Prvé študijné ciele Jamesa Webba budú blízko domova

Astronómovia na celom svete sršia očakávaním novej vedy, ktorá bude možná po dokončení vesmírneho teleskopu Jamesa Webba, najvýkonnejšieho vesmírneho teleskopu na svete uvedenie do prevádzky. Od vypustenia teleskopu 25. decembra 2021 rozvinul svoj hardvér do konečnej konfigurácie, dosiahol konečnú obežnú dráhu okolo Slnka a dokončil zarovnanie svojich zrkadiel s primárnou kamerou, ale ešte stále existujú kroky, ako je kalibrácia jeho prístrojov, kým bude pripravený na vedecké využitie.

Hneď po dokončení fázy uvádzania do prevádzky, ktorá sa má skončiť toto leto, sa začnú vedecké pozorovania. A tu sú veci vzrušujúce, pretože vysoká citlivosť a infračervené možnosti teleskopu to umožnia na pozorovanie extrémne vzdialených objektov, dokonca slabších ako tie, ktoré pozorujú súčasné vesmírne ďalekohľady Hubbleov teleskop. Zaháji to novú éru astronomických pozorovaní a mohlo by to pomôcť pri skúmaní tém, ako sú od toho, ako vznikli prvé galaxie a či majú planéty v iných hviezdnych systémoch atmosféru alebo nie.

Bolo vybraných trinásť projektov, aby sa otestovali schopnosti tohto úplne nového teleskopu počas prvých piatich mesiacov operácií, a ako si viete predstaviť, súťaž o to, ktoré projekty by mali získať prvé dibs na tomto novom nástroji, bola divoký.

Väčšina z Vybraných 13 projektov sa bude pozerať na vzdialené objekty, ako sú čierne diery alebo vzdialené galaxie. Ale jeden projekt bude vyzerať bližšie k domovu – na Jupiter, priamo na našom kozmickom dvore.

Aby sme sa dozvedeli o tom, čo výskumníci dúfajú, že objavia o tomto veľkom, nádhernom plynovom obrovi, a aby sme zistili, prečo je taký relatívne blízky cieľ sa používa na testovanie takého výkonného teleskopu, hovorili sme s astronómom z Berkeley Imke de Paterom, vedúcim pozorovania Jupitera tím.

Celý systém na preskúmanie

V porovnaní so vzdialenými exoplanétami alebo dokonca so vzdialenejšími ľadovými obrími planétami v našej slnečnej sústave vedia astronómovia o Jupiteri veľa. Máme množstvo údajov o planéte vďaka pozorovaniam z pozemných ďalekohľadov a misií ako Galileo, ktoré obiehali okolo planéty až do roku 2003, a Juno ktorý tam obieha aj teraz.

Ale ako to už v prípade vedy býva, každý údaj, ktorý o planéte získame, môže vyvolať ďalšie otázky. „Boli sme tam s niekoľkými kozmickými loďami a pozorovali sme planétu pomocou Hubbleovho teleskopu a mnohých pozemných ďalekohľadov na vlnových dĺžkach v celom elektromagnetickom spektre. (od UV po metrové vlnové dĺžky), takže sme sa naučili obrovské množstvo o samotnom Jupiteri, jeho atmosfére, vnútri a o jeho mesiacoch a prstencoch,“ povedal de Pater. "Ale zakaždým, keď sa dozviete viac, existujú veci, ktorým ešte nerozumiete - takže vždy potrebujete viac údajov."

Niektoré z najväčších otvorených otázok, ktoré máme o Jupiteri, sa týkajú jeho atmosféruako sa teplo pohybuje medzi vrstvami v atmosfére a ako atmosféra interaguje s magnetosférou.

Skupina sa však nebude pozerať len na samotný Jupiter, ale zdokonalí sa v detailoch, ako je Veľká červená škvrna (turbulentná búrka taká rozsiahla že ho možno vidieť ako miesto dostatočne veľké na to, aby pohltilo celú Zem) a južný pól planéty (s jeho charakteristickým polárne žiary). Budú sa tiež pozerať na celý systém Jovian, vrátane slabých prstencov planéty a jej mesiacov vrátane Io a Ganymede.

