Перші цілі навчання Джеймса Вебба будуть поблизу дому

Астрономи в усьому світі з нетерпінням чекають нової науки, яка стане можливою як тільки космічний телескоп Джеймса Вебба, найпотужніший у світі космічний телескоп, завершить свою роботу введення в експлуатацію. Відтоді, як телескоп був запущений 25 грудня 2021 року, він розгорнув своє обладнання до остаточної конфігурації, досяг своєї остаточної орбіти навколо Сонця та завершено вирівнювання дзеркал із основною камерою, але ще потрібно виконати такі кроки, як калібрування інструментів, перш ніж він буде готовий наукового використання.

Як тільки завершиться етап введення в експлуатацію, який має завершитися цього літа, почнуться наукові спостереження. І тут все стає цікавим, оскільки висока чутливість телескопа та інфрачервоні можливості дозволяють щоб спостерігати надзвичайно віддалені об’єкти, навіть тьмяніші за ті, які спостерігають за допомогою сучасних космічних телескопів Hubble. Це започаткує нову еру астрономічних спостережень і може допомогти досліджувати такі теми, як широкий діапазон, наприклад, як утворилися перші галактики та чи мають планети в інших зоряних системах атмосферу чи ні.

Було вибрано тринадцять проектів, щоб перевірити можливості цього абсолютно нового телескопа протягом перших п’яти місяців операцій, і, як ви можете собі уявити, була конкуренція за те, які проекти мають першими спробувати цей новий інструмент лютий.

Більшість з Вибрано 13 проектів буде дивитися на віддалені об’єкти, такі як чорні діри або далекі галактики. Але один проект буде виглядати ближче до дому — на Юпітері, прямо на нашому космічному задньому дворі.

Дізнатися про те, що дослідники сподіваються відкрити про цього великого красивого газового гіганта, і з’ясувати, чому така відносно близька ціль використовується для випробування такого потужного телескопа, ми поговорили з астрономом Берклі Імке де Патером, керівником спостереження за Юпітером команда.

Ціла система для дослідження

Порівняно з далекими екзопланетами або навіть більш віддаленими крижаними гігантами в нашій Сонячній системі, астрономи знають багато про Юпітер. У нас є безліч даних про планету завдяки спостереженням за допомогою наземних телескопів і таких місій, як «Галілео», який обертався навколо планети до 2003 року, і Юнона який все ще обертається там зараз.

Але, як це часто буває з наукою, кожен фрагмент даних, який ми отримуємо про планету, може викликати нові запитання. «Ми були там з кількома космічними кораблями і спостерігали планету за допомогою Хаббла та багатьох наземних телескопів на довжинах хвиль у всьому електромагнітному спектрі. (від ультрафіолетового випромінювання до метрової довжини хвилі), тож ми дізналися величезну кількість про сам Юпітер, його атмосферу, інтер’єр, а також про його супутники та кільця», – сказав де. Патер. «Але кожного разу, коли ви дізнаєтеся більше, є речі, які ви ще не розумієте, тому вам завжди потрібно більше даних».

Деякі з найбільших відкритих питань щодо Юпітера стосуються його атмосфера, наприклад, як тепло переміщується між шарами атмосфери та як атмосфера взаємодіє з магнітосферою.

Але група буде дивитися не тільки на сам Юпітер, а й на деталі, такі як Велика червона пляма (бурхливий шторм що його можна розглядати як пляму, досить велику, щоб поглинути всю Землю) і південний полюс планети (з його характерною полярні сяйва). Вони також розглядатимуть всю систему Юпітера, включаючи слабкі кільця планети та її супутники, зокрема Іо та Ганімед.

Кожна з цих цілей інтригує по-своєму — наприклад, Іо — найбільш вулканічно активне місце в Сонячній системі, а Ганімед — єдиний супутник, який, як відомо, створює власну магнітосферу. У цілому система Юпітера є ідеальним місцем для перевірки меж можливостей Вебба.

Вдивляючись в інфрачервоний промінь

Щоб допомогти дізнатися про ці складні теми, група де Патера скористається інфрачервоними можливостями Джеймса Вебба, які дозволять дослідникам зазирнути глибше в атмосферу планети.

Ці можливості дозволяють досліджувати атмосферу за межами того, що було б можливо, дивлячись на довжину хвилі видимого світла. «У видимому діапазоні довжин хвиль ви в основному бачите хмари», — пояснила вона. «На інфрачервоних довжинах хвиль ви можете досліджувати над хмарами та під ними, залежно від довжини хвилі. На різних довжинах хвиль ви можете бачити різні висоти в атмосфері, залежно від непрозорості в атмосфера (тобто скільки «світла» поглинається на певній довжині хвилі визначає, наскільки глибоко можна дивитися в планета).»

Особливо корисними для цього дослідження будуть довжини хвиль середнього інфрачервоного діапазону, які можна переглянути за допомогою приладу Webb MIRI або середнього інфрачервоного діапазону.

«Найбільша перевага — середні інфрачервоні довжини хвиль», — пояснив де Патер. «Ми можемо спостерігати на деяких із цих довжин хвиль із землі, але атмосфера Землі настільки турбулентна, що те, що ми отримуємо на землі, ми не можемо дуже добре відкалібрувати спостереження». Це означає більше невизначеності в дані; проблема, яка посилюється фоновим інфрачервоним випромінюванням на Землі.

