.

Dar, așa cum este adesea cazul științei, fiecare dată pe care o obținem despre planetă poate ridica mai multe întrebări. „Am fost acolo cu mai multe nave spațiale și am observat planeta cu Hubble și multe telescoape de la sol la lungimi de undă din spectrul electromagnetic. (de la UV la lungimi de undă în metri), așa că am învățat o mulțime de lucruri despre Jupiter însuși, atmosfera sa, interiorul și despre lunile și inelele sale”, a spus de Pater. „Dar de fiecare dată când înveți mai multe, există lucruri pe care încă nu le înțelegi, așa că întotdeauna ai nevoie de mai multe date.”

Unele dintre cele mai mari întrebări deschise pe care le avem despre Jupiter se referă la acesta atmosfera, cum ar fi modul în care căldura se mișcă între straturile din atmosferă și modul în care atmosfera interacționează cu magnetosfera.

Dar grupul nu se va uita doar la Jupiter însuși, concentrându-se pe detalii precum Marea Pată Roșie (o furtună turbulentă atât de vastă că poate fi văzut ca un loc suficient de mare pentru a înghiți întregul Pământ) și polul sudic al planetei (cu caracteristicile sale aurore). Ei se vor uita, de asemenea, la întregul sistem jovian, inclusiv la inelele slabe ale planetei și lunile sale, inclusiv Io și Ganymede.

Fiecare dintre aceste ținte este intrigantă în sine – Io este cel mai activ vulcanic loc din sistemul solar, de exemplu, iar Ganimede este singura lună despre care se știe că își produce propria magnetosferă. Luat în ansamblu, sistemul Jovian este locul ideal pentru a testa limitele capabilităților lui Webb.

Privind în infraroșu

Pentru a ajuta la învățarea acestor subiecte complexe, grupul lui de Pater va profita de capacitățile infraroșu ale lui James Webb, care le permit cercetătorilor să privească mai adânc în atmosfera planetei.

Aceste capacități fac posibilă studierea atmosferei dincolo de ceea ce ar fi posibil prin căutarea în lungimea de undă a luminii vizibile. „În intervalul de lungimi de undă vizibile, practic se văd nori”, a explicat ea. „La lungimile de undă în infraroșu, puteți sonda deasupra norilor și sub nori, în funcție de lungimea de undă. La diferite lungimi de undă puteți vedea diferite altitudini în atmosferă, în funcție de opacitatea din atmosfera (adică cât de multă „lumină” este absorbită la o anumită lungime de undă determină cât de adânc se poate privi în planetă)."

Deosebit de utile pentru această cercetare vor fi lungimile de undă în infraroșu mijlociu, care pot fi vizualizate folosind MIRI sau Instrumentul cu infraroșu mijlociu de la Webb.

„Cel mai mare avantaj îl reprezintă lungimile de undă în infraroșu mijlociu”, a explicat de Pater. „Putem observa la unele dintre aceste lungimi de undă de la sol, dar atmosfera Pământului este atât de turbulentă încât ceea ce obținem pe teren, nu putem calibra foarte bine observațiile.” Asta înseamnă mai multă incertitudine în date; o problemă care este exacerbată de radiația infraroșie de fond de pe Pământ.

Dar cu un telescop spațial precum James Webb, nu există atmosferă și mai puține radiații de fundal care să împiedice, iar asta înseamnă că datele culese vor fi mult mai precise. În plus, Webb oferă o stabilitate excepțională, ceea ce înseamnă că poate îndrepta către o țintă și nu se poate clătina, datorită poziționării sale în spațiu. Toate acestea înseamnă că poate colecta unele dintre cele mai precise date de până acum despre Jupiter.

Testarea limitelor lui Webb

Când se evaluează propunerile privind modul în care ar putea fi utilizat James Webb, a explicat de Pater, comitetul hotărând asupra care proiecte de urmat mai întâi au vrut să vadă ideile comunității astronomice despre ceea ce ar putea telescopul do. „Așa că au căutat cu adevărat proiecte care au împins JWST la limite”, a spus ea. „Asta face proiectul nostru.”

Ei vor folosi toate cele patru instrumente ale lui Webb în combinații diferite pentru diferite ținte din sistem, pentru a identifica diferite caracteristici precum vulcani, inele și straturi ale atmosferei planetei.

