Як космічний телескоп Джеймса Вебба буде шукати екзопланети

Коли щойно запущений космічний телескоп Джеймса Вебба повністю розгорнутий і доступний онлайн, він не буде просто ще одним інструментом для астрономів, щоб досліджувати Всесвіт. Завдяки передовій технології спектроскопії він зможе вдивлятися в темряву космосу та бачити віддалені об’єкти більш детально, ніж будь-коли раніше — набагато краще, ніж його попередник, космос Хаббла Телескоп. Це революціонізує наше розуміння екзопланет і може навіть допомогти нам дізнатися, звідки ми прийшли і де ще у Всесвіті може бути придатним для життя.

Щоб зрозуміти, як космічний телескоп Джеймса Вебба допоможе нам досліджувати обертові кулі каміння за трильйони миль (і чому цього хочуть астрономи), ми поговорили з двома дослідники, які працюватимуть з Джеймсом Веббом після розгортання: Нестор Еспіноза з Наукового інституту космічного телескопа та Антонелла Нота з Європейського космічного агентства (ESA).

Гігантський стрибок вперед

В останні роки дослідники ідентифікували планети за межами нашої Сонячної системи за допомогою таких телескопів, як ТЕСС (Transiting Exoplanet Survey Satellite) або Космічний телескоп Кеплер. Вони здатні дивитися на найяскравіші зірки та бачити зміни в їх яскравості, коли планета проходить між ними та нами, використовуючи техніку, яка називається транзитний спосіб. Це вражаючий результат наукових спостережень, але він не говорить нам багато про те, як виглядають ці планети — лише їхній приблизний розмір і іноді їх масу.

Якщо ми хочемо знати, що таке планета — чи є у неї атмосфера? з чого він складається? є хмари на небі? там є вода? — нам потрібно розглянути набагато, набагато детальніше. Це те, що Вебб збирається зробити, але це величезний технічний виклик. Ось чому NASA, ESA та Канадське космічне агентство (CSA) працюють разом над цим проектом.

«Вебб у сто разів чутливіший за Хаббла, і завдяки цьому Вебб зможе розкрити найслабші деталі в найвіддаленіших куточках дуже віддаленого Всесвіту з чудовою роздільною здатністю», Nota пояснив.

Хоча Хаббл звик дізнатися більше про екзопланети, Еспіноза сказав: «Погляд, який він дає, дуже вузький. Можливо, це дає вам одну особливість». Для порівняння, за його словами, Вебб буде «запаморочливим», дозволяючи нам бачити декілька особливостей одночасно та дивитися на менші планети. «Це буде наша перша зміна, щоб детально розглянути менші планети».

Хаббл також працює з довжиною хвилі видимого світла, знімаючи зображення в діапазоні світла, який ми можемо бачити. Але Джеймс Вебб працюватиме в інфрачервоному випромінюванні, яке може виділяти різні особливості та вдивлятися крізь затемнений пил, «відкриваючи вікно у всесвіт, який буде абсолютно новим», як сказав Нота поклади це.

Хаббл і Вебб зможуть працювати разом, збираючи додаткові дані про ті самі цілі. Тож якщо ви любите чудові зображення космосу, зроблені Хабблом, не хвилюйтеся, вони не зникнуть. Ми просто отримаємо ще один інструмент для ще глибшого розуміння.

«Джеймс Вебб буде революціонером. Буквально революційно», – сказав Еспіноза. «Це дозволить нам побачити речі, які ми давно очікували виявити, але так і не вдалося виявити. мав технологію, щоб побачити, і я майже впевнений, що він збирається виявляти речі, про які ми не думаємо з.”

Оновлення технології Хаббла 1980-х років

Дослідники виконали надзвичайну роботу, знайшовши екзопланети та дізнавшись про них, використовуючи доступні інструменти, виявивши наразі понад 4000 екзопланет. Однак це поле з’явилося зовсім недавно, перші планети за межами нашої Сонячної системи були ідентифіковані в 1990-х роках. Це означає, що багато інструментів нинішнього покоління, як-от Хаббл, ніколи не розроблялися з урахуванням вивчення екзопланет.

«Хаббл — це технологія 80-х», — сказав Еспіноза. «Нічого проти 80-х – я люблю 80-ті, особливо музику! – але технологія дуже розвинулася. Детектори, які ми мали тоді, ніщо в порівнянні з тими, які ми маємо зараз».

З іншого боку, Джеймс Вебб був розроблений з особливим наміром використовувати його для визначення характеристик екзопланет, і це було в авангарді його принципів проектування. Наприклад, коли Вебб вказує на зірку, він вказує на певний піксель із дуже високою точністю й не рухатися взагалі, дозволяючи дослідникам дуже точно вимірювати будь-які падіння яскравості, які можуть дати ключ до планети в орбіта.

Цей рівень точності дозволяє Веббу виконувати свою найцікавішу функцію, пов’язану з екзопланетами: визначати, чи є на екзопланеті атмосфера, і з чого ця атмосфера складається. «Маленькі деталі, які мають величезне значення, коли ви намагаєтесь виявити атмосферу екзопланет», — пояснив Еспіноза.

Дослідження екзопланет за допомогою інфрачервоного світла

Хоча дослідники придумали деякі дуже творчі способи до виявляти атмосфери екзопланет, це не те, для чого розроблені поточні інструменти. Ось чому можливості Webb будуть такими революційними.

