Das James Webb-Weltraumteleskop wird unsere Jagd nach Exoplaneten beschleunigen

Wenn das frisch gestartete James-Webb-Weltraumteleskop vollständig entfaltet und online geht, wird es für Astronomen nicht nur ein weiteres Werkzeug zur Erforschung des Universums sein. Mit seiner hochmodernen Spektroskopie-Technologie wird es in der Lage sein, in die Dunkelheit des Weltraums zu blicken und entfernte Objekte so detailliert wie nie zuvor zu sehen – weit mehr als sein Vorgänger, das Hubble-Weltraumteleskop. Es wird unser Verständnis von Exoplaneten revolutionieren und könnte uns sogar helfen, herauszufinden, woher wir kommen und wo sonst im Universum bewohnbar sein könnte.

Um herauszufinden, wie das James Webb-Weltraumteleskop uns helfen wird, sich drehende Gesteinsbälle in Billionen Entfernung zu untersuchen (und warum Astronomen dies wollen), haben wir mit zwei Forschern gesprochen, die nach der Bereitstellung mit James Webb zusammenarbeiten werden: Néstor Espinoza von der Space Telescope Science Institute und Antonella Nota von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).

Ein riesiger Sprung nach vorn

In den letzten Jahren haben Forscher Planeten außerhalb unseres Sonnensystems mit Teleskopen wie TESS (dem Transiting Exoplanet Survey Satellite) oder dem Weltraumteleskop Kepler identifiziert. Diese sind in der Lage, die hellsten Sterne zu betrachten und Veränderungen ihrer Helligkeit zu sehen, wenn ein Planet zwischen ihnen und uns vorbeigeht, und zwar mithilfe einer Technik, die als Transitmethode bezeichnet wird . Dies ist eine beeindruckende Leistung der wissenschaftlichen Beobachtung, aber sie sagt uns nicht viel darüber aus, wie diese Planeten aussehen – nur ihre ungefähre Größe und gelegentlich ihre Masse.

Wenn wir wissen wollen, wie ein Planet ist – hat er eine Atmosphäre? woraus besteht es? gibt es wolken am himmel? ist da wasser? – wir müssen viel, viel genauer hinschauen. Das wird Webb tun, aber es ist eine enorme technische Herausforderung. Deshalb arbeiten NASA, ESA und die Canadian Space Agency (CSA) bei diesem Projekt zusammen.

„Webb ist hundertmal empfindlicher als Hubble, und deshalb wird Webb in der Lage sein, die kleinsten Details in den entlegensten Winkeln des sehr weit entfernten Universums mit exquisiter Auflösung zu enthüllen“, erklärte Nota.

Während Hubble verwendet wurde, um mehr über Exoplaneten zu erfahren, sagte Espinoza: „Die Sicht, die es Ihnen bietet, ist sehr eng. Es gibt Ihnen vielleicht eine Funktion.“ Im Vergleich dazu, sagte er, wird Webb „überwältigend“ sein und es uns ermöglichen, mehrere Merkmale gleichzeitig zu sehen und kleinere Planeten zu betrachten. "Es wird unsere erste Änderung sein, kleinere Planeten im großen Detail zu betrachten."

Hubble arbeitet auch mit der Wellenlänge des sichtbaren Lichts und nimmt Bilder in dem Lichtbereich auf, den wir sehen können. Aber James Webb wird im Infrarotbereich arbeiten, der verschiedene Merkmale erkennen und durch undurchsichtigen Staub blicken kann, „ein Fenster in das Universum öffnen, das völlig neu sein wird“, wie Nota es ausdrückte.

Hubble und Webb werden in der Lage sein, zusammenzuarbeiten und ergänzende Daten zu denselben Zielen zu sammeln. Wenn Sie also die schönen Bilder des Weltraums lieben, die Hubble aufgenommen hat , machen Sie sich keine Sorgen, diese werden nicht verschwinden. Wir gewinnen einfach ein weiteres Werkzeug für ein noch tieferes Verständnis.

