Как космический телескоп Джеймса Уэбба будет охотиться за экзопланетами

Когда недавно запущенный космический телескоп Джеймса Уэбба полностью развернется и выйдет в сеть, это не будет просто еще один инструмент для астрономов для исследования Вселенной. Благодаря передовой технологии спектроскопии он сможет заглянуть во тьму космоса и видеть удаленные объекты более подробно, чем когда-либо прежде — гораздо больше, чем его предшественник, Космос Хаббла Телескоп. Это произведет революцию в нашем понимании экзопланет и может даже помочь нам узнать, откуда мы пришли и где еще во Вселенной можно обитать.

Чтобы получить представление о том, как космический телескоп Джеймса Уэбба поможет нам изучать вращающиеся каменные шары на расстоянии триллионов миль (и почему астрономы этого хотят), мы поговорили с двумя Исследователи, которые будут работать с Джеймсом Уэббом после развертывания: Нестор Эспиноза из Научного института космического телескопа и Антонелла Нота из Европейского космического агентства. (ЕКА).

Гигантский скачок вперед

В последние годы исследователи идентифицировали планеты за пределами нашей Солнечной системы с помощью таких телескопов, как Тэсс (Спутник для исследования транзитной экзопланеты) или Космический телескоп Кеплер. Они способны смотреть на самые яркие звезды и видеть изменения их яркости, когда между ними и нами проходит планета, используя технику, называемую транзитный метод. Это впечатляющий результат научных наблюдений, но он мало что говорит нам о том, на что похожи эти планеты — только их приблизительный размер и иногда масса.

Если мы хотим знать, что представляет собой планета, есть ли у нее атмосфера? из чего он состоит? есть ли на небе облака? там есть вода? — нам нужно рассмотреть гораздо, гораздо более подробно. Именно это собирается сделать Уэбб, но это огромная техническая задача. Вот почему НАСА, ЕКА и Канадское космическое агентство (CSA) работают вместе над этим проектом.

«Уэбб в сто раз более чувствителен, чем Хаббл, и благодаря этому Уэбб сможет раскрыть мельчайшие детали в самых дальних уголках очень далекой вселенной с исключительным разрешением», — Нота. объяснил.

Хотя Хаббл привык узнать больше об экзопланетах, Эспиноза сказал: «Взгляд, который это дает вам, очень узок. Возможно, это дает вам одну особенность». Для сравнения, по его словам, Уэбб будет «ошеломляющим», позволяя нам видеть несколько объектов одновременно и смотреть на меньшие планеты. «Это будет наше первое изменение, позволяющее детально рассмотреть меньшие планеты».

Хаббл также работает в видимом диапазоне волн света, снимая изображения в диапазоне света, который мы можем видеть. Но Джеймс Уэбб будет работать в инфракрасном диапазоне, который сможет выявить различные особенности и вглядываться сквозь затемняющую пыль, «открывая окно во вселенную, которая будет совершенно новой», как выразилась Нота положи это.

Хаббл и Уэбб смогут работать вместе, собирая дополнительные данные по одним и тем же целям. Так что если вы любите красивые снимки космоса, сделанные Хабблом, не волнуйтесь, они никуда не денутся. Мы просто получим еще один инструмент для еще более глубокого понимания.

«Джеймс Уэбб будет революционером. Буквально революционно», — сказал Эспиноза. «Это позволит нам увидеть то, что мы давно ожидали обнаружить, но так и не сделали». у нас была технология, чтобы увидеть, и я почти уверен, что она обнаружит то, о чем мы не думаем. из."

Обновление технологии Хаббла 1980-х годов

Исследователи проделали замечательную работу по поиску и изучению экзопланет с помощью доступных в настоящее время инструментов, обнаружив на данный момент более 4000 экзопланет. Однако это поле появилось совсем недавно: первые планеты за пределами нашей Солнечной системы были идентифицированы в 1990-х годах. Это означает, что многие инструменты нынешнего поколения, такие как «Хаббл», никогда не создавались с расчетом на изучение экзопланет.

«Хаббл» — это технология 80-х годов, — сказал Эспиноза. «Ничего против 80-х – я люблю 80-е, особенно музыку! – но технологии сильно развились. Детекторы, которые у нас были тогда, — ничто по сравнению с детекторами, которые есть сейчас».

Джеймс Уэбб, с другой стороны, был разработан с конкретной целью, чтобы его можно было использовать для характеристики экзопланет, и это было в центре его принципов проектирования. Например, когда Уэбб указывает на звезду, он будет указывать на определенный пиксель с очень высокой точностью и не будет вообще двигаться, что позволяет исследователям очень точно измерять любые провалы в яркости, которые могут дать подсказку о существовании планеты в орбита.

Такой уровень точности позволяет Уэббу выполнять свою самую интересную функцию, связанную с экзопланетами: определять, есть ли у экзопланеты атмосфера и из чего она состоит. «Маленькие детали, которые имеют огромное значение, когда вы пытаетесь обнаружить атмосферу экзопланеты», — объяснил Эспиноза.

Исследование экзопланет с помощью инфракрасного света

Хотя исследователи пришли к некоторым очень творческие способы к обнаружить атмосферу экзопланеты, это не то, для чего были созданы современные инструменты. Вот почему возможности Уэбба будут такими революционными.