Щоб зазирнути у всесвіт, Вебб має чотири інструменти, які дивитимуться в інфрачервоному діапазоні. Вони включають камеру ближнього інфрачервоного діапазону (NIRCam) і спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону (NIRSpec). Крім того, є датчик точного наведення/камера ближнього інфрачервоного діапазону та безщілинний спектрограф (FGS/NIRISS), які, як випливає з назви, будуть дивитися в ближньому інфрачервоному діапазоні. Нарешті, є інструмент середнього інфрачервоного діапазону (MIRI), який переглядає широкий діапазон у далекому інфрачервоному діапазоні.

Але це чутливі інструменти, і для їх роботи потрібне ретельно підтримуване середовище. Тож технологія навколо них також має бути передовою.

«Вебб володіє всіма новими, складними технологіями, від чутливих ІЧ-детекторів до п’ятишарового тонкого каптонового сонцезахисного екрану розміром з тенісний корт, який захистить прилади від сонячного випромінювання та дозволять телескопу та детекторам досягти холодної температури, необхідної для спостережень в інфрачервоному діапазоні», – Nota сказав.

Вона також звернула увагу на дрібні деталі інструментів, як-от масив мікрозатворів NIRSpec, який являє собою набір крихітних вікон із жалюзі розміром із кілька людських волосин. Це дозволить приладу спостерігати за сотнями об’єктів одночасно. «Абсолютно перший у космічній астрономії, де спектроскопія традиційно виконується по одному об’єкту за раз», — сказав Нота.

Розуміння того, звідки ми прийшли

Поштовх до того, щоб дізнатися, чи є на далекій планеті атмосфера, — це не просто науковий розквіт чи пуста цікавість щодо того, якими є ці далекі місця. Швидше, це ключ до розуміння того, як створюються планети, включно з нашою.

Коли справа доходить до розуміння того, як утворилася наша Сонячна система, дослідники запускають моделі та намагаються зрозуміти, як ми могли отримати такий склад планет, який ми бачимо. «Але зараз ми маємо розмір вибірки один», — зазначив Еспіноза. «Наша сонячна система. Це воно. Зараз ми живемо в епоху, коли ми можемо вдивлятися в склади інших сонячних систем. І те, як формуються планети, визначає їхній хімічний склад».

Отже, дивлячись на атмосферу віддаленої екзопланети, ми дізнаємося про те, як вона виникла. І з цього ми можемо побудувати картину того, як формуються планети та сонячні системи на основі більшої кількості випадків, ніж лише на нашому задньому дворі. «Тож отримати ці натяки на ознаки утворення на цих екзопланетах завдяки хімії, яку ми спостерігаємо в їхніх атмосфера абсолютно необхідна для того, щоб зрозуміти, як вони виникли, і, отже, як ми виникли», – він сказав.

Полювання на жилість

Мабуть, найцікавіша причина подивитися на атмосфери екзопланет — це зрозуміти, де ще у Всесвіті могло б процвітати життя. «Одне з ключових питань, яке вивчатиме Вебб, — це походження життя», — сказав Нота. «Існує величезна різноманітність екзосвітів, більше, ніж ми могли собі уявити. Існують газові планети розміром з Юпітер, які обертаються дуже близько до своєї зірки, величезні скелясті «суперземлі» і «теплі планети». Нептун». Деякі з них можуть мати відповідні температурні умови та правильний склад для розміщення життя».

Але щоб визначити, чи придатна планета для життя, за словами Еспінози, недостатньо просто знати її розмір і масу. Зрештою, коли ми знаходимо планету розміром із Землю та такою ж масою, люди часто припускають, що це буде місце, схоже на Землю. Але Венера і Марс мають приблизно такі ж розміри й маси, як Земля, і мають атмосферу, яка надзвичайно непривітна для нашої форми життя. «Венера — найгірше місце для відпустки!» він пожартував, з його величезним тиском і токсичною атмосферою, повною вуглекислого газу. Марс не набагато кращий, з його надзвичайно тонкою, непридатною для дихання атмосферою, яка становить лише 1% щільності нашої атмосфери на Землі.

Тому нам потрібно знати про атмосферу, щоб знати, чи придатна для життя окрема планета. І що ще важливіше, щоб отримати оцінку того, скільки планет, придатних для життя, може бути там, нам потрібно знати, які типи атмосфер типові для планет розміром, подібним до нашої. «Яку найпоширенішу атмосферу створює природа?» — запитала Еспіноза. «Вона може бути схожою на Венеру або Марс, а Земля є винятком». Або це може бути те, що земні атмосфери є типовими, і кількість потенційно придатних для життя планет там величезна.

Потягнутися до невідомого

Вебб розглядатиме не лише екзопланети. Він виконуватиме величезний спектр досліджень, починаючи від огляду на найдавніші фази Всесвіту, щоб побачити формування перших галактик, до спостереження за тим, як зірки народжуються з закрученого пилу та газу. Зі своїм перший рік наукових операцій заплановано, ми лише очищаємо поверхню того, для чого можна використовувати цей новий інструмент. Нам доведеться почекати і подивитися, які ще астрономічні чудеса він зможе розкрити.

«Я думаю, що найбільшим відкриттям буде те, якого ніхто не очікує», — сказав Нота. «Той, який змінить наше бачення Всесвіту, той, який визначить, можливо, раз назавжди, яке наше місце у Всесвіті».

Рекомендації редакції

• Джеймс Вебб помічає стародавній пил, який міг походити від найдавніших наднових
• 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