กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์เวบบ์จะตามล่าหาดาวเคราะห์นอกระบบได้อย่างไร

เมื่อ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์ ที่เพิ่งเปิดตัวใหม่ เปิดเผยอย่างเต็มที่และออนไลน์ มันจะไม่ใช่แค่เครื่องมือสำหรับนักดาราศาสตร์ในการสำรวจจักรวาลอีกต่อไป ด้วยเทคโนโลยีสเปกโทรสโกปีที่ล้ำสมัย จะสามารถมองออกไปในความมืดมิดของอวกาศและ มองเห็นวัตถุที่อยู่ห่างไกลได้อย่างละเอียดมากขึ้นกว่าที่เคย — มากกว่าฮับเบิลสเปซรุ่นก่อนๆ กล้องโทรทรรศน์. มันจะปฏิวัติความเข้าใจของเราเกี่ยวกับดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ และอาจช่วยให้เราเรียนรู้ว่าเรามาจากไหนและที่ใดในจักรวาลที่อาจอาศัยอยู่ได้

เพื่อทำความเข้าใจว่ากล้องโทรทรรศน์อวกาศเจมส์ เวบบ์จะช่วยเราศึกษาลูกบอลที่หมุนอยู่ไกลออกไปหลายล้านล้านไมล์ได้อย่างไร (และทำไมนักดาราศาสตร์ถึงต้องการ) เราได้พูดคุยกับสองคน นักวิจัยที่จะทำงานร่วมกับเจมส์ เวบบ์หลังการติดตั้ง: Néstor Espinoza จากสถาบันวิทยาศาสตร์กล้องโทรทรรศน์อวกาศ และ Antonella Nota จาก European Space Agency (อีเอสเอ).

ก้าวกระโดดครั้งใหญ่

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ระบุดาวเคราะห์ที่อยู่นอกระบบสุริยะของเราโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ที่คล้ายกัน เทส (ดาวเทียมสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบทรานซิติ้ง) หรือ กล้องโทรทรรศน์อวกาศเคปเลอร์. สิ่งเหล่านี้สามารถมองดูดาวฤกษ์ที่สว่างที่สุดและเห็นการเปลี่ยนแปลงความสว่างของพวกมันเมื่อดาวเคราะห์โคจรผ่านระหว่างพวกมันกับเราโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่า วิธีการขนส่ง. นี่เป็นความสำเร็จที่น่าประทับใจในการสังเกตทางวิทยาศาสตร์ แต่ไม่ได้บอกเรามากนักว่าดาวเคราะห์เหล่านั้นเป็นอย่างไร แค่ขนาดโดยประมาณและมวลของพวกมันในบางครั้งเท่านั้น

ถ้าเราอยากรู้ว่าดาวเคราะห์เป็นอย่างไร มันมีชั้นบรรยากาศหรือไม่? มันประกอบด้วยอะไร? มีเมฆบนท้องฟ้าไหม? ที่นั่นมีน้ำไหม? — เราต้องดูรายละเอียดให้มากขึ้น นั่นคือสิ่งที่เวบบ์กำลังจะทำ แต่มันเป็นความท้าทายทางเทคนิคครั้งใหญ่ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไม NASA, ESA และ Canadian Space Agency (CSA) จึงทำงานร่วมกันในโครงการนี้

“เวบบ์มีความอ่อนไหวมากกว่าฮับเบิลเป็นร้อยเท่า และด้วยเหตุนี้ เวบบ์จึงสามารถเปิดเผยได้ รายละเอียดอันเลือนลางในมุมที่ไกลที่สุดของจักรวาลอันห่างไกล ด้วยความละเอียดอันวิจิตรบรรจง” Nota อธิบาย

