เป้าหมายแรกของ James Webb ในการศึกษาจะอยู่ใกล้บ้าน

นักดาราศาสตร์ทั่วโลกต่างตื่นเต้นกับความคาดหวังสำหรับวิทยาศาสตร์ใหม่ที่จะเป็นไปได้ เมื่อกล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เว็บบ์ ซึ่งเป็นกล้องโทรทรรศน์อวกาศที่ทรงพลังที่สุดในโลกสร้างเสร็จ การว่าจ้าง. นับตั้งแต่เปิดตัวกล้องโทรทรรศน์เมื่อวันที่ 25 ธันวาคม 2564 กล้องได้คลี่ฮาร์ดแวร์ออกเป็นการกำหนดค่าขั้นสุดท้าย โคจรรอบดวงอาทิตย์รอบสุดท้าย และ เสร็จสิ้นการจัดตำแหน่งกระจกให้ตรงกับกล้องหลัก แต่ยังมีขั้นตอนเช่นการสอบเทียบเครื่องมือที่ต้องดำเนินการก่อนที่จะพร้อมสำหรับ การใช้งานทางวิทยาศาสตร์

ทันทีที่ขั้นตอนการว่าจ้างเสร็จสิ้น ซึ่งจะสิ้นสุดในฤดูร้อนนี้ การสังเกตการณ์ทางวิทยาศาสตร์ก็จะเริ่มขึ้น และนี่คือสิ่งที่น่าตื่นเต้น เนื่องจากความไวแสงสูงและความสามารถด้านอินฟราเรดของกล้องโทรทรรศน์จะเปิดใช้งาน เพื่อสังเกตวัตถุที่อยู่ไกลมาก แม้จะจางกว่าที่สังเกตได้จากกล้องโทรทรรศน์อวกาศในปัจจุบัน เช่น ฮับเบิล จะนำเข้าสู่ยุคใหม่ของการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์และสามารถช่วยตรวจสอบหัวข้อต่างๆ เช่น กว้างพอๆ กับกาแล็กซีแรกก่อตัวขึ้น และดาวเคราะห์ในระบบดาวอื่นมีชั้นบรรยากาศหรือไม่ หรือไม่.

สิบสามโครงการได้รับเลือกให้ทดสอบความสามารถของกล้องโทรทรรศน์ใหม่ล่าสุดนี้ในช่วงห้าเดือนแรกของ การดำเนินงาน และอย่างที่คุณจินตนาการได้ การแข่งขันว่าโครงการใดควรได้หมากเก็บก่อนสำหรับเครื่องมือใหม่นี้คือ ดุร้าย.

ที่สุดของ คัดเลือกมา 13 โครงการ จะมองดูวัตถุที่อยู่ห่างไกล เช่น หลุมดำหรือกาแล็กซีอันไกลโพ้น แต่โครงการหนึ่งจะดูใกล้บ้านมากขึ้น นั่นคือที่จูปิเตอร์ ในสวนหลังบ้านจักรวาลของเรา

เพื่อเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งที่นักวิจัยหวังว่าจะค้นพบเกี่ยวกับก๊าซยักษ์ขนาดใหญ่ที่สวยงามนี้ และค้นหาว่าทำไมเป้าหมายที่ค่อนข้างใกล้เช่นนี้ กำลังถูกใช้เพื่อทดสอบกล้องโทรทรรศน์ที่ทรงพลังดังกล่าว เราได้พูดคุยกับนักดาราศาสตร์ชาวเบิร์กลีย์ อิมเค เดอ พาเตอร์ ผู้นำการสังเกตการณ์ดาวพฤหัสบดี ทีม.

ระบบทั้งหมดที่จะสำรวจ

เมื่อเปรียบเทียบกับดาวเคราะห์นอกระบบที่อยู่ไกลออกไป หรือแม้แต่ดาวเคราะห์น้ำแข็งยักษ์ที่อยู่ไกลกว่าในระบบสุริยะของเรา นักดาราศาสตร์รู้เรื่องดาวพฤหัสบดีมากมาย เรามีข้อมูลเกี่ยวกับดาวเคราะห์มากมายจากการสังเกตจากกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินและภารกิจอย่างกาลิเลโอซึ่งโคจรรอบโลกจนถึงปี 2546 และ จูโน ที่ยังโคจรอยู่ ณ บัดนี้.

