Космический телескоп Джеймса Уэбба ускорит нашу охоту за экзопланетами
Когда только что запущенный космический телескоп Джеймса Уэбба полностью развернется и появится в сети, он станет для астрономов не просто еще одним инструментом для исследования Вселенной. Благодаря передовой технологии спектроскопии он сможет всматриваться в темноту космоса и видеть далекие объекты с большей детализацией, чем когда-либо прежде – намного лучше, чем его предшественник, космический телескоп Хаббла. Это произведет революцию в нашем понимании экзопланет и даже может помочь нам узнать, откуда мы пришли и где еще во Вселенной можно было бы жить.
Чтобы получить представление о том, как космический телескоп Джеймса Уэбба поможет нам изучать вращающиеся шары горных пород за триллионы миль (и почему астрономы хотят этого), мы поговорили с двумя исследователями, которые будут работать с Джеймсом Уэббом после его развертывания: Нестором Эспинозой из Научный институт космического телескопа и Антонелла Нота из Европейского космического агентства (ЕКА).
Гигантский скачок вперед
В последние годы исследователи идентифицировали планеты за пределами нашей Солнечной системы с помощью телескопов, таких как TESS (транзитный спутник исследования экзопланет) или космического телескопа Кеплера . Они могут смотреть на самые яркие звезды и видеть изменения их яркости, когда планета проходит между ними и нами, используя технику, называемую методом транзита . Это впечатляющий подвиг научного наблюдения, но он мало что говорит нам о том, на что похожи эти планеты – только их приблизительный размер, а иногда и их масса.
Если мы хотим знать, что такое планета – есть ли у нее атмосфера? из чего он состоит? есть ли в небе облака? там вода? – нам нужно смотреть гораздо более подробно. Это то, что собирается сделать Уэбб, но это серьезная техническая проблема. Вот почему НАСА, ЕКА и Канадское космическое агентство (CSA) вместе работают над этим проектом.
«Уэбб в сто раз более чувствителен, чем Хаббл, и благодаря этому Уэбб сможет выявить мельчайшие детали в самых дальних уголках очень далекой Вселенной с великолепным разрешением», – пояснил Нота.
Хотя Хаббл использовался, чтобы больше узнать об экзопланетах, Эспиноза сказал, что «взгляд, который он дает вам, очень узок. Возможно, это дает вам одну особенность ». Для сравнения, по его словам, Уэбб будет «умопомрачительным», поскольку он позволит нам увидеть сразу несколько особенностей и взглянуть на планеты меньшего размера. «Это будет наше первое изменение, которое позволит нам рассматривать более мелкие планеты во всех деталях».
Хаббл также работает с длиной волны видимого света, получая изображения в видимом диапазоне света. Но Джеймс Уэбб будет работать в инфракрасном диапазоне, который сможет различать различные детали и заглядывать сквозь непрозрачную пыль, «открывая окно во Вселенную, которая будет совершенно новой», как выразился Нота.
Хаббл и Уэбб смогут работать вместе, собирая дополнительные данные по одним и тем же целям. Так что, если вам нравятся красивые снимки космоса, сделанные Хабблом , не волнуйтесь, они никуда не денутся. Мы просто получим еще один инструмент для еще более глубокого понимания.
«Джеймс Уэбб будет революционером. Буквально революционный », – сказал Эспиноза. «Это позволит нам увидеть то, что мы давно ожидали обнаружить, но у нас не было технологий, чтобы увидеть, и я почти уверен, что он обнаружит то, о чем мы не думаем».
Обновление технологии Хаббла 1980-х годов
Исследователи проделали замечательную работу и узнали об экзопланетах с помощью доступных в настоящее время инструментов, открыв более 4000 экзопланет. Однако это поле появилось совсем недавно: первые планеты за пределами нашей Солнечной системы были идентифицированы в 1990-х годах. Это означает, что многие инструменты нынешнего поколения, такие как Хаббл, никогда не разрабатывались с учетом изучения экзопланет.
«Хаббл – это технология 80-х», – сказал Эспиноза. «Ничего против 80-х – я люблю 80-е, особенно музыку! – но технологии сильно изменились. Те детекторы, которые у нас были тогда, – ничто по сравнению с теми детекторами, которые есть у нас сейчас ».
Джеймс Уэбб, с другой стороны, был разработан с особым намерением, чтобы его можно было использовать для характеристики экзопланет, и это было в авангарде принципов его проектирования. Например, когда Уэбб указывает на звезду, она будет указывать на конкретный пиксель с очень высокой точностью и вообще не будет двигаться, что позволяет исследователям очень точно измерять любые провалы яркости, которые могут дать подсказки для планеты на орбите. .
Такой уровень точности позволяет Уэббу выполнять свою самую захватывающую функцию, связанную с экзопланетой: определять, есть ли у экзопланеты атмосфера и из чего она состоит. «Маленькие детали, которые имеют огромное значение, когда вы пытаетесь обнаружить атмосферы экзопланет», – объяснил Эспиноза.
Исследование экзопланет с помощью инфракрасного света
Хотя исследователи придумали несколько очень креативных способов обнаружения атмосфер экзопланет , современные инструменты не для этого предназначены. Вот почему возможности Уэбба будут такими революционными.
