James Webbs första studiemål kommer att vara nära hemmet

Astronomer världen över surrar av förväntan inför den nya vetenskapen som kommer att bli möjlig när rymdteleskopet James Webb, världens kraftfullaste rymdteleskop, fullbordar sitt driftsättning. Sedan teleskopet lanserades den 25 december 2021 har det vecklat ut sin hårdvara till sin slutliga konfiguration, nått sin slutliga bana runt solen och slutfört att rikta in sina speglar med sin primära kamera, men det återstår fortfarande steg som kalibrering av dess instrument innan den är redo för vetenskaplig användning.

Så snart driftsättningsfasen är klar, som ska avslutas i sommar, kommer de vetenskapliga observationerna att påbörjas. Och det är här det blir spännande, eftersom teleskopets höga känslighet och infraröda kapacitet gör det möjligt att observera extremt avlägsna objekt, till och med svagare än de som observeras av nuvarande rymdbaserade teleskop som Hubble. Det kommer att inleda en ny era av astronomiska observationer och kan hjälpa till att undersöka ämnen som omfattande som hur de första galaxerna bildades och om planeter i andra stjärnsystem har atmosfärer eller inte.

Tretton projekt har valts ut för att testa kapaciteten hos detta helt nya teleskop under de första fem månaderna av operationer, och som du kan föreställa dig var tävlingen för vilka projekt som skulle få första nedgångar på detta nya verktyg våldsam.

De flesta av 13 projekt utvalda kommer att titta på avlägsna objekt som svarta hål eller avlägsna galaxer. Men ett projekt kommer att se närmare hemmet - på Jupiter, mitt i vår kosmiska bakgård.

Att lära sig om vad forskare hoppas kunna upptäcka om denna stora, vackra gasjätte, och för att ta reda på varför ett så relativt nära mål används för att testa ett så kraftfullt teleskop, pratade vi med Berkeley-astronomen Imke de Pater, ledare för Jupiterobservationen team.

Ett helt system att utforska

Jämfört med avlägsna exoplaneter eller till och med de mer avlägsna isgiganterna i vårt solsystem, vet astronomer mycket om Jupiter. Vi har mängder av data om planeten tack vare både observationer från markbaserade teleskop och uppdrag som Galileo, som kretsade runt planeten fram till 2003, och Juno som fortfarande kretsar där nu.

Men som ofta är fallet med vetenskap, kan varje bit av data vi får om planeten väcka fler frågor. "Vi har varit där med flera rymdfarkoster och har observerat planeten med Hubble och många markbaserade teleskop vid våglängder över det elektromagnetiska spektrumet (från UV till meter våglängder), så vi har lärt oss oerhört mycket om Jupiter själv, dess atmosfär, inre och om dess månar och ringar,” sa de Pater. "Men varje gång du lär dig mer finns det saker du ännu inte förstår - så du behöver alltid mer data."

Några av de största öppna frågorna vi har om Jupiter rör dess atmosfär, som hur värme rör sig mellan lager i atmosfären och hur atmosfären interagerar med magnetosfären.

Men gruppen kommer inte bara att titta på Jupiter själv, och skärpa in detaljer som den stora röda fläcken (en turbulent storm så enorm att det kan ses som en plats stor nog att uppsluka hela jorden) och planetens sydpol (med dess utmärkande norrsken). De kommer också att titta på hela det jovianska systemet, inklusive planetens svaga ringar och dess månar inklusive Io och Ganymedes.

Vart och ett av dessa mål är spännande i sig - Io är till exempel den mest vulkaniskt aktiva platsen i solsystemet, och Ganymedes är den enda månen som är känd för att producera sin egen magnetosfär. Som helhet är Jovian-systemet den idealiska platsen för att testa gränserna för Webbs möjligheter.

Tittar in i det infraröda

För att lära sig mer om dessa komplexa ämnen kommer de Paters grupp att dra nytta av James Webbs infraröda kapacitet, som gör det möjligt för forskare att titta djupare in i planetens atmosfär.

Dessa förmågor gör det möjligt att studera atmosfären utöver vad som skulle vara möjligt genom att titta i det synliga ljusets våglängd. "I det synliga våglängdsområdet ser du i princip moln," förklarade hon. "Vid infraröda våglängder kan du sondera ovanför molnen och under molnen, beroende på våglängden. Vid olika våglängder kan du se olika höjder i atmosfären, beroende på opaciteten i atmosfären atmosfären (dvs hur mycket "ljus" som absorberas vid den specifika våglängden avgör hur djupt man kan titta in i planet)."

Särskilt användbart för denna forskning kommer att vara de mellaninfraröda våglängderna, som kan ses med Webbs MIRI eller Mid-Infrared Instrument.

"Den största fördelen är vid de mellaninfraröda våglängderna," förklarade de Pater. "Vi kan observera några av dessa våglängder från marken, men jordens atmosfär är så turbulent att vad vi får på marken kan vi inte kalibrera observationerna särskilt bra." Det betyder mer osäkerhet i data; ett problem som förvärras av den infraröda bakgrundsstrålningen på jorden.