แต่เช่นเดียวกับกรณีทางวิทยาศาสตร์ ข้อมูลทุกชิ้นที่เราได้รับเกี่ยวกับดาวเคราะห์สามารถทำให้เกิดคำถามมากขึ้น “เราอยู่ที่นั่นพร้อมกับยานอวกาศหลายลำ และได้สำรวจดาวเคราะห์ด้วยฮับเบิลและกล้องโทรทรรศน์ภาคพื้นดินจำนวนมากที่ความยาวคลื่นตลอดสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า (จากรังสียูวีไปจนถึงความยาวคลื่นเป็นเมตร) ดังนั้นเราจึงได้เรียนรู้มากมายเกี่ยวกับดาวพฤหัสบดี บรรยากาศ ภายใน และดวงจันทร์และวงแหวนของมัน” เดอกล่าว พาเตอร์. “แต่ทุกครั้งที่คุณเรียนรู้เพิ่มเติม มีสิ่งที่คุณยังไม่เข้าใจ ดังนั้นคุณจึงต้องการข้อมูลเพิ่มเติมอยู่เสมอ”

คำถามเปิดที่ใหญ่ที่สุดบางข้อที่เรามีเกี่ยวกับดาวพฤหัสเกี่ยวข้องกับมัน บรรยากาศเช่น การเคลื่อนที่ของความร้อนระหว่างชั้นต่างๆ ในชั้นบรรยากาศ และการที่บรรยากาศทำปฏิกิริยากับชั้นบรรยากาศแม่เหล็ก

แต่กลุ่มนี้จะไม่ได้มองแค่ดาวพฤหัสเท่านั้น แต่ยังเจาะลึกรายละเอียด เช่น จุดแดงใหญ่ (พายุที่ปั่นป่วนรุนแรงมาก สามารถมองเห็นเป็นจุดที่ใหญ่พอที่จะกลืนโลกทั้งใบได้) และขั้วใต้ของดาวเคราะห์ แสงออโรร่า). พวกเขาจะดูระบบ Jovian ทั้งหมด รวมถึงวงแหวนจางๆ ของดาวเคราะห์และดวงจันทร์ รวมทั้ง Io และ Ganymede

แต่ละเป้าหมายมีความน่าสนใจในตัวของมันเอง ตัวอย่างเช่น ไอโอเป็นสถานที่ที่มีภูเขาไฟปะทุมากที่สุดในระบบสุริยะ และแกนีมีดเป็นดวงจันทร์เพียงดวงเดียวที่รู้จักสร้างแมกนีโตสเฟียร์ของมันเอง เมื่อพิจารณาโดยรวมแล้ว ระบบ Jovian เป็นสถานที่ที่เหมาะสำหรับการทดสอบขีดจำกัดความสามารถของเว็บบ์

มองเข้าไปในอินฟราเรด

เพื่อช่วยในการเรียนรู้เกี่ยวกับหัวข้อที่ซับซ้อนเหล่านี้ กลุ่มของ de Pater จะใช้ประโยชน์จากความสามารถด้านอินฟราเรดของ James Webb ซึ่งช่วยให้นักวิจัยสามารถมองลึกเข้าไปในชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์ได้

ความสามารถเหล่านี้ทำให้สามารถศึกษาบรรยากาศได้เกินกว่าที่จะเป็นไปได้โดยการดูที่ความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ “ในช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ โดยทั่วไปแล้วคุณจะเห็นเมฆ” เธออธิบาย “ที่ความยาวคลื่นอินฟราเรด คุณสามารถตรวจสอบเหนือเมฆและใต้เมฆ ขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น ที่ความยาวคลื่นต่างๆ กัน คุณจะเห็นระดับความสูงต่างๆ ในชั้นบรรยากาศ ขึ้นอยู่กับความทึบแสงในชั้นบรรยากาศ บรรยากาศ (เช่น 'แสง' ที่ถูกดูดกลืนมากเพียงใดที่ความยาวคลื่นใดช่วงหนึ่งจะเป็นตัวกำหนดว่าเราสามารถมองเข้าไปได้ลึกเพียงใด ดาวเคราะห์)."

ประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการวิจัยนี้คือความยาวคลื่นอินฟราเรดกลาง ซึ่งสามารถดูได้โดยใช้ MIRI หรือเครื่องมืออินฟราเรดกลางของเว็บบ์

“ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดอยู่ที่ความยาวคลื่นอินฟราเรดช่วงกลาง” de Pater อธิบาย “เราสังเกตได้จากพื้นดินที่ความยาวคลื่นบางช่วง แต่ชั้นบรรยากาศของโลกปั่นป่วนมาก สิ่งที่เราได้รับจากภาคพื้นดิน เราไม่สามารถปรับเทียบค่าการสังเกตได้ดีนัก” นั่นหมายถึงความไม่แน่นอนที่มากขึ้นในการ ข้อมูล; ปัญหาที่ทวีความรุนแรงขึ้นจากรังสีอินฟราเรดพื้นหลังบนโลก

