Prvi cilji študija Jamesa Webba bodo blizu doma

Astronomi po vsem svetu brenčijo od pričakovanja nove znanosti, ki bo mogoča ko bo vesoljski teleskop James Webb, najmočnejši vesoljski teleskop na svetu, dokončal svoje delo zagon. Od izstrelitve teleskopa 25. decembra 2021 je razvil svojo strojno opremo v končno konfiguracijo, dosegel končno orbito okoli sonca in je dokončal poravnavo svojih zrcal s primarno kamero, vendar je treba opraviti še nekaj korakov, kot je umerjanje instrumentov, preden bo pripravljen za znanstveno uporabo.

Takoj ko bo zaključena faza zagona, ki naj bi se zaključila to poletje, se bodo začela znanstvena opazovanja. In tukaj stvari postanejo razburljive, saj visoka občutljivost teleskopa in infrardeče zmogljivosti to omogočajo za opazovanje izjemno oddaljenih predmetov, celo šibkejših od tistih, ki jih opazujejo sedanji vesoljski teleskopi, npr Hubble. Začelo bo novo obdobje astronomskih opazovanj in lahko pomagalo pri raziskovanju tem, kot so širok razpon, na primer, kako so nastale prve galaksije in ali imajo planeti v drugih zvezdnih sistemih atmosfero ali ne.

Trinajst projektov je bilo izbranih za preizkušanje zmogljivosti tega povsem novega teleskopa v prvih petih mesecih operacije, in kot si lahko predstavljate, je bilo tekmovanje v tem, kateri projekti naj se prvi lotijo ​​tega novega orodja hud.

Večino od Izbranih je 13 projektov bo gledal oddaljene predmete, kot so črne luknje ali oddaljene galaksije. Toda en projekt bo videti bližje domu - na Jupitru, prav na našem kozmičnem dvorišču.

Da bi izvedeli, kaj raziskovalci upajo odkriti o tem velikem, lepem plinskem velikanu, in ugotovili, zakaj tako relativno blizu tarče se uporablja za preizkušanje tako močnega teleskopa, smo se pogovarjali z astronomom z Berkeleyja Imkejem de Paterjem, vodjo opazovanja Jupitra ekipa.

Cel sistem za raziskovanje

V primerjavi z oddaljenimi eksoplaneti ali celo bolj oddaljenimi ledenimi velikani v našem sončnem sistemu astronomi vedo veliko o Jupitru. Imamo ogromno podatkov o planetu zahvaljujoč tako opazovanjem zemeljskih teleskopov kot misijam, kot je Galileo, ki je krožila okoli planeta do leta 2003, in Juno ki tam še zdaj kroži.

Toda kot se pogosto zgodi v znanosti, lahko vsak podatek, ki ga dobimo o planetu, sproži več vprašanj. »Tam smo bili z več vesoljskimi plovili in opazovali planet s Hubblom in številnimi zemeljskimi teleskopi na valovnih dolžinah po vsem elektromagnetnem spektru (od UV do metrov valovnih dolžin), tako da smo se naučili ogromno o samem Jupitru, njegovi atmosferi, notranjosti ter o njegovih lunah in prstanih,« je dejal de. Pater. "Toda vsakič, ko izveš več, obstajajo stvari, ki jih še ne razumeš - zato vedno potrebuješ več podatkov."

Nekaj ​​največjih odprtih vprašanj, ki jih imamo o Jupitru, se nanaša na njegovo vzdušje, na primer, kako se toplota premika med plastmi v ozračju in kako ozračje sodeluje z magnetosfero.

Vendar skupina ne bo opazovala samo samega Jupitra, temveč bo izpilila podrobnosti, kot je Velika rdeča pega (turbulentna nevihta, ki je tako velika da ga je mogoče videti kot točko, ki je dovolj velika, da zajame celotno Zemljo) in južni pol planeta (z značilnim polarni sij). Gledali bodo tudi celoten sistem Jovian, vključno s šibkimi obroči planeta in njegovimi lunami, vključno z Iom in Ganimedom.

