Hur rymdteleskopet James Webb kommer att jaga efter exoplaneter

När nystartade rymdteleskopet James Webb vecklas ut helt och läggs online, kommer det inte bara att vara ytterligare ett verktyg för astronomer att utforska universum. Med sin banbrytande spektroskopiteknik kommer den att kunna titta ut i rymdens mörker och se avlägsna objekt mer detaljerat än någonsin tidigare - mycket mer än sin föregångare, Hubble Space Teleskop. Det kommer att revolutionera vår förståelse av exoplaneter, och det kan till och med hjälpa oss att lära oss om var vi kom ifrån och var annars i universum som kan vara beboeligt.

För att få reda på hur rymdteleskopet James Webb kommer att hjälpa oss att studera snurrande kulor av stenbiljoner mil bort (och varför astronomer vill), pratade vi med två forskare som kommer att arbeta med James Webb efter utplaceringen: Néstor Espinoza från Space Telescope Science Institute och Antonella Nota från European Space Agency (ESA).

Ett stort steg framåt

Under de senaste åren har forskare identifierat planeter utanför vårt solsystem med hjälp av teleskop som TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) eller Kepler rymdteleskop. Dessa kan titta på de allra ljusaste stjärnorna och se förändringar i deras ljusstyrka när en planet passerar mellan dem och oss med hjälp av en teknik som kallas transiteringsmetod. Detta är en imponerande bedrift av vetenskaplig observation, men det säger oss inte mycket om hur dessa planeter är - bara deras ungefärliga storlek och ibland deras massa.

Om vi ​​vill veta hur en planet är — har den en atmosfär? vad består den av? finns det moln på himlen? finns det vatten där? – Vi måste titta mycket, mycket mer detaljerat. Det är vad Webb kommer att göra, men det är en enorm teknisk utmaning. Det är därför som NASA, ESA och Canadian Space Agency (CSA) alla arbetar tillsammans i detta projekt.

"Webb är hundra gånger känsligare än Hubble, och på grund av det kommer Webb att kunna avslöja de minsta detaljerna i de yttersta hörnen av det mycket avlägsna universum, med utsökt upplösning”, Nota förklarade.

Medan Hubble har varit van vid lär dig mer om exoplaneter, Espinoza sa, "synen som det ger dig är väldigt snäv. Det ger dig en funktion, kanske.” Som jämförelse, sa han, kommer Webb att bli "svindlande", vilket gör att vi kan se flera funktioner samtidigt och titta på mindre planeter. "Det kommer att bli vår första förändring att titta på mindre planeter i stor detalj."

Hubble arbetar också i det synliga ljusets våglängd och tar bilder inom det ljusområde som vi kan se. Men James Webb kommer att arbeta i den infraröda våglängden, som kan plocka ut olika funktioner och titta genom döljande damm, "öppna ett fönster in i universum som kommer att vara helt nytt", som Nota Ställ det.

Hubble och Webb kommer att kunna arbeta tillsammans och samla in kompletterande data om samma mål. Så om du älskar vackra bilder av rymden tagna av Hubble, oroa dig inte, dessa kommer inte att försvinna. Vi kommer helt enkelt att få ett annat verktyg för ännu djupare förståelse.

"James Webb kommer att bli revolutionär. Bokstavligen revolutionärt”, sa Espinoza. "Det kommer att tillåta oss att se saker som vi har förväntat oss att upptäcka länge men inte har hade tekniken att se, och jag är ganska säker på att den kommer att upptäcka saker som vi inte tänker på av."

Uppdaterar Hubbles 1980-talsteknik

Forskare har gjort ett anmärkningsvärt jobb med att hitta och lära sig om exoplaneter med hjälp av för närvarande tillgängliga instrument och upptäckt över 4 000 exoplaneter hittills. Detta fält är dock mycket nytt, med de första planeterna utanför vårt solsystem som identifierades på 1990-talet. Det betyder att många nuvarande generationens instrument, som Hubble, aldrig designades med exoplanetstudier i åtanke.

"Hubble är 80-talsteknik," sa Espinoza. "Inget mot 80-talet – jag älskar 80-talet, speciellt musiken! – men tekniken har utvecklats massor. Den typ av detektorer vi hade då är ingenting jämfört med den typ av detektorer vi har nu."

James Webb, å andra sidan, har designats med den specifika avsikten att användas för exoplanetkarakterisering, och det har varit i framkant av dess designprinciper. Till exempel, när Webb pekar på en stjärna, kommer den att peka på en viss pixel med mycket hög precision och det kommer inte flytta överhuvudtaget, vilket gör det möjligt för forskare att mycket noggrant mäta eventuella sänkningar i ljusstyrka som kan ge ledtrådar till en planet i bana.

Denna precisionsnivå gör att Webb kan utföra sin mest spännande exoplanetrelaterade funktion: Upptäcka om en exoplanet har en atmosfär och vad den atmosfären består av. "De små detaljerna som betyder mycket när du försöker upptäcka exoplanetatmosfärer," förklarade Espinoza.

Undersöker exoplaneter med infrarött ljus

Även om forskare har kommit på några mycket kreativa sätt till upptäcka exoplanetatmosfärer, det är inte något som nuvarande instrument är designade för att göra. Det är därför Webbs möjligheter kommer att vara så revolutionerande.

