Одна из первых целей Джеймса Уэбба — Юпитер. Вот почему

Астрономы всего мира с нетерпением ждут новой науки, которая станет возможной после того, как космический телескоп Джеймса Уэбба, самый мощный в мире космический телескоп, завершит ввод в эксплуатацию. С тех пор как телескоп был запущен 25 декабря 2021 года, он развернул свое оборудование в своей окончательной конфигурации, вышел на свою окончательную орбиту вокруг Солнца и завершил выравнивание своих зеркал с основной камерой, но есть еще такие шаги, как калибровка его инструментов для идти до того, как он будет готов для научного использования.

Как только завершится этап ввода в эксплуатацию, который должен завершиться этим летом, начнутся научные наблюдения. И здесь все становится захватывающим, поскольку высокая чувствительность телескопа и возможности инфракрасного излучения позволят ему наблюдать очень удаленные объекты, даже более слабые, чем наблюдаемые современными космическими телескопами, такими как Хаббл. Это откроет новую эру астрономических наблюдений и может помочь в изучении таких разнообразных тем, как формирование первых галактик и наличие атмосфер у планет в других звездных системах.

Тринадцать проектов были выбраны для проверки возможностей этого совершенно нового телескопа в течение первых пяти месяцев его работы, и, как вы можете себе представить, конкуренция за то, какие проекты должны получить первые ставки на этот новый инструмент, была жесткой.

Большинство из 13 выбранных проектов будут смотреть на далекие объекты, такие как черные дыры или далекие галактики. Но один проект будет выглядеть ближе к дому — на Юпитере, прямо на нашем космическом заднем дворе.

Чтобы узнать, что исследователи надеются обнаружить об этом большом, красивом газовом гиганте, и выяснить, почему такая относительно близкая цель используется для тестирования такого мощного телескопа, мы поговорили с астрономом из Беркли Имке де Патер, руководителем исследования Юпитера. группа наблюдения.

Целая система для изучения

По сравнению с далекими экзопланетами или даже более далекими ледяными планетами-гигантами в нашей Солнечной системе астрономы много знают о Юпитере. У нас есть множество данных о планете благодаря как наблюдениям с наземных телескопов, так и таким миссиям, как Галилео, который вращался вокруг планеты до 2003 года, и Юнона , которая все еще находится на ее орбите.

Но, как это часто бывает с наукой, каждая часть данных, которые мы получаем о планете, может вызвать больше вопросов. «Мы были там с несколькими космическими аппаратами и наблюдали планету с помощью «Хаббла» и многих наземных телескопов на длинах волн электромагнитного спектра (от УФ до метровых длин волн), поэтому мы узнали огромное количество информации о самом Юпитере, его атмосферу, интерьер, а также о его лунах и кольцах», — сказал де Патер. «Но каждый раз, когда вы узнаете больше, есть вещи, которые вы еще не понимаете, поэтому вам всегда нужно больше данных».

Некоторые из самых больших открытых вопросов, которые у нас есть о Юпитере, касаются его атмосферы , например, как тепло перемещается между слоями в атмосфере и как атмосфера взаимодействует с магнитосферой.

Но группа будет смотреть не только на сам Юпитер, оттачивая такие детали, как Большое Красное Пятно (турбулентный шторм настолько велик, что его можно рассматривать как пятно, достаточно большое, чтобы поглотить всю Землю) и южный полюс планеты ( с характерными полярными сияниями). Они также будут изучать всю систему Юпитера, включая слабые кольца планеты и ее спутники, включая Ио и Ганимед.

Каждая из этих целей интересна сама по себе — например, Ио — наиболее вулканически активное место в Солнечной системе, а Ганимед — единственный известный спутник, производящий собственную магнитосферу. В целом система Юпитера является идеальным местом для проверки пределов возможностей Уэбба.

Вглядываясь в инфракрасный

Чтобы помочь в изучении этих сложных тем, группа де Патера будет использовать инфракрасные возможности Джеймса Уэбба, которые позволят исследователям глубже заглянуть в атмосферу планеты.

Эти возможности позволяют изучать атмосферу за пределами того, что было бы возможно, глядя в длину волны видимого света. «В видимом диапазоне длин волн вы в основном видите облака», — объяснила она. «В инфракрасном диапазоне вы можете проводить зондирование над облаками и под облаками, в зависимости от длины волны. На разных длинах волн вы можете видеть разные высоты в атмосфере, в зависимости от непрозрачности атмосферы (т. е. то, сколько «света» поглощается на определенной длине волны, определяет, насколько глубоко можно заглянуть в планету)».

Особенно полезными для этого исследования будут длины волн среднего инфракрасного диапазона, которые можно просматривать с помощью Webb's MIRI или Mid-Infrared Instrument.