ในขณะที่ฮับเบิลเคยชินกับ เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับดาวเคราะห์นอกระบบ เอสปิโนซากล่าวว่า “มุมมองที่มันให้นั้นแคบมาก มันอาจให้คุณสมบัติอย่างหนึ่งแก่คุณ” เมื่อเปรียบเทียบแล้ว เขากล่าวว่าเวบบ์จะ "น่าทึ่ง" ซึ่งจะทำให้เราเห็นคุณลักษณะหลายอย่างพร้อมกันและดูดาวเคราะห์ขนาดเล็กกว่าได้ “มันจะเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งแรกของเราที่จะมองดาวเคราะห์ดวงเล็กในรายละเอียดให้มากขึ้น”

ฮับเบิลยังทำงานในความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ โดยจับภาพในช่วงแสงที่เรามองเห็นได้ แต่เจมส์ เวบบ์จะทำงานในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรดซึ่งสามารถเลือกลักษณะต่างๆ และ มองผ่านฝุ่นที่บดบัง “เปิดหน้าต่างสู่จักรวาลที่จะใหม่หมด” ในฐานะโนต้า วางไว้.

ฮับเบิลและเวบบ์จะสามารถทำงานร่วมกันโดยรวบรวมข้อมูลเสริมบนเป้าหมายเดียวกัน ดังนั้นหากคุณรัก. ภาพสวยๆ ของอวกาศที่ฮับเบิลถ่ายไว้ไม่ต้องกังวล สิ่งเหล่านี้จะไม่หายไป เราจะได้รับเครื่องมืออื่นเพื่อความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

“เจมส์ เวบบ์กำลังจะปฏิวัติ ถือเป็นการปฏิวัติอย่างแท้จริง” เอสปิโนซากล่าว “มันจะทำให้เราเห็นสิ่งที่เราคาดหวังว่าจะตรวจพบมาเป็นเวลานานแต่ไม่ได้ มีเทคโนโลยีให้มองเห็น และฉันค่อนข้างแน่ใจว่ามันจะตรวจจับสิ่งที่เราไม่ได้คิด ของ."

การอัปเดตเทคโนโลยีของฮับเบิลในช่วงปี 1980

นักวิจัยได้ทำงานที่โดดเด่นในการค้นหาและเรียนรู้เกี่ยวกับดาวเคราะห์นอกระบบโดยใช้เครื่องมือที่มีอยู่ในปัจจุบัน โดยค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบมากกว่า 4,000 ดวงจนถึงขณะนี้ อย่างไรก็ตาม ข้อมูลนี้เพิ่งเกิดขึ้นไม่นานนัก โดยมีการระบุดาวเคราะห์ดวงแรกนอกระบบสุริยะของเราในช่วงทศวรรษปี 1990 นั่นหมายความว่าเครื่องมือในยุคปัจจุบันจำนวนมาก เช่น ฮับเบิล ไม่เคยได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงการศึกษาดาวเคราะห์นอกระบบ

“ฮับเบิลเป็นเทคโนโลยีในยุค 80” เอสปิโนซากล่าว “ไม่มีอะไรขัดกับยุค 80 เลย ฉันชอบยุค 80 โดยเฉพาะดนตรี! – แต่เทคโนโลยีมีการพัฒนาไปมาก เครื่องตรวจจับแบบที่เรามีในตอนนั้นไม่มีอะไรเทียบได้กับเครื่องตรวจจับแบบที่เรามีตอนนี้”

ในทางกลับกัน เจมส์ เวบบ์ ได้รับการออกแบบโดยมีจุดประสงค์เฉพาะเพื่อใช้สำหรับการกำหนดลักษณะเฉพาะของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะ และถือเป็นแนวหน้าของหลักการออกแบบ ตัวอย่างเช่น เมื่อ Webb ชี้ไปที่ดาว มันจะชี้ไปที่พิกเซลใดพิกเซลหนึ่งด้วยความแม่นยำสูงมาก และจะไม่ เคลื่อนไหวได้เลย ช่วยให้นักวิจัยสามารถวัดความสว่างที่ลดลงซึ่งอาจให้เบาะแสเกี่ยวกับดาวเคราะห์ได้อย่างแม่นยำมาก วงโคจร

