Cum telescopul spațial James Webb va vâna exoplanete

Cand telescopul spațial James Webb proaspăt lansat se desfășoară complet și vine online, nu va fi doar un alt instrument pentru astronomi de a explora universul. Cu tehnologia sa de spectroscopie de ultimă oră, va putea privi în întunericul spațiului și vezi obiecte îndepărtate mai detaliat decât oricând - mult mai mult decât predecesorul său, Spațiul Hubble Telescop. Va revoluționa înțelegerea noastră despre exoplanete și chiar ne-ar putea ajuta să aflăm de unde venim și unde altcineva din univers ar putea fi locuibil.

Pentru a afla mai multe despre modul în care telescopul spațial James Webb ne va ajuta să studiem bile care se rotesc de trilioane de kilometri distanță (și de ce vor astronomii), am vorbit cu doi cercetători care vor lucra cu James Webb după desfășurare: Néstor Espinoza de la Institutul de Știință al Telescopului Spațial și Antonella Nota de la Agenția Spațială Europeană (ESA).

Un salt uriaș înainte

În ultimii ani, cercetătorii au identificat planete din afara sistemului nostru solar folosind telescoape precum TESS (satelitul de sondare a exoplanetelor în tranziție) sau Telescopul spațial Kepler. Acestea sunt capabile să privească cele mai strălucitoare stele și să vadă schimbări în luminozitatea lor atunci când o planetă trece între ele și noi, folosind o tehnică numită metoda de tranzit. Aceasta este o performanță impresionantă a observației științifice, dar nu ne spune prea multe despre cum sunt acele planete - doar dimensiunea lor aproximativă și ocazional masa lor.

Dacă vrem să știm cum este o planetă - are atmosferă? din ce este compus? sunt nori pe cer? este apa acolo? — trebuie să privim în detaliu mult, mult mai mare. Asta va face Webb, dar este o provocare tehnică masivă. De aceea, NASA, ESA și Agenția Spațială Canadiană (CSA) lucrează împreună la acest proiect.

„Webb este de o sută de ori mai sensibil decât Hubble și, din această cauză, Webb va putea dezvălui cele mai slabe detalii din cele mai îndepărtate colțuri ale universului foarte îndepărtat, cu o rezoluție rafinată”, Nota explicat.

În timp ce Hubble a fost obișnuit afla mai multe despre exoplanete, Espinoza a spus: „vederea pe care ți-o oferă este foarte îngustă. Îți oferă o caracteristică, poate.” Prin comparație, a spus el, Webb va fi „uimitor”, permițându-ne să vedem mai multe caracteristici simultan și să privim planetele mai mici. „Va fi prima noastră schimbare să privim planetele mai mici în detaliu.”

Hubble lucrează și în lungimea de undă a luminii vizibile, captând imagini în intervalul de lumină pe care îl putem vedea. Dar James Webb va lucra în lungimea de undă în infraroșu, care poate identifica diferite caracteristici și Priviți prin praful întunecat, „deschizând o fereastră către univers care va fi complet nou”, cum a spus Nota pune-l.

Hubble și Webb vor putea lucra împreună, adunând date complementare asupra acelorași ținte. Deci, dacă iubești imagini frumoase ale spațiului capturate de Hubble, nu vă faceți griji, acestea nu vor dispărea. Pur și simplu vom obține un alt instrument pentru o înțelegere și mai profundă.

„James Webb va fi revoluționar. Literal revoluționar”, a spus Espinoza. „Ne va permite să vedem lucruri pe care ne așteptam să le detectăm de mult timp, dar nu le-am făcut am avut tehnologia de văzut și sunt destul de sigur că va detecta lucruri la care nu ne gândim de."

Actualizarea tehnologiei Hubble din anii 1980

Cercetătorii au făcut o treabă remarcabilă găsind și învățând despre exoplanete folosind instrumentele disponibile în prezent, descoperind până acum peste 4.000 de exoplanete. Cu toate acestea, acest domeniu este foarte recent, primele planete din afara sistemului nostru solar fiind identificate în anii 1990. Asta înseamnă că multe instrumente din generația actuală, cum ar fi Hubble, nu au fost niciodată proiectate având în vedere studiile exoplanetelor.

„Hubble este tehnologia anilor ’80”, a spus Espinoza. „Nimic împotriva anilor ’80 – îmi place anii ’80, în special muzica! – dar tehnologia a evoluat o tonă. Tipul de detectoare pe care le aveam atunci nu sunt nimic în comparație cu tipul de detectoare pe care le avem acum.”

James Webb, pe de altă parte, a fost proiectat cu intenția specifică de a fi utilizat pentru caracterizarea exoplanetelor, iar asta a fost în fruntea principiilor sale de proiectare. De exemplu, atunci când Webb arată spre o stea, va indica un anumit pixel cu o precizie foarte mare și nu va se mișcă deloc, permițând cercetătorilor să măsoare foarte precis orice scădere a luminozității care ar putea oferi indicii despre o planetă din orbită.

Acest nivel de precizie îi permite lui Webb să își îndeplinească cea mai interesantă funcție legată de exoplanetă: Detectarea dacă o exoplanetă are o atmosferă și din ce este compusă acea atmosferă. „Micile detalii care contează foarte mult atunci când încerci să detectezi atmosferele exoplanetelor”, a explicat Espinoza.

Investigarea exoplanetelor folosind lumina infraroșie

Deși cercetătorii au venit cu unele moduri foarte creative la detecta atmosferele exoplanetelor, nu este ceva pentru care instrumentele actuale au fost concepute. De aceea, capabilitățile lui Webb vor fi atât de revoluționare.