Vsaka od teh tarč je zanimiva sama po sebi - Io je na primer najbolj vulkansko aktivno mesto v sončnem sistemu, Ganimed pa je edina luna, za katero je znano, da proizvaja lastno magnetosfero. Gledano kot celota je sistem Jovian idealno mesto za preizkušanje meja Webbovih zmogljivosti.

Pogled v infrardeče

Za pomoč pri spoznavanju teh zapletenih tem bo de Paterjeva skupina izkoristila infrardeče zmogljivosti Jamesa Webba, ki raziskovalcem omogočajo pogled globlje v atmosfero planeta.

Te zmogljivosti omogočajo preučevanje atmosfere, ki presega tisto, kar bi bilo mogoče z opazovanjem v valovni dolžini vidne svetlobe. "V vidnem območju valovnih dolžin v bistvu vidite oblake," je pojasnila. »Na infrardečih valovnih dolžinah lahko sondirate nad oblaki in pod oblaki, odvisno od valovne dolžine. Pri različnih valovnih dolžinah lahko vidite različne nadmorske višine v ozračju, odvisno od motnosti v atmosfera (tj. koliko 'svetlobe' se absorbira na določeni valovni dolžini določa, kako globoko lahko pogledamo v planet)."

Posebej uporabne za to raziskavo bodo srednje infrardeče valovne dolžine, ki si jih je mogoče ogledati z uporabo Webbovega MIRI ali srednjega infrardečega instrumenta.

"Največja prednost je pri srednjih infrardečih valovnih dolžinah," je pojasnil de Pater. »Na nekaterih od teh valovnih dolžin lahko opazujemo s tal, vendar je Zemljina atmosfera tako turbulentna, da kar dobimo na terenu, ne moremo dobro umeriti opazovanj.« To pomeni večjo negotovost v podatki; problem, ki ga še poslabša infrardeče sevanje v ozadju na Zemlji.

Toda z vesoljskim teleskopom, kot je James Webb, ni atmosfere in manj sevanja v ozadju, kar bi pomenilo, da bodo zbrani podatki veliko natančnejši. Poleg tega Webb ponuja izjemno stabilnost, kar pomeni, da lahko kaže na tarčo in ne omahuje, zahvaljujoč svojemu položaju v prostoru. Vse to pomeni, da lahko zbere nekaj najbolj natančnih podatkov o Jupitru.

Preizkušanje Webbovih omejitev

Pri ocenjevanju predlogov, kako bi lahko uporabili Jamesa Webba, je pojasnil de Pater, o čemer odloča odbor kateri projekti naj se lotijo, so najprej želeli videti ideje astronomske skupnosti o tem, kaj lahko teleskop narediti. »Zato so resnično iskali projekte, ki so JWST potisnili do meja,« je dejala. "To je tisto, kar počne naš projekt."

Uporabili bodo vse štiri Webbove instrumente v različnih kombinacijah za različne cilje v sistemu, da bi izbrali različne značilnosti, kot so vulkani, obroči in plasti atmosfere planeta.

Načrt je bil opazovati Jupiter, njegove prstane ter njegovi luni Io in Ganimed, vendar je nekaj let po predložitvi ekipe njihovega predloga se je pojavila nepričakovana težava - teleskop je bil dejansko preveč občutljiv za večji del načrtovanega dela Jupiter. "Teleskop je bil veliko bolj občutljiv, kot so pričakovali, zato smo morali spremeniti številna svoja opazovanja na Jupitru - in na samem Jupitru lahko naredimo manj, kot smo prvotno predvidevali."

Toda ekipa je še vedno vedela, da lahko pridobi dragocene podatke in najde načine za opravljanje dela, ki ga želi. Spremenili so dejavnike, na primer, katere filtre bodo uporabili, in si ogledali manjša vidna polja.