แต่ด้วยกล้องโทรทรรศน์อวกาศอย่างเจมส์ เวบบ์ ไม่มีชั้นบรรยากาศและรังสีพื้นหลังน้อยกว่าที่จะเข้ามาขวางทาง และนั่นหมายความว่าข้อมูลที่รวบรวมจะมีความแม่นยำมากขึ้น นอกจากนี้ Webb ยังมอบความเสถียรที่ยอดเยี่ยม ซึ่งหมายความว่าสามารถชี้ไปที่เป้าหมายและไม่สั่นคลอนด้วยการวางตำแหน่งในอวกาศ ทั้งหมดนี้หมายความว่าสามารถรวบรวมข้อมูลบางอย่างที่แม่นยำที่สุดบนดาวพฤหัสบดี

ทดสอบขีดจำกัดของเว็บบ์

เมื่อประเมินข้อเสนอว่าจะใช้ James Webb ได้อย่างไร de Pater อธิบาย คณะกรรมการตัดสินใจ โครงการใดที่จะดำเนินการก่อนต้องการเห็นแนวคิดของชุมชนดาราศาสตร์เกี่ยวกับสิ่งที่กล้องโทรทรรศน์สามารถทำได้ ทำ. “ดังนั้น พวกเขาจึงมองหาโครงการที่ผลักดัน JWST ให้ถึงขีดจำกัด” เธอกล่าว “นั่นคือสิ่งที่โครงการของเรากำลังทำอยู่”

พวกเขาจะใช้เครื่องมือทั้งสี่ของ Webb ในการผสมที่แตกต่างกันสำหรับเป้าหมายที่แตกต่างกันในระบบ เพื่อเลือกลักษณะต่างๆ เช่น ภูเขาไฟ วงแหวน และชั้นบรรยากาศของดาวเคราะห์

แผนคือการสำรวจดาวพฤหัสบดี วงแหวน และดวงจันทร์ไอโอและแกนีมีด แต่หลายปีหลังจากที่ทีมส่ง ข้อเสนอของพวกเขามีปัญหาที่ไม่คาดคิดเกิดขึ้น - กล้องโทรทรรศน์นั้นไวเกินไปสำหรับงานส่วนใหญ่ที่วางแผนไว้ ดาวพฤหัสบดี “กล้องโทรทรรศน์มีความไวมากกว่าที่พวกเขาคาดไว้มาก ดังนั้นเราจึงต้องเปลี่ยนการสังเกตดาวพฤหัสบดีจำนวนหนึ่ง และเราสามารถทำอะไรกับดาวพฤหัสบดีได้น้อยกว่าที่เราคาดไว้ในตอนแรก”

แต่ทีมก็ยังรู้ว่าสามารถรับข้อมูลที่มีค่าและหาวิธีทำงานที่พวกเขาต้องการได้ พวกเขาเปลี่ยนปัจจัยต่างๆ เช่น ตัวกรองที่จะใช้ และดูขอบเขตการมองเห็นที่เล็กลง

เหตุใดดาวพฤหัสบดีจึงให้ความท้าทายเช่นนี้

แนวคิดที่ว่ากล้องโทรทรรศน์มีความไวสูงเกินไปอาจฟังดูขัดแย้งกับสัญชาตญาณ แต่ลองคิดดูว่ามันเหมือนกับการถ่ายภาพโดยหันหน้าเข้าหาดวงอาทิตย์ เพราะสีทั้งหมดจะสว่างเกินไป ทุกอย่างจึงดูขาวโพลนไปหมด และยากที่จะเห็นรายละเอียดใดๆ แสงที่มาจากดวงอาทิตย์สว่างเกินไป ทำให้ภาพที่เปิดรับแสงมากเกินไป

สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นเมื่อศึกษาเนื้อหาทางดาราศาสตร์ ดาวเคราะห์ไม่ได้ให้แสงสว่างมากเมื่อเทียบกับดาวฤกษ์ เนื่องจากพวกมันไม่ได้สร้างแสงด้วยตัวเอง แต่เพียงสะท้อนแสงจากดาวฤกษ์ของพวกมัน นั่นทำให้ดาวเคราะห์มีแสงสลัวกว่าดาวโดยรวม แต่เมื่อคุณดูรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ หรือมองหาวัตถุที่เล็กกว่า เช่น ดวงจันทร์ หรือรายละเอียดเล็กๆ เช่น วงแหวน แสงจากดาวเคราะห์ก็สามารถสร้างแสงจ้าในข้อมูลที่คุณกำลังรวบรวมได้

