Kako bo vesoljski teleskop James Webb lovil eksoplanete

Ko sveže izstreljeni vesoljski teleskop James Webb popolnoma razkrit in na voljo na spletu, ne bo le še eno orodje za astronome za raziskovanje vesolja. S svojo vrhunsko tehnologijo spektroskopije bo lahko pokukal v temo vesolja in videti oddaljene predmete podrobneje kot kdajkoli prej – veliko bolj kot njegov predhodnik, Hubblov vesolje Teleskop. To bo revolucioniralo naše razumevanje eksoplanetov in lahko bi nam celo pomagalo izvedeti, od kod prihajamo in kje drugje v vesolju bi lahko bilo bivanje.

Da bi ugotovili, kako nam bo vesoljski teleskop Jamesa Webba pomagal preučevati vrteče se krogle kamna na trilijone milj stran (in zakaj astronomi to želijo), smo se pogovarjali z dvema raziskovalci, ki bodo sodelovali z Jamesom Webbom po uvedbi: Néstor Espinoza iz Znanstvenega inštituta za vesoljski teleskop in Antonella Nota iz Evropske vesoljske agencije (ESA).

Velikanski skok naprej

V zadnjih letih so raziskovalci identificirali planete zunaj našega sončnega sistema s pomočjo teleskopov, kot je TESS (transiting Exoplanet Survey Satellite) ali Vesoljski teleskop Kepler. Ti lahko opazujejo najsvetlejše zvezde in opazijo spremembe v njihovem sijaju, ko gre planet med njimi in nami s tehniko, imenovano tranzitni način. To je impresiven podvig znanstvenega opazovanja, vendar nam ne pove veliko o tem, kakšni so ti planeti – le njihova približna velikost in občasno njihova masa.

Če želimo vedeti, kakšen je planet - ali ima atmosfero? iz česa je sestavljeno? ali so na nebu oblaki? je tam voda? — pogledati moramo veliko, veliko bolj podrobno. To bo naredil Webb, vendar je to ogromen tehnični izziv. Zato NASA, ESA in Kanadska vesoljska agencija (CSA) sodelujejo pri tem projektu.

»Webb je stokrat bolj občutljiv kot Hubble in zaradi tega bo Webb lahko razkril najmanjše podrobnosti v najbolj oddaljenih kotičkih zelo oddaljenega vesolja, z izjemno ločljivostjo,« Nota pojasnil.

Medtem ko je bil Hubble navajen izvedeti več o eksoplanetih, Espinoza je rekel: »Pogled, ki vam ga daje, je zelo ozek. Morda vam daje eno lastnost.« Za primerjavo, je dejal, bo Webb "očarljiv", saj nam bo omogočil, da vidimo več značilnosti hkrati in si ogledamo manjše planete. "To bo naša prva sprememba, da bomo podrobno preučili manjše planete."

Hubble deluje tudi v valovni dolžini vidne svetlobe in zajema slike v obsegu svetlobe, ki jo lahko vidimo. Toda James Webb bo delal na infrardeči valovni dolžini, ki lahko izbere različne značilnosti in pokukajte skozi zastirajoči prah in »odpirate okno v vesolje, ki bo popolnoma novo«, kot pravi Nota daj ga.

Hubble in Webb bosta lahko sodelovala in zbirala komplementarne podatke o istih ciljih. Torej, če imate radi čudovite slike vesolja, ki jih je posnel Hubble, ne skrbi, te ne bodo izginile. Preprosto bomo pridobili še eno orodje za še globlje razumevanje.

"James Webb bo revolucionaren. Dobesedno revolucionarno,« je dejal Espinoza. »Omogočil nam bo, da vidimo stvari, ki smo jih dolgo pričakovali zaznati, a jih nismo imel tehnologijo za ogled in skoraj prepričan sem, da bo zaznala stvari, o katerih ne razmišljamo od.”