Men med ett rymdbaserat teleskop som James Webb finns det ingen atmosfär och mindre bakgrundsstrålning att komma i vägen, och det betyder att de insamlade uppgifterna blir mycket mer exakta. Dessutom erbjuder Webb exceptionell stabilitet, vilket innebär att den kan peka på ett mål och inte vackla, tack vare sin positionering i rymden. Allt detta betyder att den kan samla in några av de mest exakta uppgifterna hittills om Jupiter.

Testar Webbs gränser

Vid bedömningen av förslag på hur James Webb skulle kunna användas, förklarade de Pater, kommittén beslutade om vilka projekt att driva först ville se astronomisamfundets idéer om vad teleskopet kunde do. "Så de letade verkligen efter projekt som pressade JWST till gränserna," sa hon. "Det är vad vårt projekt gör."

De kommer att använda alla fyra av Webbs instrument i olika kombinationer för olika mål i systemet, för att välja ut olika funktioner som vulkaner, ringar och lager av planetens atmosfär.

Planen var att observera Jupiter, dess ringar och dess månar Io och Ganymedes, men flera år efter att laget lämnade in deras förslag uppstod ett oväntat problem — teleskopet var faktiskt för känsligt för mycket av det planerade arbetet med Jupiter. "Teleskopet var mycket känsligare än de förväntade sig, så vi var tvungna att ändra ett antal av våra observationer på Jupiter - och vi kan göra mindre på Jupiter själv än vi ursprungligen hade räknat med."

Men teamet visste ändå att de kunde få värdefull data och hitta sätt att göra det arbete de ville. De ändrade faktorer som vilka filter de skulle använda och tittade på mindre synfält.

Varför Jupiter ger en sådan utmaning

Tanken att ett teleskop är för känsligt kan låta kontraintuitivt. Men tänk på det som att ta ett fotografi medan du vänder dig mot solen: Alla färger blåses ut så att allt ser vitt och urtvättat ut och det är svårt att se några detaljer. Ljuset som kommer från solen är alldeles för starkt, vilket leder till en överexponerad bild.

Samma sak händer när man studerar astronomiska kroppar. Planeter avger inte mycket ljus jämfört med stjärnor, eftersom de inte producerar ljus av sig själva utan bara reflekterar ljus från sina stjärnor. Det gör planeter mycket mörkare än stjärnor överlag. Men när du tittar på små detaljer eller letar efter ännu mindre kroppar som månar, eller på fina detaljer som ringar, då kan ljuset från en planet skapa bländning i den data du samlar in.

Det är den stora utmaningen när man använder Webb för att studera Jupiters månar eller ringar: Att försöka tillåta ljuset från planeten så att dessa små föremål kan ses i detalj. Jupiter är ett av de ljusaste objekten på himlen, så det här är inte en lätt uppgift.

Lyckligtvis har astronomer mycket erfarenhet av att observera planetringar med hjälp av andra verktyg som rymdteleskopet Hubble. "Så vi använder den kunskapen för JWST-observationerna," förklarade de Pater. Teamet kommer att observera ringarna i olika "rullvinklar", vilket innebär att ringarna kommer att flyttas till något olika orienteringar på detektorn. Genom att observera ringarna i olika vinklar kan de se hur det spridda ljuset från planeten faller på ringarna. Sedan kan detta ljus subtraheras, vilket bara lämnar ljuset från själva ringarna.

Studerar planeter i vårt solsystem och bortom

Att använda Webb för att studera Jupiter är inte bara ett sätt att testa gränserna för detta helt nya teleskop. Att studera planeter i vårt eget solsystem kan också hjälpa till att förstå planeter utanför vårt solsystem, kallade exoplaneter.

Ett av de stora målen med exoplanetvetenskap idag är att gå längre än att identifiera en planet och uppskatta dess storlek eller massa, och för att bygga upp en mer fullständig förståelse av den genom att titta på om den har en atmosfär.

Men för att förstå planeter i avlägsna system hjälper det att förstå planeterna i våra egna. Webb kommer att titta på atmosfärerna hos avlägsna gasjättar, som vi sedan kan jämföra med vad vi vet om atmosfärerna i Jupiter och Saturnus.

Dessutom, genom att använda Webb för att studera Jupiter, kommer de Paters team att utveckla en uppsättning verktyg som kan användas av andra i astronomisamhället för att studera andra planeter i vårt solsystem och ge en glimt av vad Webb skulle kunna upptäcka om dem - inklusive de spännande och sällan studerade avlägsna planeterna på Uranus och Neptunus.

"Vårt team kommer att utveckla mjukvara som kan användas för det jovianska systemet, men också för Saturnussystemet, för Uranus och Neptunus. Och vi kan visa folk vad du kan förvänta dig baserat på våra observationer”, sa de Pater. "Det är definitivt en vägvisare på det sättet."

Redaktörens rekommendationer

• Här är anledningen till att forskare tror att livet kan ha frodats på "helvetesplaneten" Venus
• Zooma in på den fantastiska James Webb-bilden för att se en galax som bildades för 13,4 miljarder år sedan
• James Webb ser det mest avlägsna aktiva supermassiva svarta hålet som någonsin upptäckts
• James Webb ser ledtrådar till universums storskaliga struktur
• James Webb upptäcker en viktig molekyl i den fantastiska Orionnebulosan