นั่นคือความท้าทายที่ยิ่งใหญ่เมื่อใช้ Webb เพื่อศึกษาดวงจันทร์หรือวงแหวนของดาวพฤหัสบดี นั่นคือการพยายามเปิดรับแสงจากดาวเคราะห์เพื่อให้มองเห็นวัตถุขนาดเล็กเหล่านี้ได้อย่างละเอียด ดาวพฤหัสบดีเป็นหนึ่งในวัตถุที่สว่างที่สุดบนท้องฟ้า ดังนั้นนี่จึงไม่ใช่เรื่องง่าย

โชคดีที่นักดาราศาสตร์มีประสบการณ์มากมายในการสังเกตวงแหวนดาวเคราะห์โดยใช้เครื่องมืออื่นๆ เช่น กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล “ดังนั้นเราจึงใช้ความรู้นั้นสำหรับการสังเกตการณ์ของ JWST” de Pater อธิบาย ทีมงานจะสังเกตวงแหวนที่ "มุมม้วน" ที่แตกต่างกัน ซึ่งหมายความว่าวงแหวนจะเลื่อนไปยังทิศทางที่แตกต่างกันเล็กน้อยบนเครื่องตรวจจับ จากการสังเกตวงแหวนในมุมต่างๆ พวกเขาสามารถเห็นได้ว่าแสงที่กระจัดกระจายจากดาวเคราะห์ตกกระทบวงแหวนอย่างไร จากนั้นแสงนี้จะถูกลบออก เหลือเพียงแสงจากวงแหวนเท่านั้น

ศึกษาดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเราและอื่น ๆ

การใช้เว็บบ์เพื่อศึกษาดาวพฤหัสบดีไม่ได้เป็นเพียงวิธีทดสอบขีดจำกัดของกล้องโทรทรรศน์ใหม่ล่าสุดนี้เท่านั้น การศึกษาดาวเคราะห์ในระบบสุริยะของเรายังสามารถช่วยให้เข้าใจดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่เรียกว่าดาวเคราะห์นอกระบบ

เป้าหมายใหญ่ประการหนึ่งของวิทยาศาสตร์ดาวเคราะห์นอกระบบในปัจจุบันคือการไปไกลกว่าการระบุดาวเคราะห์และการประเมินดาวเคราะห์ ขนาดหรือมวล และเพื่อสร้างความเข้าใจที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นโดยดูว่ามี บรรยากาศ.

แต่การทำความเข้าใจดาวเคราะห์ในระบบที่ห่างไกลนั้น ช่วยให้เข้าใจดาวเคราะห์ในระบบของเราด้วย เวบบ์จะดูชั้นบรรยากาศของดาวก๊าซยักษ์ที่อยู่ห่างไกล ซึ่งเราสามารถเปรียบเทียบได้กับชั้นบรรยากาศของดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์ที่เรารู้จัก

นอกจากนี้ ด้วยการใช้เว็บบ์เพื่อศึกษาดาวพฤหัสบดี ทีมงานของ de Pater จะพัฒนาชุดเครื่องมือที่คนอื่นๆ ในชุมชนดาราศาสตร์สามารถใช้เพื่อศึกษาดาวเคราะห์ดวงอื่นใน ระบบสุริยะของเรา และดูว่าเว็บบ์อาจค้นพบอะไรเกี่ยวกับพวกมันได้บ้าง รวมถึงดาวเคราะห์ห่างไกลที่น่าสนใจและไม่ค่อยได้ศึกษาอย่างดาวยูเรนัสและ ดาวเนปจูน

“ทีมของเราจะพัฒนาซอฟต์แวร์ที่สามารถใช้กับระบบ Jovian ได้ แต่รวมถึงระบบดาวเสาร์ด้วย สำหรับดาวยูเรนัสและดาวเนปจูน และเราสามารถแสดงให้ผู้คนเห็นสิ่งที่คุณคาดหวังได้จากการสังเกตของเรา” de Pater กล่าว “มันเป็นเส้นทางที่แน่นอนในทางนั้น”

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• นี่คือเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าสิ่งมีชีวิตอาจเติบโตบนดาวศุกร์ 'ดาวเคราะห์นรก'
• ซูมเข้าไปในภาพอันน่าทึ่งของ James Webb เพื่อดูดาราจักรที่ก่อตัวขึ้นเมื่อ 13.4 พันล้านปีก่อน
• James Webb ตรวจพบหลุมดำมวลมหาศาลที่อยู่ไกลที่สุดเท่าที่เคยค้นพบ
• เจมส์ เว็บบ์พบเงื่อนงำของโครงสร้างขนาดใหญ่ของเอกภพ
• James Webb ตรวจพบโมเลกุลสำคัญในเนบิวลานายพรานที่น่าทึ่ง