Pentru a privi în univers, Webb are patru instrumente care vor privi în lungimea de undă infraroșie. Acestea includ camera cu infraroșu apropiat (NIRCam) și spectrograful cu infraroșu apropiat (NIRSpec). Apoi, există Senzorul de ghidare fină/Imaginele în infraroșu apropiat și Spectrograful fără fantă (FGS/NIRISS), care, după cum sugerează numele lor, vor arăta în banda de infraroșu apropiat. În cele din urmă, există Instrumentul Mid-Infrared (MIRI), care arată într-o gamă largă în infraroșu îndepărtat.

Dar acestea sunt instrumente sensibile și necesită un mediu atent întreținut pentru a funcționa. Deci, tehnologia din jurul lor trebuie să fie și ea de ultimă oră.

„Webb este plin până la marginea tehnologiei noi, complexe, de la detectoare sensibile IR, până la parasola subțire Kapton, de dimensiunea unui teren de tenis, cu cinci straturi, care va proteja instrumentația de la radiația solară și va permite telescopului și detectorilor să atingă temperatura rece necesară pentru a observa în infraroșu. a spus.

Ea a subliniat, de asemenea, detaliile fine de pe instrumente, cum ar fi matricea de microobturatoare a NIRSpec, care este un set de ferestre mici cu obloane de mărimea câtorva fire de păr uman. Acest lucru va permite instrumentului să observe sute de obiecte în același timp. „O premieră absolută în astronomia spațială, unde spectroscopia se face în mod tradițional câte un obiect la un moment dat”, a spus Nota.

Înțelegerea de unde venim

Impulsul de a vedea dacă o planetă îndepărtată are o atmosferă nu este doar o înflorire științifică sau o curiozitate inactivă despre cum sunt aceste locuri îndepărtate. Mai degrabă, este cheia înțelegerii modului în care sunt create planetele, inclusiv a noastră.

Când vine vorba de înțelegerea modului în care s-a format sistemul nostru solar, cercetătorii rulează modele și încearcă să vadă cum am fi putut ajunge la compoziția planetelor pe care le vedem. „Dar în prezent avem o dimensiune a eșantionului de unul”, a subliniat Espinoza. "Sistemul nostru solar. Asta este. Acum suntem într-o eră în care putem privi compozițiile altor sisteme solare. Și modul în care se formează planetele definește compoziția lor chimică.”

Așa că atunci când ne uităm la atmosfera unei exoplanete îndepărtate, aflăm cum a apărut. Și din asta, ne putem construi o imagine a modului în care planetele și sistemele solare se formează pe baza mai multor cazuri decât cel din curtea noastră. „Așadar, obținem aceste indicii de semnături de formare în aceste exoplanete prin chimia pe care o observăm în ele atmosfere este absolut fundamental pentru noi să înțelegem cum au apărut ele și, prin urmare, cum am devenit noi”, el a spus.

Vânătoare de locuință

Poate cel mai incitant motiv pentru a privi atmosferele exoplanetelor este să înțelegem unde altundeva din univers ar putea să înflorească viața. „Una dintre întrebările cheie pe care le va studia Webb este originile vieții”, a spus Nota. „Există varietăți uriașe de lumi exo, mai multe decât ne-am fi putut imagina. Există planete gazoase de mărimea lui Jupiter, care orbitează foarte aproape de stea lor, uriașe „super-Pământuri” stâncoase și „calde”. Neptuni.’ Unele dintre acestea ar putea avea condițiile potrivite de temperatură și compoziția potrivită pentru a găzdui viaţă."

Dar pentru a determina dacă o planetă este locuibilă, a spus Espinoza, nu este suficient doar să-i cunoști dimensiunea și masa. La urma urmei, când găsim o planetă care are dimensiunea Pământului și are o masă similară, oamenii presupun adesea că va fi un loc asemănător Pământului. Dar Venus și Marte au dimensiuni și mase aproximativ similare cu Pământul și au atmosfere care sunt extrem de inospitaliere pentru forma noastră de viață. „Venus este cel mai prost loc în care să mergi în vacanță!” a glumit el, cu presiunea sa imensă și atmosfera toxică plină de dioxid de carbon. Marte nu este cu mult mai bine, cu atmosfera sa extrem de subțire, irespirabilă, care reprezintă doar 1% din densitatea atmosferei noastre de pe Pământ.

Deci trebuie să știm despre atmosfere pentru a ști dacă o planetă individuală este locuibilă. Și chiar mai important, pentru a obține o estimare a câte planete locuibile ar putea exista acolo, trebuie să știm ce tipuri de atmosfere sunt tipice pentru planetele de dimensiuni ca ale noastre. „Care este cea mai comună atmosferă pe care o formează natura?” întrebă Espinoza. „Ar putea fi asemănător lui Venus sau al lui Marte, iar Pământul este o situație anormală.” Sau s-ar putea ca atmosferele asemănătoare Pământului să fie tipice, iar numărul de planete potențial locuibile acolo este uriaș.

Întinde mâna spre necunoscut

Webb nu se va uita doar la exoplanete. Va efectua o gamă largă de cercetări, de la privirea înapoi în fazele timpurii ale universului pentru a vedea primele galaxii formându-se, până la observarea modului în care stelele se nasc din praf și gaz învolburat. Cu al ei; cu al lui primul an de operațiuni științifice planificate, doar răzuim suprafața pentru ce ar putea fi folosit acest nou instrument. Va trebui să așteptăm și să vedem ce alte minuni astronomice va putea dezvălui.

„Cred că cea mai mare descoperire va fi cea la care nimeni nu se așteaptă”, a spus Nota. „Cel care va schimba modul în care vedem universul, cel care va defini, poate o dată pentru totdeauna, care este locul nostru în univers.”

Recomandările editorilor

• James Webb observă praful străvechi care ar putea proveni din cele mai vechi supernove
• 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