Чтобы заглянуть во Вселенную, Уэбб имеет четыре инструмента, которые будут смотреть в инфракрасном диапазоне. К ним относятся камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec). Еще есть датчик точного наведения/сканер ближнего инфракрасного диапазона и безщелевой спектрограф (FGS/NIRISS), которые, как следует из названия, будут работать в ближнем инфракрасном диапазоне. Наконец, есть прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI), который охватывает широкий диапазон дальнего инфракрасного диапазона.

Но это чувствительные инструменты, и для их работы требуется тщательно поддерживаемая среда. Поэтому технологии вокруг них также должны быть передовыми.

«Уэбб полон новых, сложных технологий, от чувствительных ИК-детекторов до тонкого пятислойного солнцезащитного экрана из каптона размером с теннисный корт, который защитит приборы от солнечного излучения и позволят телескопу и детекторам достичь низкой температуры, необходимой для наблюдений в инфракрасном диапазоне», — отметила Нота. сказал.

Она также указала на мелкие детали инструментов, таких как массив микрозатворов NIRSpec, который представляет собой набор крошечных окон со ставнями размером в несколько человеческих волос. Это позволит прибору наблюдать сотни объектов одновременно. «Абсолютно впервые в космической астрономии, где спектроскопия традиционно выполняется по одному объекту за раз», — сказал Нота.

Понимание того, откуда мы пришли

Стремление увидеть, есть ли у далекой планеты атмосфера, — это не просто научный интерес или праздное любопытство по поводу того, на что похожи эти далекие места. Скорее, это ключ к пониманию того, как создаются планеты, включая нашу собственную.

Когда дело доходит до понимания того, как сформировалась наша Солнечная система, исследователи запускают модели и пытаются понять, как мы могли получить такой состав планет, который видим. «Но в настоящее время у нас размер выборки равен одному», — отметил Эспиноза. "Наша Солнечная система. Вот и все. Сейчас мы живем в эпоху, когда мы можем заглянуть в состав других солнечных систем. И то, как формируются планеты, определяет их химический состав».

Поэтому, когда мы смотрим на атмосферу далекой экзопланеты, мы узнаем, как она возникла. И исходя из этого, мы можем построить картину того, как формируются планеты и солнечные системы, основываясь на большем количестве случаев, чем только тот, который произошел у нас на заднем дворе. «Итак, получение этих намеков на признаки формирования на этих экзопланетах с помощью химии, которую мы наблюдаем в их атмосфер абсолютно фундаментально важно для нас, чтобы понять, как они возникли и, следовательно, как мы стали такими», — он сказал.

Охота за обитаемостью

Возможно, самая интересная причина взглянуть на атмосферу экзопланет — это понять, где еще во Вселенной может процветать жизнь. «Один из ключевых вопросов, который будет изучать Уэбб, — это происхождение жизни», — сказал Нота. «Существует огромное разнообразие экзомиров, больше, чем мы могли себе представить. Есть газовые планеты размером с Юпитер, вращающиеся очень близко к своей звезде, огромные скалистые «суперземли» и «теплые планеты». Нептуны». Некоторые из них могут иметь подходящие температурные условия и правильный состав для размещения жизнь."

Но, по словам Эспинозы, чтобы определить, пригодна ли планета для жизни, недостаточно просто знать ее размер и массу. В конце концов, когда мы находим планету размером с Землю и такой же массой, люди часто предполагают, что это будет место, подобное Земле. Но Венера и Марс примерно такого же размера и массы, как и Земля, и их атмосфера крайне негостеприимна для нашей формы жизни. «Венера — худшее место для отпуска!» — пошутил он, — с его огромным давлением и токсичной атмосферой, полной углекислого газа. Марс не намного лучше, с его чрезвычайно тонкой, непригодной для дыхания атмосферой, плотность которой составляет всего 1% от плотности нашей атмосферы на Земле.

Поэтому нам нужно знать об атмосфере, чтобы знать, пригодна ли для жизни отдельная планета. И что еще более важно, чтобы получить оценку того, сколько может быть обитаемых планет, нам нужно знать, какие типы атмосфер типичны для планет такого размера, как наша. «Какую атмосферу чаще всего создает природа?» – спросил Эспиноза. «Она может быть похожа на Венеру или Марс, но Земля является исключением». А может быть, атмосфера земная типична, а число потенциально обитаемых планет огромно.

Достигая неизведанного

Уэбб будет изучать не только экзопланеты. Он будет проводить огромный спектр исследований: от изучения самых ранних фаз Вселенной, чтобы увидеть формирование первых галактик, до наблюдения за тем, как звезды рождаются из кружащейся пыли и газа. С этими запланирован первый год научной деятельности, мы лишь поверхностно изучаем, для чего можно использовать этот новый инструмент. Нам придется подождать и посмотреть, какие еще астрономические чудеса он сможет раскрыть.

«Я думаю, что самым большим открытием будет то, которого никто не ожидает», — сказал Нота. «Тот, который изменит наш взгляд на вселенную, тот, который определит, может быть, раз и навсегда, каково наше место во Вселенной».

Рекомендации редакции

• Джеймс Уэбб обнаружил древнюю пыль, которая могла быть результатом самых ранних сверхновых
• Увеличьте потрясающее изображение Джеймса Уэбба, чтобы увидеть галактику, образовавшуюся 13,4 миллиарда лет назад.
• Джеймс Уэбб обнаружил самую далекую активную сверхмассивную черную дыру, когда-либо обнаруженную
• Джеймс Уэбб нашел ключ к разгадке крупномасштабной структуры Вселенной
• Джеймс Уэбб обнаружил важную молекулу в потрясающей туманности Ориона