Eines der ersten Ziele von James Webb ist Jupiter. Hier ist der Grund

Astronomen auf der ganzen Welt sind voller Vorfreude auf die neue Wissenschaft, die möglich sein wird, sobald das James-Webb-Weltraumteleskop, das leistungsstärkste Weltraumteleskop der Welt, seine Inbetriebnahme abgeschlossen hat. Seit dem Start des Teleskops am 25. Dezember 2021 hat es seine Hardware in seine endgültige Konfiguration gebracht, seine endgültige Umlaufbahn um die Sonne erreicht und die Ausrichtung seiner Spiegel mit seiner Primärkamera abgeschlossen, aber es gibt noch Schritte wie die Kalibrierung seiner Instrumente gehen, bevor es für den wissenschaftlichen Einsatz bereit ist.

Sobald die Inbetriebnahmephase abgeschlossen ist, die diesen Sommer abgeschlossen sein soll, beginnen die wissenschaftlichen Beobachtungen. Und hier wird es spannend, da die hohe Empfindlichkeit und die Infrarotfähigkeiten des Teleskops es ermöglichen werden, extrem entfernte Objekte zu beobachten, sogar schwächer als die, die von aktuellen weltraumgestützten Teleskopen wie Hubble beobachtet werden. Es wird eine neue Ära astronomischer Beobachtungen einleiten und könnte dabei helfen, so weitreichende Themen wie die Entstehung der ersten Galaxien und die Frage, ob Planeten in anderen Sternensystemen Atmosphären haben oder nicht, zu untersuchen.

Dreizehn Projekte wurden ausgewählt, um die Fähigkeiten dieses brandneuen Teleskops in den ersten fünf Betriebsmonaten zu testen, und wie Sie sich vorstellen können, war der Wettbewerb um die Projekte, die von diesem neuen Werkzeug zuerst profitieren sollten, hart.

Die meisten der 13 ausgewählten Projekte werden sich mit entfernten Objekten wie Schwarzen Löchern oder fernen Galaxien befassen. Aber ein Projekt wird näher an der Heimat liegen – am Jupiter, direkt in unserem kosmischen Hinterhof.

Um zu erfahren, was Forscher über diesen großen, wunderschönen Gasriesen zu entdecken hoffen, und um herauszufinden, warum ein so relativ nahes Ziel zum Testen eines so leistungsstarken Teleskops verwendet wird, sprachen wir mit der Berkeley-Astronomin Imke de Pater, Leiterin des Jupiter Beobachtungsteam.

Ein ganzes System zum Erkunden

Im Vergleich zu weit entfernten Exoplaneten oder sogar den weiter entfernten Eisriesenplaneten in unserem Sonnensystem wissen Astronomen viel über Jupiter. Dank Beobachtungen von bodengestützten Teleskopen und Missionen wie Galileo, das den Planeten bis 2003 umkreiste, und Juno , die ihn jetzt noch umkreist, verfügen wir über eine Fülle von Daten über den Planeten.

Aber wie so oft in der Wissenschaft kann jedes Datenelement, das wir über den Planeten erhalten, weitere Fragen aufwerfen. „Wir waren mit mehreren Raumfahrzeugen dort und haben den Planeten mit Hubble und vielen bodengestützten Teleskopen bei Wellenlängen im gesamten elektromagnetischen Spektrum (vom UV- bis zum Meterwellenlängenbereich) beobachtet, also haben wir enorm viel über Jupiter selbst, seinen, gelernt Atmosphäre, Inneres und über seine Monde und Ringe“, sagte de Pater. „Aber jedes Mal, wenn du mehr lernst, gibt es Dinge, die du noch nicht verstehst – also brauchst du immer mehr Daten.“

Einige der größten offenen Fragen, die wir über Jupiter haben, betreffen seine Atmosphäre , etwa wie sich Wärme zwischen Schichten in der Atmosphäre bewegt und wie die Atmosphäre mit der Magnetosphäre interagiert.

Aber die Gruppe wird nicht nur Jupiter selbst betrachten, sondern auch Details wie den Großen Roten Fleck (ein turbulenter Sturm, der so groß ist, dass er als Fleck gesehen werden kann, der groß genug ist, um die gesamte Erde zu verschlingen) und den Südpol des Planeten ( mit seinen markanten Polarlichtern). Sie werden auch das gesamte Jupiter-System betrachten, einschließlich der schwachen Ringe des Planeten und seiner Monde, einschließlich Io und Ganymed.

Jedes dieser Ziele ist für sich genommen faszinierend – Io ist zum Beispiel der vulkanisch aktivste Ort im Sonnensystem, und Ganymed ist der einzige Mond, von dem bekannt ist, dass er seine eigene Magnetosphäre produziert. Insgesamt ist das Jovian-System der ideale Ort, um die Grenzen der Fähigkeiten von Webb zu testen.

Blick ins Infrarot

Um mehr über diese komplexen Themen zu erfahren, wird die Gruppe von de Pater die Infrarotfähigkeiten von James Webb nutzen, die es Forschern ermöglichen, tiefer in die Atmosphäre des Planeten zu blicken.

Diese Fähigkeiten ermöglichen es, die Atmosphäre über das hinaus zu untersuchen, was durch Betrachtung im sichtbaren Lichtbereich möglich wäre. „Im sichtbaren Wellenlängenbereich sieht man im Grunde Wolken“, erklärte sie. „Bei Infrarotwellenlängen kann man je nach Wellenlänge über den Wolken und unter den Wolken sondieren. Bei verschiedenen Wellenlängen sieht man unterschiedliche Höhen in der Atmosphäre, abhängig von der Opazität der Atmosphäre (dh wie viel ‚Licht‘ bei der jeweiligen Wellenlänge absorbiert wird, bestimmt, wie tief man in den Planeten blicken kann).“

Besonders nützlich für diese Forschung werden die mittleren Infrarotwellenlängen sein, die mit Webbs MIRI oder Mid-Infrared Instrument betrachtet werden können.

