Wie das Webb-Teleskop uns Planeten wie nie zuvor zeigt

Wenn der James Webb Das Weltraumteleskop (JWST) nimmt diesen Sommer seinen Betrieb auf, Es wird den größten und leistungsstärksten Satz von Spiegeln und Instrumenten, der jemals in den Weltraum geschossen wurde, auf einige der entferntesten und faszinierendsten Ziele im Kosmos ausrichten: die allerersten Sterne und Galaxien, die sich in unserem Universum bilden, natürlich, aber auch Exoplaneten.

JWST ist kein großer Exoplanetenjäger, aber mit seinem 6,5 Meter großen Hauptspiegel und Infrarot-Spektroskopie-Instrumenten perfekt geeignet, um diese fernen Welten genauer als je zuvor zu beobachten. Sagen Sie uns, woraus sie gemacht sind und ob es irgendwelche Lebenszeichen in ihrer Atmosphäre gibt.

Cornell Astrophysiker nikole lewis sagt, sie plane, einen Teil ihrer Beobachtungszeit am JWST der Erforschung des „tiefen Feldes“ WASP-17b zu widmen. Es ist ein „Heißer Jupiter„Exoplanet etwa 1000 Lichtjahre von der Erde entfernt. Das Teleskop wird „80 Stunden damit verbringen, einen einzelnen Planeten in alle Richtungen mit einer Vielzahl von Instrumenten zu betrachten, was es uns ermöglicht, zu verstehen, wie verschiedene Teile des Planeten aussehen“, sagte Lewis. Umkehren. Durch die Kombination von Temperatur-, Wolkenstruktur- und Atmosphärenchemie-Messungen „werden wir wirklich in der Lage sein, ein 3D-Bild davon zu malen, wie dieser sehr heiße Jupiter WASP-17b aussieht“, sagt sie.

Und wie wird ein solcher Exoplanet aussehen? Paradoxerweise wird es nach nichts und nichts aussehen, was wir zuvor gesehen haben. Es ist ein bisschen kompliziert, aber die Ergebnisse können unser Verständnis unseres Platzes im Universum immer noch neu definieren.

Wie werden Exoplaneten für JWST aussehen?

„Vollständige Offenlegung“, sagt Lewis, „wir werden keine hübschen Bilder von Exoplaneten bekommen. JWST ist groß und mächtig und wird Milliarden von Jahren zurücklegen, aber die Auflösung eines entfernten Exoplaneten neben seinem Stern, um wie ein Hubble- oder Voyager-Bild eines Planeten in unserem Sonnensystem auszusehen, ist noch in vollem Gange.

Wir werden Exoplaneten direkt sehen, sagt Lewis, die größeren sowieso, aber sie werden sich als „nur ein Lichtblick“ zeigen.

Seien Sie nicht enttäuscht. Dieser Punkt ist nur der Anfang. JWST wird dazu beitragen, im Laufe der Zeit ein komplexeres Bild entfernter Exoplaneten zu erstellen, indem es sie detaillierter als je zuvor kartiert und vernachlässigte Wellenlängen untersucht.

„Wenn wir die Planeten betrachten, denken wir an sie, wie sie aufgrund des von ihnen reflektierten Lichts optisch aussehen“, sagt Lewis. „Aber wenn Sie wirklich wissen wollen, was sie zum Schwingen bringt, möchten Sie sie im Infraroten betrachten“, als ob Sie wissen möchten, ob es in ihrer Atmosphäre organische Verbindungen gibt.

Das ehrwürdige Hubble-Weltraumteleskop hat erstaunliche Astronomie geleistet, aber es sieht hauptsächlich in optischen, UV- und nahen Infrarotwellenlängen. Das inzwischen in Rente gegangene Spitzer-Weltraumteleskop war auf Infrarot eingestellt, wurde jedoch im Jahr 2020 außer Dienst gestellt, und obwohl Lewis darauf hinweist, dass er großartige Exoplanetenastronomie betrieben hat, war es nie für eine solche Mission ausgelegt.

Es gibt auch bodengebundene Teleskope, die im Infraroten sehen können, aber bestimmte Wellenlängen sind für sie aufgrund der Filterwirkung der Erdatmosphäre nicht zugänglich. Zusammengenommen bedeutet dies „Wir konnten chemische Fingerabdrücke in der Atmosphäre von Exoplaneten finden“, sagt Lewis: „Aber in fast allen Fällen behandeln wir die Atmosphäre als einheitlich, homogen, wir behandeln sie als eindimensionales Objekt. grundsätzlich.“

Webb basiert im Weltraum und ist für ein breites Band des Infrarotspektrums optimiert und wird Wissenschaftlern Daten zur Verfügung stellen, mit denen Wissenschaftler wirklich mehrdimensionale Modelle von Exoplaneten erstellen können. Zu verstehen, wie ihre Atmosphären strukturiert sind und was ihre Zusammensetzung ausmacht.