Posodabljanje Hubblove tehnologije iz 1980-ih

Raziskovalci so opravili izjemno delo pri iskanju in spoznavanju eksoplanetov z uporabo trenutno razpoložljivih instrumentov, pri čemer so doslej odkrili več kot 4000 eksoplanetov. Vendar pa je to področje zelo nedavno, saj so prvi planeti zunaj našega sončnega sistema identificirali v devetdesetih letih prejšnjega stoletja. To pomeni, da številni instrumenti trenutne generacije, kot je Hubble, nikoli niso bili zasnovani z upoštevanjem študij eksoplanetov.

"Hubble je tehnologija 80-ih," je dejal Espinoza. »Nič proti 80. – obožujem 80., še posebej glasbo! – vendar se je tehnologija močno razvila. Detektorji, ki smo jih imeli takrat, niso nič v primerjavi z detektorji, ki jih imamo zdaj.«

James Webb pa je bil zasnovan s posebnim namenom, da se uporablja za karakterizacijo eksoplanetov, in to je bilo v ospredju njegovih načel oblikovanja. Na primer, ko Webb kaže na zvezdo, bo pokazal na določeno slikovno piko z zelo visoko natančnostjo in ne premakniti, kar raziskovalcem omogoča zelo natančno merjenje morebitnih padcev svetlosti, ki bi lahko dali namige o planetu v orbita.

Ta stopnja natančnosti omogoča Webbu, da izvede svojo najbolj razburljivo funkcijo, povezano z eksoplanetom: zaznavanje, ali ima eksoplanet atmosfero in iz česa je ta atmosfera sestavljena. "Majhne podrobnosti, ki so zelo pomembne, ko poskušate zaznati atmosfero eksoplanetov," je pojasnil Espinoza.

Raziskovanje eksoplanetov z infrardečo svetlobo

Čeprav so raziskovalci prišli do nekaterih zelo kreativne načine do zaznavanje atmosfer eksoplanetov, to ni nekaj, za kar so bili zasnovani trenutni instrumenti. Zato bodo Webbove zmogljivosti tako revolucionarne.

Za vpogled v vesolje ima Webb štiri instrumente, ki gledajo v infrardečem sevanju. Vključujeta kamero bližnjega infrardečega spektra (NIRCam) in spektrograf bližnjega infrardečega spektra (NIRSpec). Potem sta tu še Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager in Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), ki bosta, kot nakazujeta njihova imena, gledala v bližnjem infrardečem pasu. Končno je tu še srednji infrardeči instrument (MIRI), ki gleda v širokem razponu v daljnem infrardečem sevanju.

Toda to so občutljivi instrumenti in za delovanje potrebujejo skrbno vzdrževano okolje. Zato mora biti tudi tehnologija okoli njih vrhunska.

»Webb je poln nove, kompleksne tehnologije, od občutljivih IR detektorjev do petslojnega tankega kaptonovega sončnega ščitnika v velikosti teniškega igrišča, ki bo zaščitil instrumentacijo iz sončnega sevanja in bo omogočil teleskopu in detektorjem, da dosežejo nizko temperaturo, ki je potrebna za opazovanje v infrardečem spektru,« Nota rekel.

Opozorila je tudi na fine podrobnosti na instrumentih, kot je niz mikrozaklopov NIRSpec, ki je niz majhnih oken z zastori, velikosti nekaj človeških las. To bo instrumentu omogočilo opazovanje več sto predmetov hkrati. "Absolutno prvi v vesoljski astronomiji, kjer se spektroskopija tradicionalno izvaja en objekt naenkrat," je dejal Nota.

Razumevanje, od kod prihajamo

Spodbuda, da bi ugotovili, ali ima oddaljeni planet atmosfero, ni le znanstveni razcvet ali prazna radovednost o tem, kakšni so ti oddaljeni kraji. Namesto tega je ključnega pomena za razumevanje, kako so planeti - vključno z našim - ustvarjeni.