Чтобы заглянуть во Вселенную, у Уэбба есть четыре инструмента, которые будут смотреть в инфракрасном диапазоне. К ним относятся камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec). Затем есть датчик точного наведения / тепловизор ближнего инфракрасного диапазона и бесщелевой спектрограф (FGS / NIRISS), которые, как следует из их названия, будут смотреть в ближнем инфракрасном диапазоне. Наконец, есть прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI), который просматривает широкий диапазон в дальнем инфракрасном диапазоне.
Но это чувствительные инструменты, и для их работы требуется тщательно поддерживаемая среда. Так что окружающие их технологии тоже должны быть передовыми.
«Уэбб полон новых сложных технологий, от чувствительных ИК-детекторов до пятислойного тонкого каптонового солнцезащитного козырька размером с теннисный корт, который защитит приборы от солнечного излучения и позволит телескопу и детекторам достичь температуры холода, необходимой для наблюдения в инфракрасном диапазоне », – сказал Нота.
Она также указала на мелкие детали на инструментах, такие как микрозатвор NIRSpec, который представляет собой набор крошечных окон с ставнями размером в несколько человеческих волос. Это позволит прибору одновременно наблюдать сотни объектов. «Абсолютно впервые в космической астрономии, где спектроскопия традиционно проводится по одному объекту за раз», – сказал Нота.
Понимание откуда мы пришли
Стремление увидеть, есть ли на далекой планете атмосфера, – это не просто научный успех или праздное любопытство по поводу того, на что похожи эти далекие места. Скорее, это ключ к пониманию того, как создаются планеты, включая нашу.
Когда дело доходит до понимания того, как сформировалась наша солнечная система, исследователи запускают модели и пытаются понять, как мы могли получить состав планет, который мы видим. «Но в настоящее время у нас размер выборки один», – отметил Эспиноза. "Наша Солнечная система. Вот и все. Сейчас мы живем в эпоху, когда мы можем вглядываться в состав других солнечных систем. И то, как форма планет определяет их химический состав ».
Поэтому, когда мы смотрим на атмосферу далекой экзопланеты, мы узнаем, как она возникла. И исходя из этого, мы можем построить картину того, как образуются планеты и солнечные системы, основываясь на большем количестве случаев, чем только тот, что был у нас на заднем дворе. «Таким образом, получение этих намеков на сигнатуры образования на этих экзопланетах через химию, которую мы наблюдаем в их атмосферах, является абсолютно необходимым для нас, чтобы понять, как они возникли, и, следовательно, как мы возникли», – сказал он.
Охота за обитаемостью
Возможно, самая захватывающая причина взглянуть на атмосферы экзопланет – это понять, где еще во вселенной жизнь могла бы процветать. «Один из ключевых вопросов, который будет изучать Уэбб, – это происхождение жизни», – сказал Нота. «Существует огромное количество разнообразных экзомиров, больше, чем мы могли представить. Есть газовые планеты размером с Юпитер, вращающиеся очень близко к своей звезде, огромные скалистые «суперземли» и «теплые Нептуны». В некоторых из них могут быть подходящие температурные условия и подходящий состав для жизни ».
Но, по словам Эспинозы, для определения пригодности планеты для жизни недостаточно просто знать ее размер и массу. В конце концов, когда мы находим планету размером с Землю и аналогичной массой, люди часто предполагают, что это будет место, подобное Земле. Но Венера и Марс примерно схожи по размеру и массе с Землей, и у них есть атмосферы, которые крайне негостеприимны для нашей формы жизни. «Венера – худшее место для отпуска!» – шутил он, с его огромным давлением и ядовитой атмосферой, полной углекислого газа. Марс не намного лучше, с его чрезвычайно тонкой, недоступной для дыхания атмосферой, которая составляет всего 1% плотности нашей атмосферы на Земле.
Итак, нам нужно знать об атмосфере, чтобы знать, пригодна ли для жизни отдельная планета. И что еще более важно, чтобы оценить количество пригодных для жизни планет, нам нужно знать, какие типы атмосфер типичны для планет такого размера, как наша. «Какая самая обычная атмосфера, которую создает природа?» – спросил Эспиноза. «Это может быть похоже на Венеру или Марс, а Земля – исключение». Или может быть, что атмосфера земного типа типична, а количество потенциально обитаемых планет там огромно.
Достижение неизвестного
Уэбб будет смотреть не только на экзопланеты. Он будет выполнять широкий спектр исследований, от взгляда на самые ранние фазы Вселенной, чтобы увидеть формирование первых галактик, до наблюдения за тем, как звезды рождаются из кружащейся пыли и газа. Планируя первый год научных исследований , мы лишь поверхностно представляем себе, для чего этот новый инструмент может быть использован. Придется подождать и посмотреть, какие еще астрономические чудеса он сможет разгадать.
«Я думаю, что самым большим открытием будет то, чего никто не ожидал», – сказал Нота. «Тот, который изменит наше видение Вселенной, тот, который определит, может быть, раз и навсегда, каково наше место во Вселенной».