ความแม่นยำระดับนี้ทำให้เวบบ์สามารถทำหน้าที่ที่เกี่ยวข้องกับดาวเคราะห์นอกระบบที่น่าตื่นเต้นที่สุดได้ โดยการตรวจจับว่าดาวเคราะห์นอกระบบมีชั้นบรรยากาศหรือไม่ และชั้นบรรยากาศประกอบด้วยอะไรบ้าง “รายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ที่มีความสำคัญมากมายเมื่อคุณพยายามตรวจจับบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบ” เอสปิโนซาอธิบาย

การสำรวจดาวเคราะห์นอกระบบโดยใช้แสงอินฟราเรด

แม้ว่านักวิจัยจะมีความคิดมาบ้าง วิธีที่สร้างสรรค์มาก ถึง ตรวจจับบรรยากาศดาวเคราะห์นอกระบบไม่ใช่สิ่งที่เครื่องมือในปัจจุบันได้รับการออกแบบมาให้ทำ นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมความสามารถของ Webb ถึงปฏิวัติวงการมาก

ในการมองออกไปในจักรวาล เวบบ์มีเครื่องมือสี่ชนิดซึ่งจะตรวจดูในช่วงความยาวคลื่นอินฟราเรด ได้แก่กล้องอินฟราเรดใกล้ (NIRCam) และสเปกโตรกราฟอินฟราเรดใกล้ (NIRSpec) นอกจากนี้ยังมีเซ็นเซอร์นำทางละเอียด/เครื่องสร้างภาพอินฟราเรดใกล้ และสเปกโตรกราฟแบบไม่มีรอยต่อ (FGS/NIRISS) ซึ่งจะมองในย่านความถี่ใกล้อินฟราเรดตามชื่อ ในที่สุดก็มี Mid-Infrared Instrument (MIRI) ซึ่งตรวจดูช่วงอินฟราเรดไกลได้หลากหลาย

แต่สิ่งเหล่านี้เป็นเครื่องมือที่มีความละเอียดอ่อน และจำเป็นต้องมีสภาพแวดล้อมที่ได้รับการดูแลอย่างระมัดระวังจึงจะทำงานได้ ดังนั้นเทคโนโลยีรอบตัวจึงต้องล้ำสมัยเช่นกัน

“เวบบ์เต็มไปด้วยเทคโนโลยีใหม่ที่ซับซ้อน ตั้งแต่เครื่องตรวจจับ IR ที่ละเอียดอ่อน ไปจนถึงแผงบังแดด Kapton แบบบางขนาดเท่าสนามเทนนิส 5 ชั้นที่จะช่วยปกป้อง เครื่องมือวัดจากรังสีดวงอาทิตย์และจะทำให้กล้องโทรทรรศน์และเครื่องตรวจจับสามารถเข้าถึงอุณหภูมิเย็นที่จำเป็นในการสังเกตในอินฟราเรด” หมายเหตุ พูดว่า.

นอกจากนี้ เธอยังชี้ให้เห็นรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ของเครื่องมือต่างๆ เช่น ไมโครชัตเตอร์ของ NIRSpec ซึ่งเป็นชุดหน้าต่างบานเกล็ดเล็กๆ ขนาดเท่าเส้นผมของมนุษย์ ซึ่งจะช่วยให้เครื่องมือสามารถสังเกตวัตถุได้หลายร้อยชิ้นในเวลาเดียวกัน “เป็นครั้งแรกในดาราศาสตร์อวกาศโดยสเปกโทรสโกปีจะทำวัตถุทีละวัตถุ” โนตากล่าว