„James Webb wird revolutionär sein. Buchstäblich revolutionär“, sagte Espinoza. „Es wird uns ermöglichen, Dinge zu sehen, von denen wir lange erwartet hatten, dass sie sie erkennen, aber nicht über die Technologie verfügen, um sie zu sehen, und ich bin mir ziemlich sicher, dass sie Dinge erkennen wird, an die wir nicht denken.“

Aktualisieren der Technologie von Hubble aus den 1980er Jahren

Forscher haben mit derzeit verfügbaren Instrumenten bemerkenswerte Arbeit geleistet, um Exoplaneten zu finden und zu lernen, und bis jetzt über 4.000 Exoplaneten entdeckt. Dieses Feld ist jedoch noch sehr jung, da die ersten Planeten außerhalb unseres Sonnensystems in den 1990er Jahren identifiziert wurden. Das bedeutet, dass viele Instrumente der aktuellen Generation, wie Hubble, nie mit Blick auf Exoplanetenstudien entwickelt wurden.

„Hubble ist Technologie der 80er Jahre“, sagte Espinoza. „Nichts gegen die 80er – ich liebe die 80er, besonders die Musik! – aber die Technologie hat sich enorm weiterentwickelt. Die Art von Detektoren, die wir damals hatten, ist nichts im Vergleich zu der Art von Detektoren, die wir heute haben.“

James Webb hingegen wurde mit der spezifischen Absicht entwickelt, für die Charakterisierung von Exoplaneten verwendet zu werden, und dies stand an vorderster Front seiner Designprinzipien. Wenn Webb beispielsweise auf einen Stern zeigt, wird er mit sehr hoher Präzision auf ein bestimmtes Pixel zeigen und sich überhaupt nicht bewegen, sodass die Forscher alle Helligkeitsabfälle sehr genau messen können, die Hinweise auf einen Planeten in der Umlaufbahn geben könnten .

Dieses Maß an Präzision ermöglicht es Webb, seine aufregendste Funktion im Zusammenhang mit Exoplaneten auszuführen: Ermitteln, ob ein Exoplanet eine Atmosphäre hat und woraus diese Atmosphäre besteht. „Die kleinen Details, die eine Menge Bedeutung haben, wenn man versucht, die Atmosphären von Exoplaneten zu entdecken“, erklärte Espinoza.

Untersuchung von Exoplaneten mit Infrarotlicht

Obwohl Forscher einige sehr kreative Methoden entwickelt haben , um die Atmosphäre von Exoplaneten zu erkennen , ist dies nicht etwas, für das aktuelle Instrumente entwickelt wurden. Deshalb werden die Fähigkeiten von Webb so revolutionär sein.

Um in das Universum zu blicken, verfügt Webb über vier Instrumente, die im Infraroten blicken. Dazu gehören die Near-Infrared Camera (NIRCam) und der Near-Infrared Spectrograph (NIRSpec). Dann gibt es noch den Fine Guidance Sensor/Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (FGS/NIRISS), die, wie der Name schon sagt, im Nahinfrarotband suchen. Schließlich gibt es noch das Mid-Infrared Instrument (MIRI), das einen weiten Bereich im fernen Infrarot abdeckt.

Dies sind jedoch empfindliche Instrumente, und sie erfordern eine sorgfältig gepflegte Umgebung, um zu funktionieren. Daher muss auch die Technologie um sie herum auf dem neuesten Stand sein.

„Webb ist voll von neuer, komplexer Technologie, von den empfindlichen IR-Detektoren bis hin zum tennisplatzgroßen, fünflagigen, dünnen Kapton-Sonnenschutz, der die Instrumente vor der Sonneneinstrahlung schützt und dem Teleskop und den Detektoren ermöglicht, erreichen die kalte Temperatur, die für die Beobachtung im Infraroten erforderlich ist“, sagte Nota.

Sie wies auch auf die feinen Details der Instrumente hin, wie zum Beispiel das Microshutter-Array von NIRSpec, bei dem es sich um eine Reihe winziger Fensterläden von der Größe einiger menschlicher Haare handelt. Dadurch kann das Instrument Hunderte von Objekten gleichzeitig beobachten. „Eine absolute Premiere in der Weltraumastronomie, bei der Spektroskopie traditionell ein Objekt nach dem anderen durchgeführt wird“, sagte Nota.

Verstehen, woher wir kommen

Der Anstoß, herauszufinden, ob ein weit entfernter Planet eine Atmosphäre hat, ist nicht nur ein wissenschaftlicher Schnörkel oder eine nutzlose Neugier, wie diese weit entfernten Orte aussehen. Es ist vielmehr der Schlüssel zum Verständnis, wie Planeten – einschließlich unserer eigenen – geschaffen werden.