Každý z týchto cieľov je zaujímavý sám o sebe - napríklad Io je vulkanicky najaktívnejšie miesto v slnečnej sústave a Ganymede je jediný mesiac, o ktorom je známe, že produkuje svoju vlastnú magnetosféru. Ako celok je systém Jovian ideálnym miestom na testovanie limitov Webbových schopností.

Pohľad do infračerveného žiarenia

Aby sme sa dozvedeli o týchto zložitých témach, de Paterova skupina využije infračervené schopnosti Jamesa Webba, ktoré výskumníkom umožnia nahliadnuť hlbšie do atmosféry planéty.

Tieto schopnosti umožňujú študovať atmosféru nad rámec toho, čo by bolo možné pri pohľade na vlnovú dĺžku viditeľného svetla. "Vo viditeľnom rozsahu vlnových dĺžok v podstate vidíte mraky," vysvetlila. „Pri infračervených vlnových dĺžkach môžete sondovať nad oblakmi a pod oblakmi, v závislosti od vlnovej dĺžky. Pri rôznych vlnových dĺžkach môžete vidieť rôzne výšky v atmosfére, v závislosti od opacity v atmosfére atmosféra (t. j. koľko „svetla“ sa absorbuje pri konkrétnej vlnovej dĺžke určuje, ako hlboko sa dá nazrieť do planéta).”

Obzvlášť užitočné pre tento výskum budú stredné infračervené vlnové dĺžky, ktoré je možné zobraziť pomocou Webbovho MIRI alebo Mid-Infrared Instrument.

"Najväčšou výhodou sú stredné infračervené vlnové dĺžky," vysvetlil de Pater. „Na niektorých z týchto vlnových dĺžok môžeme pozorovať zo zeme, ale zemská atmosféra je taká turbulentná, že čo dostaneme na zem, nemôžeme pozorovania veľmi dobre kalibrovať." To znamená väčšiu neistotu v údaje; problém, ktorý sa zhoršuje infračerveným žiarením pozadia na Zemi.

Ale s vesmírnym teleskopom, akým je James Webb, nie je v ceste žiadna atmosféra a menej žiarenia na pozadí, čo znamená, že zhromaždené údaje budú oveľa presnejšie. Okrem toho Webb ponúka výnimočnú stabilitu, čo znamená, že môže nasmerovať na cieľ a nezakolísať vďaka svojej polohe v priestore. To všetko znamená, že môže zbierať niektoré z najpresnejších údajov o Jupiteri.

Testovanie Webbových limitov

Pri posudzovaní návrhov, ako by sa dal použiť James Webb, vysvetlil de Pater, výbor rozhodoval ktoré projekty by sa mali najskôr venovať, chceli vidieť predstavy astronomickej komunity o tom, čo by mohol ďalekohľad robiť. "Takže skutočne hľadali projekty, ktoré posunuli JWST na limity," povedala. "To je to, čo robí náš projekt."

Použijú všetky štyri Webbove nástroje v rôznych kombináciách pre rôzne ciele v systéme, aby vybrali rôzne prvky, ako sú sopky, prstence a vrstvy atmosféry planéty.

Plán bol pozorovať Jupiter, jeho prstence a jeho mesiace Io a Ganymede, ale niekoľko rokov potom, čo tím predložil pri ich návrhu sa objavil neočakávaný problém – teleskop bol v skutočnosti príliš citlivý na veľkú časť plánovanej práce Jupiter. "Ďalekohľad bol oveľa citlivejší, ako očakávali, takže sme museli zmeniť niekoľko našich pozorovaní na Jupiteri - a na samotnom Jupiteri môžeme urobiť menej, ako sme pôvodne predpokladali."

Tím však stále vedel, že môže získať cenné údaje a nájsť spôsoby, ako robiť prácu, ktorú chceli. Zmenili faktory, ako napríklad to, ktoré filtre budú používať, a pozreli sa na menšie zorné polia.