För att titta ut i universum har Webb fyra instrument som kommer att titta i den infraröda våglängden. De inkluderar Near-Infrared Camera (NIRCam) och Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Sedan finns det Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager och Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), som, som deras namn antyder, kommer att se ut i det nära-infraröda bandet. Slutligen finns det Mid-Infrared Instrument (MIRI), som ser över ett brett spektrum av fjärrinfrarött.

Men det här är känsliga instrument och de kräver en noggrant underhållen miljö för att fungera. Så tekniken runt dem måste också vara banbrytande.

"Webb är full till kanten av ny, komplex teknik, från de känsliga IR-detektorerna, till den tennisbana stora, femlagers tunna Kapton-solskyddet som skyddar instrumenteringen från solstrålningen och kommer att tillåta teleskopet och detektorerna att nå den kalla temperatur som krävs för att observera i det infraröda, säger Nota sa.

Hon påpekade också de fina detaljerna på instrumenten, som NIRSpecs microshutter array, som är en uppsättning små fönsterluckor storleken på några människohår. Detta gör att instrumentet kan observera hundratals föremål samtidigt. "En absolut första inom rymdastronomi, där spektroskopi traditionellt görs ett objekt i taget," sa Nota.

Att förstå var vi kom ifrån

Drivkraften att se om en avlägsen planet har en atmosfär är inte bara en vetenskaplig blomstring eller en tom nyfikenhet på hur dessa avlägsna platser är. Snarare är det nyckeln till att förstå hur planeter – inklusive våra egna – skapas.

När det gäller att förstå hur vårt solsystem bildades, kör forskare modeller och försöker se hur vi kunde ha hamnat i sammansättningen av planeter som vi ser. "Men för närvarande har vi en provstorlek på en," påpekade Espinoza. "Vårt solsystem. Det är allt. Nu är vi inne i en era då vi kan titta in i kompositionerna av andra solsystem. Och hur planeterna bildas definierar deras kemiska sammansättning."

Så när vi tittar på en avlägsen exoplanets atmosfär lär vi oss om hur den blev till. Och utifrån det kan vi bygga upp en bild av hur planeter och solsystem bildas baserat på fler fall än bara det på vår bakgård. "Så att få dessa antydningar om formationssignaturer i dessa exoplaneter genom kemin som vi observerar i deras atmosfärer är helt grundläggande för att vi ska förstå hur de kom till och därför hur vi blev till, säger han sa.

Jagar efter beboelighet

Det kanske mest spännande skälet till att titta på exoplanetatmosfärer är att förstå var annars i universum livet skulle kunna blomstra. "En av nyckelfrågorna som Webb kommer att studera är livets ursprung," sa Nota. "Det finns enorma variationer av exo-världar, fler än vi hade kunnat föreställa oss. Det finns Jupiter-stora gasplaneter som kretsar mycket nära deras stjärna, enorma steniga "superjordar" och "varma Neptunes.’ Vissa av dessa kan ha rätt temperaturförhållanden och rätt sammansättning för att vara värd liv."

Men för att avgöra om en planet är beboelig, sa Espinoza, räcker det inte bara att veta dess storlek och massa. När allt kommer omkring, när vi hittar en planet som är jordliknande och har en liknande massa, antar folk ofta att det kommer att vara en jordliknande plats. Men Venus och Mars är av ungefär samma storlek och massa som jorden, och de har atmosfärer som är extremt ogästvänliga för vår livsform. “Venus är det värsta stället att åka på semester på!” skämtade han, med sitt enorma tryck och giftiga atmosfär full av koldioxid. Mars är inte mycket bättre, med sin extremt tunna, andningsbara atmosfär som bara är 1 % av densiteten av vår atmosfär på jorden.

Så vi behöver veta om atmosfärer för att veta om en enskild planet är beboelig. Och ännu viktigare, för att få en uppskattning av hur många beboeliga planeter det kan finnas där ute, måste vi veta vilka typer av atmosfärer som är typiska för planeter i storlek som vår. "Vilken är den vanligaste atmosfären som naturen bildar?" frågade Espinoza. "Det kan vara Venus-liknande eller Mars-liknande, och jorden är en avvikare." Eller så kan det vara så att jordliknande atmosfärer är typiska, och antalet potentiellt beboeliga planeter där ute är enormt.

Att nå ut i det okända

Webb kommer inte bara att titta på exoplaneter. Det kommer att utföra ett stort antal forskning, från att titta tillbaka in i universums tidigaste faser för att se de första galaxerna bildas, till att se hur stjärnor föds från virvlande damm och gas. Med dess första året av vetenskapsverksamhet planerad, vi skrapar bara ytan på vad det här nya verktyget skulle kunna användas till. Vi får vänta och se vilka andra astronomiska underverk den kommer att kunna reda ut.

"Jag tror att den största upptäckten kommer att vara den som ingen förväntar sig," sa Nota. "Den som kommer att förändra hur vi ser universum, den som kommer att definiera, kanske en gång för alla, vad som är vår plats i universum."

Redaktörens rekommendationer

• James Webb ser forntida damm som kan komma från de tidigaste supernovorna
• 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