Zakaj Jupiter predstavlja takšen izziv

Zamisel, da je teleskop preobčutljiv, se morda sliši protislovno. Toda pomislite na to, kot da bi fotografirali, ko ste obrnjeni proti soncu: vse barve se razpihajo, tako da je vse videti belo in sprano in težko je videti kakršne koli podrobnosti. Svetloba, ki prihaja od sonca, je preprosto presvetla, kar vodi do preosvetljene slike.

Enako se dogaja pri preučevanju astronomskih teles. Planeti ne oddajajo veliko svetlobe v primerjavi z zvezdami, saj ne proizvajajo lastne svetlobe, ampak le odbijajo svetlobo od svojih zvezd. Zaradi tega so planeti veliko temnejši od zvezd na splošno. Toda ko gledate drobne podrobnosti ali iščete še manjša telesa, kot so lune, ali fine podrobnosti, kot so prstani, potem lahko svetloba s planeta ustvari bleščanje v podatkih, ki jih zbirate.

To je velik izziv pri uporabi Webba za preučevanje Jupitrovih lun ali prstanov: poskušati omogočiti svetlobo s planeta, da bi te majhne predmete lahko videli v podrobnostih. Jupiter je eden najsvetlejših objektov na nebu, zato to ni lahka naloga.

Na srečo imajo astronomi veliko izkušenj z opazovanjem planetarnih obročev z drugimi orodji, kot je vesoljski teleskop Hubble. "Torej to znanje uporabljamo za opazovanja JWST," je pojasnil de Pater. Ekipa bo opazovala obroče pod različnimi koti kota, kar pomeni, da bodo obroči premaknjeni v nekoliko drugačne orientacije na detektorju. Z opazovanjem obročev pod različnimi koti lahko vidijo, kako razpršena svetloba s planeta pada na obroče. Nato lahko to svetlobo odštejemo in pustimo le svetlobo samih obročev.

Preučevanje planetov v našem sončnem sistemu in zunaj njega

Uporaba Webba za preučevanje Jupitra ni le način za preizkušanje meja tega povsem novega teleskopa. Preučevanje planetov v našem sončnem sistemu lahko pomaga razumeti tudi planete zunaj našega sončnega sistema, imenovane eksoplanete.

Eden od velikih ciljev današnje znanosti o eksplanetih je preseči identifikacijo planeta in oceno njegovega velikost ali maso in zgraditi popolnejše razumevanje tega, če pogledamo, ali ima vzdušje.

Toda za razumevanje planetov v oddaljenih sistemih pomaga razumeti planete v našem. Webb bo opazoval atmosfere oddaljenih plinastih velikanov, ki jih bomo nato lahko primerjali s tem, kar poznamo atmosfere Jupitra in Saturna.

Poleg tega bo de Paterjeva ekipa z uporabo Webba za preučevanje Jupitra razvila nabor orodij, ki jih lahko drugi v astronomski skupnosti uporabljajo za preučevanje drugih planetov v našem sončnem sistemu in nam dajte vpogled v to, kaj bi lahko Webb odkril o njih – vključno z zanimivimi in redko proučevanimi oddaljenimi planeti Uran in Neptun.

»Naša ekipa bo razvila programsko opremo, ki jo bo mogoče uporabiti za sistem Jovian, pa tudi za sistem Saturn, za Uran in Neptun. In ljudem lahko pokažemo, kaj lahko pričakujete na podlagi naših opazovanj,« je dejal de Pater. "Na ta način je vsekakor iskalec poti."

Priporočila urednikov

• Zato znanstveniki menijo, da je na "peklenskem planetu" Veneri morda uspevalo življenje
• Povečajte osupljivo sliko Jamesa Webba in si oglejte galaksijo, ki je nastala pred 13,4 milijarde let
• James Webb opazi najbolj oddaljeno aktivno supermasivno črno luknjo, kar so jih kdaj odkrili
• James Webb najde namige o obsežni strukturi vesolja
• James Webb odkrije pomembno molekulo v osupljivi Orionovi meglici