Prečo Jupiter predstavuje takú výzvu

Myšlienka, že teleskop je príliš citlivý, môže znieť kontraintuitívne. Predstavte si to však ako fotenie tvárou k slnku: Všetky farby vyblednú, takže všetko vyzerá biele a vyblednuté a je ťažké vidieť akýkoľvek detail. Svetlo prichádzajúce zo slnka je príliš jasné, čo vedie k preexponovaniu obrazu.

To isté sa deje pri štúdiu astronomických telies. Planéty nevydávajú veľa svetla v porovnaní s hviezdami, pretože nevytvárajú vlastné svetlo, ale iba odrážajú svetlo od svojich hviezd. Vďaka tomu sú planéty celkovo oveľa slabšie ako hviezdy. Ale keď sa pozeráte na drobné detaily alebo hľadáte ešte menšie telesá, ako sú mesiace, alebo jemné detaily, ako sú prstence, potom svetlo z planéty môže vytvárať odlesky v zhromažďovaných údajoch.

To je veľká výzva pri použití Webba na štúdium Jupiterových mesiacov alebo prstencov: Pokúsiť sa počítať so svetlom z planéty, aby bolo možné tieto malé objekty podrobne vidieť. Jupiter je jedným z najjasnejších objektov na oblohe, takže to nie je ľahká úloha.

Našťastie, astronómovia majú veľa skúseností s pozorovaním planetárnych prstencov pomocou iných nástrojov, ako je Hubbleov vesmírny teleskop. "Takže tieto znalosti používame na pozorovania JWST," vysvetlil de Pater. Tím bude krúžky pozorovať pod rôznymi „uhlmi natočenia“, čo znamená, že krúžky budú na detektore posunuté do mierne odlišných orientácií. Pozorovaním prstencov pod rôznymi uhlami môžu vidieť, ako rozptýlené svetlo z planéty dopadá na prstence. Potom môže byť toto svetlo odpočítané a zostane len svetlo zo samotných prstencov.

Štúdium planét v našej slnečnej sústave a mimo nej

Použitie Webba na štúdium Jupitera nie je len spôsob, ako otestovať limity tohto úplne nového teleskopu. Štúdium planét v našej vlastnej slnečnej sústave môže tiež pomôcť pochopiť planéty mimo našej slnečnej sústavy, nazývané exoplanéty.

Jedným z veľkých cieľov dnešnej vedy o exoplanéte je ísť nad rámec identifikácie planéty a jej odhadu veľkosť alebo hmotnosť, a vybudovať si jej úplnejšie pochopenie tým, že sa pozrieme na to, či má atmosféru.

Ale pochopiť planéty vo vzdialených systémoch pomáha pochopiť planéty v našej vlastnej. Webb sa bude pozerať na atmosféry vzdialených plynových obrov, ktoré potom môžeme porovnať s tým, čo vieme o atmosfére Jupitera a Saturnu.

Okrem toho, pomocou Webba na štúdium Jupitera, de Paterov tím vyvinie súbor nástrojov, ktoré môžu použiť iní v astronomickej komunite na štúdium iných planét v našej slnečnej sústave a nahliadnite do toho, čo by o nich Webb mohol objaviť – vrátane zaujímavých a zriedkavo skúmaných vzdialených planét Urán a Neptún.

„Náš tím vyvinie softvér, ktorý bude možné použiť pre systém Jovian, ale aj pre systém Saturn, pre Urán a Neptún. A na základe našich pozorovaní môžeme ľuďom ukázať, čo môžete očakávať,“ povedal de Pater. "V tomto smere je to určite priekopník."

Odporúčania redaktorov

• Tu je dôvod, prečo si vedci myslia, že život mohol prosperovať na „pekelnej planéte“ Venuši
• Priblížte si ohromujúci obrázok Jamesa Webba a uvidíte galaxiu sformovanú pred 13,4 miliardami rokov
• James Webb spozoroval najvzdialenejšiu aktívnu supermasívnu čiernu dieru, aká bola kedy objavená
• James Webb nájde stopy k rozsiahlej štruktúre vesmíru
• James Webb deteguje dôležitú molekulu v úžasnej hmlovine Orion