„Wir werden in der Lage sein, die Signaturen von Dingen wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan und allen möglichen lustigen Arten zu untersuchen“, sagte Lewis. „Wir können beginnen, uns von dieser eindimensionalen Ansicht des Planeten zu entfernen und zu verstehen, wie er in zwei bis drei Dimensionen aussieht.“

Wie wird unser Sonnensystem für JWST aussehen?

Während Webbs Fähigkeit, die am weitesten entfernten Objekte im Universum zu untersuchen, verdientermaßen viel Aufmerksamkeit und Aufregung erfährt, wird das Weltraumteleskop auch viel Zeit damit verbringen, tief in Objekte zu blicken, die näher an der Heimat liegen.

Heidi Hammel, eine interdisziplinäre Wissenschaftlerin, die sich seit den frühen 2000er Jahren mit Webb beschäftigt, wird ihre Beobachtungszeit nutzen, um so ziemlich alles zu untersuchen, was in unserem Sonnensystem außerhalb der Umlaufbahn des Mondes sichtbar ist, vom Mars über Asteroiden bis hin zu den äußeren Planeten und sogar den seltsamen Gefrorenen Welten des Kuipergürtels.

Sie könnte sehr aufgeregt sein, Uranus zu sehen. Der riesige, beringte, geneigte Eisplanet wurde 1986 nur einmal von Voyager 2 besucht, und es stellte sich heraus, dass er genau die richtige Entfernung umkreist, um ein optimales Sichtfeld für Webb zu haben. Wir werden einige wirklich großartige Fotos von Uranus mit Webb haben, obwohl es natürlich Infrarot ist.

Um zu erklären, wie Uranus durch Webb aussehen wird, bezieht sie sich auf eine Sammlung von Bildern des Gasriesen, die von Hubble, dem Keck-Observatorium und dem Very Large European Telescope (VLT) aufgenommen wurden. Die blauen und rosa Spitzen der Wolken sind auf den optischen und nahen Infrarotbildern von Hubble und Keck sichtbar, aber die vom VLT aufgenommenen mittleren Infrarotbilder erscheinen als etwas verschwommene und stumpfe Saurons Augen oder ein Klumpen Kohle die Rückseite eines Ofens.

„Webb wird eine bessere Bildqualität haben“, sagt Hammel. „Wir können diese Bilder straffen, dann sehen sie nicht mehr so ​​fleckig aus.“ „

Webb wird Hammel und anderen Planetenwissenschaftlern ein besseres Verständnis davon geben, wie die obere und untere Atmosphäre von Uranus interagieren. Webbs Spektrometer wird es ihnen ermöglichen, die chemische Zusammensetzung des Planeten wie nie zuvor zu kartieren.

„Woher kommt das Methan? Woher kommt Ethan? sagte Hammel. „Wir werden in der Lage sein, diese Chemie je nach Höhe zu entwirren und die Zusammenhänge zu bestimmen.

Warum ist das wichtig- Es ist kein Zufall, dass Wissenschaftler, die ferne Exoplaneten und Planeten in unseren Hinterhöfen untersuchen, alle an den Spektren und der chemischen Zusammensetzung ihrer Ziele interessiert sind. Beobachtungen wie diese liefern nicht immer atemberaubende visuelle Bilder, die Sie wie viele Hubble-Bilder auf ein Poster anwenden können, aber im Laufe der Zeit können sie Wissenschaftlern helfen, ein breiteres und tieferes konzeptionelles Bild der Welt zu zeichnen Systeme, einschließlich unserer eigenen.

Wissenschaftler verbringen viel Zeit damit, Fragen zu beantworten, wie wir hierher gekommen sind, sagt Lewis.

Wie ist unser Sonnensystem entstanden? Wie wurde die Erde der einzige bewohnbare Planet im Sonnensystem?

„Aber wir hatten immer nur eine Stichprobe von acht Dingen zum Vergleichen, oder?“ Und jetzt haben wir eine Stichprobe von 300 bis 400 Dingen “, sagt sie. „Es ermöglicht uns, unsere Modelle der Physik und Chemie zu testen, was die Planeten zum Schwingen bringt.“