Wenn es darum geht zu verstehen, wie unser Sonnensystem entstanden ist, führen Forscher Modelle durch und versuchen herauszufinden, wie wir zu der Zusammensetzung der Planeten, die wir sehen, gekommen sein könnten. „Aber derzeit haben wir eine Stichprobengröße von eins“, betonte Espinoza. "Unser Sonnensystem. Das ist es. Jetzt befinden wir uns in einer Ära, in der wir in die Zusammensetzungen anderer Sonnensysteme blicken können. Und wie sich die Planeten bilden, definiert ihre chemische Zusammensetzung.“

Wenn wir uns also die Atmosphäre eines entfernten Exoplaneten ansehen, erfahren wir, wie sie entstanden ist. Und daraus können wir uns ein Bild davon machen, wie sich Planeten und Sonnensysteme bilden, basierend auf mehr Fällen als nur dem in unserem Hinterhof. „Diese Hinweise auf Formationssignaturen in diesen Exoplaneten durch die Chemie, die wir in ihren Atmosphären beobachten, zu erhalten, ist also absolut grundlegend für uns, um zu verstehen, wie sie entstanden sind und damit auch wir“, sagte er.

Jagd nach Bewohnbarkeit

Der vielleicht aufregendste Grund, sich die Atmosphären von Exoplaneten anzusehen, ist zu verstehen, wo sonst im Universum Leben gedeihen könnte. „Eine der Schlüsselfragen, die Webb untersuchen wird, sind die Ursprünge des Lebens“, sagte Nota. „Es gibt eine riesige Vielfalt an Exo-Welten, mehr als wir uns vorstellen konnten. Es gibt jupitergroße Gasplaneten, die sehr nahe um ihren Stern kreisen, riesige felsige „Supererden“ und „warme Neptune“. Einige von ihnen haben möglicherweise die richtigen Temperaturbedingungen und die richtige Zusammensetzung, um das Leben zu beherbergen.“

Aber um festzustellen, ob ein Planet bewohnbar ist, reicht es laut Espinoza nicht aus, nur seine Größe und Masse zu kennen. Denn wenn wir einen erdgroßen Planeten mit ähnlicher Masse finden, gehen die Leute oft davon aus, dass es sich um einen erdähnlichen Ort handelt. Aber Venus und Mars haben ungefähr ähnliche Größen und Massen wie die Erde, und sie haben Atmosphären, die für unsere Lebensform äußerst unwirtlich sind. „Die Venus ist der schlimmste Ort für einen Urlaub!“ scherzte er mit seinem immensen Druck und der giftigen Atmosphäre voller Kohlendioxid. Der Mars ist nicht viel besser, mit seiner extrem dünnen, nicht atmenden Atmosphäre, die nur 1% der Dichte unserer Atmosphäre auf der Erde hat.

Wir müssen also über Atmosphären Bescheid wissen, um zu wissen, ob ein einzelner Planet bewohnbar ist. Und was noch wichtiger ist, um abzuschätzen, wie viele bewohnbare Planeten es da draußen geben könnte, müssen wir wissen, welche Atmosphärentypen für Planeten wie unseren typisch sind. „Welches ist die häufigste Atmosphäre, die die Natur bildet?“ fragte Espinoza. „Es könnte Venus- oder Mars-ähnlich sein, und die Erde ist ein Ausreißer.“ Oder es könnte sein, dass erdähnliche Atmosphären typisch sind und die Anzahl potenziell bewohnbarer Planeten riesig ist.

Ins Unbekannte greifen

Webb wird sich nicht nur Exoplaneten ansehen. Es wird eine breite Palette von Forschungen durchführen, von einem Blick zurück in die frühesten Phasen des Universums, um die Entstehung der ersten Galaxien zu beobachten, bis hin zu der Beobachtung, wie Sterne aus wirbelndem Staub und Gas entstehen. Da das erste Jahr der wissenschaftlichen Operationen geplant ist , kratzen wir nur an der Oberfläche dessen, wofür dieses neue Werkzeug verwendet werden könnte. Wir müssen abwarten und sehen, welche anderen astronomischen Wunder es enträtseln kann.

„Ich denke, die größte Entdeckung wird die sein, die niemand erwartet“, sagte Nota. „Diejenige, die die Art und Weise verändern wird, wie wir das Universum sehen, diejenige, die, vielleicht ein für alle Mal, unseren Platz im Universum definieren wird.“