Але з таким космічним телескопом, як Джеймс Вебб, немає атмосфери та менше фонового випромінювання, а це означає, що зібрані дані будуть набагато точнішими. Крім того, Webb забезпечує виняткову стабільність, а це означає, що він може вказувати на ціль і не коливатися завдяки своєму позиціонуванню в просторі. Усе це означає, що він може збирати найточніші дані про Юпітер.

Перевірка обмежень Вебба

Оцінюючи пропозиції щодо використання Джеймса Вебба, пояснив де Патер, комітет приймає рішення які проекти продовжувати спочатку хотіли побачити ідеї астрономічної спільноти про те, що телескоп може робити. «Тож вони справді шукали проекти, які довели JWST до меж», — сказала вона. «Це те, що робить наш проект».

Вони використовуватимуть усі чотири інструменти Вебба в різних комбінаціях для різних цілей у системі, щоб вибрати різні елементи, такі як вулкани, кільця та шари атмосфери планети.

У плані було спостерігати за Юпітером, його кільцями та супутниками Іо та Ганімедом, але через кілька років після того, як команда представила У зв’язку з їхньою пропозицією виникла несподівана проблема — телескоп насправді був надто чутливим для більшої частини запланованої роботи Юпітер. «Телескоп виявився набагато чутливішим, ніж вони очікували, тому нам довелося змінити низку наших спостережень на Юпітері — і ми можемо зробити на самому Юпітері менше, ніж ми очікували спочатку».

Але команда все одно знала, що може отримати цінні дані та знайти способи виконувати роботу, яку вони хочуть. Вони змінили фактори, наприклад, які фільтри вони будуть використовувати, і подивилися на менші поля зору.

Чому Юпітер створює такий виклик

Ідея про те, що телескоп надто чутливий, може здатися нелогічною. Але подумайте про це як про фотографування, стоячи обличчям до сонця: усі кольори тьмяніють, тому все виглядає білим і розмитим, і важко розгледіти будь-які деталі. Світло від сонця надто яскраве, що призводить до переекспонованого зображення.

Те ж саме відбувається при вивченні астрономічних тіл. Планети не випромінюють багато світла порівняно зі зірками, оскільки вони не виробляють власне світло, а лише відбивають світло від своїх зірок. Це робить планети набагато тьмянішими, ніж зірки в цілому. Але коли ви розглядаєте дрібні деталі або шукаєте ще менші тіла, як-от супутники, або дрібні деталі, як-от кільця, світло від планети може створювати відблиски в даних, які ви збираєте.

Це велика проблема при використанні Вебба для вивчення супутників або кілець Юпітера: намагатися врахувати світло від планети, щоб ці маленькі об’єкти можна було побачити в деталях. Юпітер є одним із найяскравіших об’єктів на небі, тому це непросте завдання.

На щастя, астрономи мають великий досвід спостереження за кільцями планет за допомогою інших інструментів, таких як космічний телескоп Хаббла. «Тож ми використовуємо ці знання для спостережень JWST», — пояснив де Патер. Команда спостерігатиме за кільцями під різними «кутами повороту», тобто кільця будуть зміщені в дещо іншу орієнтацію на детекторі. Спостерігаючи за кільцями під різними кутами, вони можуть побачити, як розсіяне світло від планети падає на кільця. Потім це світло можна відняти, залишивши лише світло від самих кілець.

Вивчення планет у нашій сонячній системі та за її межами

Використання Вебба для вивчення Юпітера — це не лише спосіб перевірити межі цього абсолютно нового телескопа. Вивчення планет у нашій сонячній системі також може допомогти зрозуміти планети за межами нашої сонячної системи, які називаються екзопланетами.

Однією з головних цілей науки про екзопланети сьогодні є вийти за рамки ідентифікації планети та оцінки її розміру чи маси, а також щоб створити більш повне розуміння цього, дивлячись на те, чи має він атмосфера.

Але щоб зрозуміти планети у віддалених системах, це допоможе зрозуміти планети в нашій власній. Вебб розглядатиме атмосфери далеких газових гігантів, які потім ми зможемо порівняти з тими, що ми знаємо про атмосфери Юпітера та Сатурна.

Крім того, використовуючи Вебба для вивчення Юпітера, команда де Патера розробить набір інструментів, які можуть використовувати інші члени астрономічної спільноти для вивчення інших планет у нашій Сонячній системі, і дають уявлення про те, що Вебб міг би відкрити про них, включаючи інтригуючі та рідко досліджувані далекі планети Уран і Нептун.

«Наша команда розроблятиме програмне забезпечення, яке можна використовувати для системи Юпітера, а також для системи Сатурна, Урана та Нептуна. І ми можемо показати людям, чого ви можете очікувати на основі наших спостережень», — сказав де Патер. «У цьому плані це, безперечно, пілот».

Рекомендації редакції

• Ось чому вчені вважають, що життя могло процвітати на «пекельній планеті» Венері
• Збільште приголомшливе зображення Джеймса Вебба, щоб побачити галактику, яка утворилася 13,4 мільярда років тому
• Джеймс Вебб помічає найвіддаленішу активну надмасивну чорну діру з коли-небудь виявлених
• Джеймс Вебб знаходить ключі до великомасштабної структури Всесвіту
• Джеймс Вебб виявляє важливу молекулу в приголомшливій туманності Оріона