Planul era să observe Jupiter, inelele sale și lunile sale Io și Ganymede, dar la câțiva ani după ce echipa a depus propunerea lor a apărut o problemă neașteptată - telescopul era de fapt prea sensibil pentru o mare parte a lucrărilor planificate la Jupiter. „Telescopul a fost mult mai sensibil decât se așteptau, așa că a trebuit să schimbăm o serie de observații pe Jupiter – și putem face mai puțin pe Jupiter decât ne-am anticipat inițial.”

Dar echipa încă știa că ar putea obține date valoroase și să găsească modalități de a face munca pe care și-o dorea. Au schimbat factori precum filtrele pe care le vor folosi și s-au uitat la câmpuri vizuale mai mici.

De ce Jupiter oferă o astfel de provocare

Ideea că un telescop este prea sensibil ar putea suna contraintuitiv. Dar gândește-te la asta ca și cum ai face o fotografie în timp ce te confrunți cu soarele: toate culorile se sting, astfel încât totul pare alb și spălat și este greu să vezi vreun detaliu. Lumina care vine de la soare este prea strălucitoare, ceea ce duce la o imagine supraexpusă.

Același lucru se întâmplă atunci când studiem corpurile astronomice. Planetele nu emit multă lumină în comparație cu stelele, deoarece nu produc lumină proprie, ci doar reflectă lumina de la stelele lor. Asta face planetele mult mai slabe decât stelele în general. Dar când te uiți la detalii minuscule sau cauți corpuri și mai mici, cum ar fi lunile, sau detalii fine precum inelele, atunci lumina de pe o planetă poate crea strălucire în datele pe care le colectezi.

Aceasta este marea provocare atunci când folosiți Webb pentru a studia lunile sau inelele lui Jupiter: încercarea de a permite lumina de pe planetă, astfel încât aceste obiecte mici să poată fi văzute în detaliu. Jupiter este unul dintre cele mai strălucitoare obiecte de pe cer, așa că aceasta nu este o sarcină ușoară.

Din fericire, astronomii au multă experiență în observarea inelelor planetare folosind alte instrumente precum Telescopul Spațial Hubble. „Deci folosim aceste cunoștințe pentru observațiile JWST”, a explicat de Pater. Echipa va observa inelele la diferite „unghiuri de rulare”, ceea ce înseamnă că inelele vor fi mutate în orientări ușor diferite pe detector. Observând inelele în unghiuri diferite, ei pot vedea cum lumina împrăștiată de pe planetă cade pe inele. Apoi această lumină poate fi scăzută, lăsând doar lumina din inelele în sine.

Studiind planetele din sistemul nostru solar și nu numai

Folosirea Webb pentru a studia Jupiter nu este doar o modalitate de a testa limitele acestui telescop nou-nouț. Studierea planetelor din propriul nostru sistem solar poate ajuta și la înțelegerea planetelor din afara sistemului nostru solar, numite exoplanete.

Unul dintre obiectivele mari ale științei exoplanetelor de astăzi este de a depăși identificarea unei planete și estimarea acesteia dimensiunea sau masa și pentru a construi o înțelegere mai completă a acesteia, analizând dacă are o atmosfera.

Dar pentru a înțelege planetele din sisteme îndepărtate, ajută să înțelegem planetele din propriile noastre. Webb se va uita la atmosferele giganților gazosi îndepărtați, pe care apoi le putem compara cu ceea ce știm despre atmosferele lui Jupiter și Saturn.

În plus, folosind Webb pentru a studia Jupiter, echipa lui de Pater va dezvolta un set de instrumente care pot fi folosite de alții din comunitatea astronomică pentru a studia alte planete din sistemul nostru solar și oferă o privire a ceea ce Webb ar putea descoperi despre ele - inclusiv planetele îndepărtate intrigante și rar studiate ale lui Uranus și Neptun.

„Echipa noastră va dezvolta software care poate fi folosit pentru sistemul Jovian, dar și pentru sistemul Saturn, pentru Uranus și Neptun. Și le putem arăta oamenilor la ce vă puteți aștepta pe baza observațiilor noastre”, a spus de Pater. „Cu siguranță este o descoperire în acest fel.”

Recomandările editorilor

• Iată de ce oamenii de știință cred că viața poate să fi prosperat pe „planeta iadului” Venus
• Măriți imaginea uimitoare a lui James Webb pentru a vedea o galaxie formată în urmă cu 13,4 miliarde de ani
• James Webb observă cea mai îndepărtată gaură neagră supermasivă activă descoperită vreodată
• James Webb găsește indicii despre structura pe scară largă a universului
• James Webb detectează o moleculă importantă în uimitoarea nebuloasă Orion