«Самое большое преимущество — в среднем инфракрасном диапазоне», — пояснил де Патер. «Мы можем наблюдать на некоторых из этих длин волн с земли, но атмосфера Земли настолько турбулентна, что то, что мы получаем на земле, мы не можем очень хорошо откалибровать наблюдения». Это означает большую неопределенность в данных; проблема, которая усугубляется фоновым инфракрасным излучением на Земле.

Но с таким космическим телескопом, как Джеймс Уэбб, на пути нет атмосферы и меньше фонового излучения, а это означает, что собранные данные будут намного точнее. Кроме того, Webb предлагает исключительную стабильность, что означает, что он может указывать на цель и не колебаться благодаря своему расположению в пространстве. Все это означает, что он может собирать одни из самых точных данных о Юпитере.

Проверка пределов возможностей Уэбба

При оценке предложений о том, как можно использовать Джеймса Уэбба, объяснил де Патер, комитет, решающий, какие проекты следует реализовать в первую очередь, хотел ознакомиться с идеями астрономического сообщества о возможностях телескопа. «Поэтому они действительно искали проекты, которые довели бы JWST до предела», — сказала она. «Это то, чем занимается наш проект».

Они будут использовать все четыре инструмента Уэбба в разных комбинациях для разных целей в системе, чтобы выделить различные особенности, такие как вулканы, кольца и слои атмосферы планеты.

План состоял в том, чтобы наблюдать за Юпитером, его кольцами и его спутниками Ио и Ганимедом, но через несколько лет после того, как команда представила свое предложение, возникла неожиданная проблема — телескоп оказался слишком чувствительным для большей части запланированной работы на Юпитере. «Телескоп оказался гораздо более чувствительным, чем они ожидали, поэтому нам пришлось изменить ряд наших наблюдений за Юпитером — и мы можем сделать на самом Юпитере меньше, чем мы изначально предполагали».

Но команда по-прежнему знала, что они могут получить ценные данные и найти способы выполнять работу, которую хотят. Они изменили факторы, например, какие фильтры они будут использовать, и посмотрели на меньшие поля зрения.

Почему Юпитер бросает такой вызов

Идея о том, что телескоп слишком чувствителен, может показаться нелогичной. Но подумайте об этом, как о фотографировании лицом к солнцу: все цвета выцветают, поэтому все кажется белым и размытым, и трудно увидеть какие-либо детали. Свет, исходящий от солнца, слишком яркий, что приводит к переэкспонированию изображения.

То же самое происходит и при изучении астрономических тел. Планеты не излучают много света по сравнению со звездами, поскольку они не излучают собственный свет, а просто отражают свет своих звезд. Это делает планеты намного тусклее, чем звезды в целом. Но когда вы смотрите на крошечные детали или ищете еще более мелкие тела, такие как луны, или на мелкие детали, такие как кольца, свет от планеты может создавать блики в собираемых вами данных.

Это большая проблема при использовании Уэбба для изучения спутников или колец Юпитера: попытаться учесть свет от планеты, чтобы эти маленькие объекты можно было увидеть в деталях. Юпитер — один из самых ярких объектов на небе, так что это непростая задача.

К счастью, у астрономов есть большой опыт наблюдения колец планет с помощью других инструментов, таких как космический телескоп Хаббла. «Поэтому мы используем эти знания для наблюдений JWST», — объяснил де Патер. Команда будет наблюдать за кольцами под разными «углами поворота», что означает, что кольца будут смещаться в несколько иную ориентацию на детекторе. Наблюдая за кольцами под разными углами, они могут увидеть, как на кольца падает рассеянный свет от планеты. Затем этот свет можно вычесть, оставив только свет от самих колец.

Изучение планет в нашей Солнечной системе и за ее пределами

Использование Уэбба для изучения Юпитера — это не только способ проверить возможности этого совершенно нового телескопа. Изучение планет в нашей собственной солнечной системе также может помочь понять планеты за пределами нашей солнечной системы, называемые экзопланетами.

Одна из больших целей науки об экзопланетах сегодня состоит в том, чтобы выйти за рамки идентификации планеты и оценки ее размера или массы, а получить более полное представление о ней, посмотрев, есть ли у нее атмосфера.

Но чтобы понять планеты в далеких системах, нужно понять планеты в нашей собственной. Уэбб будет изучать атмосферы далеких газовых гигантов, которые мы затем сможем сравнить с тем, что мы знаем об атмосферах Юпитера и Сатурна.

Кроме того, используя Уэбба для изучения Юпитера, команда де Патера разработает набор инструментов, которые могут быть использованы другими членами астрономического сообщества для изучения других планет в нашей Солнечной системе, и даст представление о том, что Уэбб мог бы открыть для себя. их — в том числе интригующие и редко изучаемые далекие планеты Уран и Нептун.

«Наша команда разработает программное обеспечение, которое можно будет использовать для системы Юпитера, а также для системы Сатурна, Урана и Нептуна. И мы можем показать людям, чего вы можете ожидать, основываясь на наших наблюдениях», — сказал де Патер. «Это определенно первопроходец в этом смысле».