Ko gre za razumevanje, kako je nastal naš sončni sistem, raziskovalci izvajajo modele in poskušajo videti, kako bi lahko končali s sestavo planetov, ki jih vidimo. "Toda trenutno imamo velikost vzorca enega," je poudaril Espinoza. »Naš sončni sistem. To je to. Zdaj smo v dobi, ko lahko pokukamo v sestave drugih sončnih sistemov. In kako se planeti oblikujejo, določa njihovo kemično sestavo.«

Ko torej pogledamo atmosfero oddaljenega eksoplaneta, izvemo, kako je nastala. In iz tega lahko zgradimo sliko o tem, kako nastanejo planeti in sončni sistemi, ki temelji na več primerih kot samo na našem dvorišču. »Torej pridobivanje teh namigov o formacijskih podpisih na teh eksoplanetih skozi kemijo, ki jo opazujemo v njihovih atmosfere je absolutno temeljnega pomena, da razumemo, kako so nastali in s tem, kako smo nastali mi,« je rekel.

Lov na primernost za bivanje

Morda je najbolj vznemirljiv razlog za ogled atmosfere eksoplanetov razumeti, kje drugje v vesolju bi življenje lahko cvetelo. "Eno od ključnih vprašanj, ki jih bo Webb preučeval, je izvor življenja," je dejal Nota. »Obstaja ogromno različnih ekso-svetov, več, kot smo si lahko predstavljali. Obstajajo plinasti planeti velikosti Jupitra, ki krožijo zelo blizu svoje zvezde, ogromne skalnate 'super-Zemlje' in 'tople Neptun.« Nekateri od teh imajo morda prave temperaturne pogoje in pravo sestavo za gostovanje življenje.”

A da bi ugotovili, ali je planet primeren za bivanje, je dejal Espinoza, ni dovolj samo poznati njegovo velikost in maso. Konec koncev, ko najdemo planet, ki je velik kot Zemlja in ima podobno maso, ljudje pogosto domnevajo, da bo to kraj, podoben Zemlji. Toda Venera in Mars sta približno podobnih velikosti in mase kot Zemlja in imata atmosferi, ki sta izjemno negostoljubni za našo obliko življenja. "Venera je najslabši kraj za dopust!" se je pošalil, s svojim ogromnim pritiskom in strupeno atmosfero, polno ogljikovega dioksida. Mars ni veliko boljši, s svojo izjemno tanko atmosfero, ki ni primerna za dihanje in je le 1 % gostote naše atmosfere na Zemlji.

Zato moramo vedeti o atmosferi, da vemo, ali je posamezen planet primeren za bivanje. In kar je še pomembneje, da bi dobili oceno, koliko planetov, primernih za življenje, bi lahko bilo tam zunaj, moramo vedeti, kakšne vrste atmosfere so značilne za planete velikosti, kot je naš. "Katera je najpogostejša atmosfera, ki jo oblikuje narava?" je vprašal Espinoza. "Lahko bi bil podoben Veneri ali Marsu, Zemlja pa je izstopajoča." Ali pa je možno, da so Zemljine podobne atmosfere tipične in da je število potencialno naseljivih planetov ogromno.

Posegati v neznano

Webb ne bo gledal samo na eksoplanete. Izvajal bo ogromno raziskav, od pogleda nazaj v najzgodnejše faze vesolja, da bi videli nastajanje prvih galaksij, do opazovanja, kako se zvezde rojevajo iz vrtinčenja prahu in plina. S svojo prvo leto načrtovanih znanstvenih operacij, le strgamo po površini, za kaj bi lahko uporabili to novo orodje. Morali bomo počakati in videti, katere druge astronomske čudeže bo lahko razkril.

"Mislim, da bo največje odkritje tisto, ki ga nihče ne pričakuje," je dejal Nota. "Tisti, ki bo spremenil način, kako vidimo vesolje, tisti, ki bo morda enkrat za vselej določil, kakšno je naše mesto v vesolju."

Priporočila urednikov

• James Webb odkrije starodavni prah, ki bi lahko izviral iz najzgodnejših supernov
• 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