เข้าใจว่าเรามาจากไหน

แรงผลักดันในการดูว่าดาวเคราะห์ที่อยู่ห่างไกลมีชั้นบรรยากาศหรือไม่ ไม่ใช่แค่ความเจริญรุ่งเรืองทางวิทยาศาสตร์ หรือความอยากรู้อยากเห็นเฉยๆ ว่าสถานที่ห่างไกลเหล่านี้เป็นอย่างไร แต่สิ่งสำคัญคือการทำความเข้าใจว่าดาวเคราะห์ต่างๆ รวมถึงของเราเองถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร

เมื่อพูดถึงการทำความเข้าใจว่าระบบสุริยะของเราก่อตัวอย่างไร นักวิจัยใช้แบบจำลองและพยายามดูว่าเราจะลงเอยด้วยองค์ประกอบของดาวเคราะห์ที่เราเห็นได้อย่างไร “แต่ขณะนี้เรามีขนาดตัวอย่างอยู่ที่หนึ่ง” เอสปิโนซาชี้ให้เห็น “ระบบสุริยะของเรา แค่นั้นแหละ. ตอนนี้เราอยู่ในยุคที่เราสามารถมองดูองค์ประกอบของระบบสุริยะอื่นๆ ได้ และรูปแบบของดาวเคราะห์เป็นตัวกำหนดองค์ประกอบทางเคมีของพวกมันอย่างไร”

ดังนั้น เมื่อเราดูบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะที่อยู่ห่างไกล เราก็เรียนรู้ว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร จากนั้น เราสามารถสร้างภาพว่าดาวเคราะห์และระบบสุริยะก่อตัวอย่างไร โดยอาศัยกรณีอื่นๆ ที่เกิดขึ้นในสวนหลังบ้านของเรา “ดังนั้น การได้รับสัญญาณบ่งชี้การก่อตัวในดาวเคราะห์นอกระบบเหล่านี้ผ่านเคมีที่เราสังเกตเห็นในดาวเคราะห์นอกระบบเหล่านี้ บรรยากาศเป็นพื้นฐานอย่างยิ่งสำหรับเราที่จะเข้าใจว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร และด้วยเหตุนี้เราจึงเกิดมาได้อย่างไร” เขากล่าว พูดว่า.

การล่าสัตว์เพื่อความอยู่อาศัย

บางทีเหตุผลที่น่าตื่นเต้นที่สุดในการดูบรรยากาศของดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะคือการทำความเข้าใจว่าชีวิตในจักรวาลอาจเจริญรุ่งเรืองได้ที่ใด “หนึ่งในคำถามสำคัญที่เวบบ์จะศึกษาคือต้นกำเนิดของชีวิต” โนตากล่าว “มีโลกภายนอกมากมายหลายประเภท มากกว่าที่เราจินตนาการได้ มีดาวเคราะห์ก๊าซขนาดเท่าดาวพฤหัสที่โคจรใกล้ดาวฤกษ์ของมันมาก มีหินขนาดยักษ์ 'ซุปเปอร์เอิร์ธ' และ 'อุ่น' ดาวเนปจูน' บางส่วนอาจมีสภาวะอุณหภูมิที่เหมาะสมและมีองค์ประกอบที่เหมาะสมในการเป็นเจ้าภาพ ชีวิต."

แต่เพื่อตรวจสอบว่าดาวเคราะห์สามารถอยู่อาศัยได้หรือไม่ เอสปิโนซากล่าวว่า แค่รู้ขนาดและมวลของมันเท่านั้นยังไม่พอ ท้ายที่สุดแล้ว เมื่อเราพบดาวเคราะห์ที่มีขนาดเท่าโลกและมีมวลใกล้เคียงกัน ผู้คนมักคิดว่าดาวเคราะห์ดวงนั้นจะมีลักษณะคล้ายโลก แต่ดาวศุกร์และดาวอังคารมีขนาดและมวลใกล้เคียงกับโลก และมีชั้นบรรยากาศที่ไม่เอื้ออำนวยต่อรูปแบบชีวิตของเราอย่างยิ่ง “วีนัสเป็นสถานที่ที่แย่ที่สุดในการไปเที่ยวพักผ่อน!” เขาพูดติดตลกด้วยความกดดันมหาศาลและบรรยากาศที่เป็นพิษซึ่งเต็มไปด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ ดาวอังคารไม่ได้ดีไปกว่านี้อีกแล้ว เนื่องจากมีชั้นบรรยากาศที่บางเฉียบและหายใจไม่ออกซึ่งมีความหนาแน่นเพียง 1% ของชั้นบรรยากาศของเราบนโลก

ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องรู้เกี่ยวกับบรรยากาศเพื่อดูว่าดาวเคราะห์แต่ละดวงสามารถอยู่อาศัยได้หรือไม่ และที่สำคัญกว่านั้น ในการประมาณว่ามีดาวเคราะห์ที่สามารถเอื้ออาศัยได้อยู่ข้างนอกนั่นกี่ดวง เราจำเป็นต้องรู้ว่าชั้นบรรยากาศแบบใดโดยทั่วไปสำหรับดาวเคราะห์ที่มีขนาดเท่ากับเรา “บรรยากาศใดที่ธรรมชาติสร้างขึ้นได้บ่อยที่สุด” เอสปิโนซาถาม “มันอาจจะคล้ายดาวศุกร์หรือดาวอังคารก็ได้ และโลกก็เป็นสิ่งที่ผิดปกติ” หรืออาจเป็นไปได้ว่าชั้นบรรยากาศคล้ายโลกเป็นเรื่องปกติ และจำนวนดาวเคราะห์ที่อาจเอื้ออาศัยได้มีอยู่เป็นจำนวนมาก

เข้าถึงสิ่งที่ไม่รู้จัก

เวบบ์จะไม่เพียงแต่ดูดาวเคราะห์นอกระบบเท่านั้น โดยจะทำการวิจัยมากมาย ตั้งแต่การมองย้อนกลับไปในระยะแรกสุดของเอกภพไปจนถึงการก่อตัวกาแลคซีแรกๆ ไปจนถึงการดูว่าดาวฤกษ์เกิดจากฝุ่นและก๊าซที่หมุนวนอย่างไร ของมันด้วย วางแผนปฏิบัติการวิทยาศาสตร์ปีแรกเราแค่เพียงเจาะลึกว่าเครื่องมือใหม่นี้สามารถนำไปใช้ทำอะไรได้บ้าง เราจะต้องรอดูว่าสิ่งมหัศจรรย์ทางดาราศาสตร์อื่น ๆ ใดบ้างที่สามารถคลี่คลายได้

“ผมคิดว่าการค้นพบครั้งใหญ่ที่สุดจะเป็นการค้นพบที่ไม่มีใครคาดคิด” Nota กล่าว “สิ่งที่จะเปลี่ยนวิธีที่เรามองจักรวาล สิ่งที่จะกำหนด อาจจะเป็นครั้งเดียวสำหรับทั้งหมด ว่าสถานที่ของเราในจักรวาลคืออะไร”

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• เจมส์ เวบบ์ ตรวจพบฝุ่นโบราณที่อาจมาจากซูเปอร์โนวายุคแรกๆ
• ซูมเข้าไปในภาพ James Webb อันน่าทึ่งเพื่อดูกาแลคซีที่ก่อตัวเมื่อ 13.4 พันล้านปีก่อน
• เจมส์ เวบบ์ ค้นพบหลุมดำมวลมหาศาลที่ยังคุกรุ่นอยู่ไกลที่สุดเท่าที่เคยค้นพบมา
• เจมส์ เวบบ์ค้นพบเบาะแสเกี่ยวกับโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล
• เจมส์ เวบบ์ ตรวจพบโมเลกุลที่สำคัญในเนบิวลานายพรานที่น่าทึ่ง