„Der größte Vorteil liegt im mittleren Infrarotbereich“, erklärt de Pater. „Wir können bei einigen dieser Wellenlängen vom Boden aus beobachten, aber die Erdatmosphäre ist so turbulent, dass wir die Beobachtungen nicht sehr gut kalibrieren können, was wir am Boden bekommen.“ Das bedeutet mehr Unsicherheit in den Daten; ein Problem, das durch die Hintergrund-Infrarotstrahlung auf der Erde noch verschärft wird.

Aber mit einem weltraumgestützten Teleskop wie James Webb gibt es keine Atmosphäre und weniger Hintergrundstrahlung, die im Weg stehen, und das bedeutet, dass die gesammelten Daten viel genauer sind. Darüber hinaus bietet Webb eine außergewöhnliche Stabilität, was bedeutet, dass es dank seiner Positionierung im Raum auf ein Ziel zeigen kann und nicht wankt. All dies bedeutet, dass es einige der bisher genauesten Daten über Jupiter sammeln kann.

Testen Sie die Grenzen von Webb

Bei der Bewertung von Vorschlägen, wie James Webb verwendet werden könnte, erklärte de Pater, wollte das Komitee, das über die zu verfolgenden Projekte entscheidet, zuerst die Ideen der Astronomie-Community darüber sehen, was das Teleskop leisten könnte. „Also suchten sie wirklich nach Projekten, die JWST an seine Grenzen brachten“, sagte sie. „Das macht unser Projekt.“

Sie werden alle vier Instrumente von Webb in verschiedenen Kombinationen für verschiedene Ziele im System verwenden, um verschiedene Merkmale wie Vulkane, Ringe und Schichten der Atmosphäre des Planeten zu erkennen.

Der Plan war, Jupiter, seine Ringe und seine Monde Io und Ganymed zu beobachten, aber einige Jahre, nachdem das Team seinen Vorschlag eingereicht hatte, trat ein unerwartetes Problem auf – das Teleskop war tatsächlich zu empfindlich für einen Großteil der geplanten Arbeiten auf Jupiter. „Das Teleskop war viel empfindlicher als erwartet, daher mussten wir einige unserer Beobachtungen auf Jupiter ändern – und auf Jupiter selbst können wir weniger tun, als wir ursprünglich erwartet hatten.“

Aber das Team wusste immer noch, dass es wertvolle Daten erhalten und Wege finden konnte, die Arbeit zu erledigen, die es wollte. Sie änderten Faktoren wie die Filter, die sie verwenden würden, und betrachteten kleinere Sichtfelder.

Warum Jupiter eine solche Herausforderung darstellt

Die Vorstellung, dass ein Teleskop zu empfindlich ist, mag kontraintuitiv klingen. Aber stellen Sie es sich vor, als würden Sie ein Foto machen, während Sie der Sonne zugewandt sind: Alle Farben werden ausgeblasen, sodass alles weiß und verwaschen erscheint und es schwierig ist, Details zu erkennen. Das von der Sonne kommende Licht ist einfach zu hell, was zu einem überbelichteten Bild führt.

Dasselbe geschieht beim Studium astronomischer Körper. Planeten geben im Vergleich zu Sternen nicht viel Licht ab, da sie kein eigenes Licht produzieren, sondern nur Licht von ihren Sternen reflektieren. Das macht Planeten viel dunkler als Sterne insgesamt. Aber wenn Sie winzige Details betrachten oder nach noch kleineren Körpern wie Monden oder nach feinen Details wie Ringen suchen, kann das Licht eines Planeten in den von Ihnen erfassten Daten Blendung erzeugen.

Das ist die große Herausforderung bei der Verwendung von Webb zur Untersuchung von Jupiters Monden oder Ringen: Der Versuch, das Licht des Planeten zu berücksichtigen, damit diese kleinen Objekte im Detail gesehen werden können. Jupiter ist eines der hellsten Objekte am Himmel, daher ist dies keine leichte Aufgabe.

Glücklicherweise haben Astronomen viel Erfahrung mit der Beobachtung von Planetenringen mit anderen Instrumenten wie dem Hubble-Weltraumteleskop. „Also nutzen wir dieses Wissen für die JWST-Beobachtungen“, erklärte de Pater. Das Team wird die Ringe in unterschiedlichen „Rollwinkeln“ beobachten, was bedeutet, dass die Ringe auf dem Detektor in leicht unterschiedliche Ausrichtungen verschoben werden. Indem sie die Ringe aus verschiedenen Winkeln betrachten, können sie sehen, wie das Streulicht des Planeten auf die Ringe fällt. Dann kann dieses Licht subtrahiert werden, wobei nur das Licht von den Ringen selbst übrig bleibt.

Planeten in unserem Sonnensystem und darüber hinaus studieren

Die Verwendung von Webb zur Untersuchung von Jupiter ist nicht nur eine Möglichkeit, die Grenzen dieses brandneuen Teleskops zu testen. Das Studium von Planeten in unserem eigenen Sonnensystem kann auch helfen, Planeten außerhalb unseres Sonnensystems, sogenannte Exoplaneten, zu verstehen.

Eines der großen Ziele der heutigen Exoplanetenwissenschaft ist es, über die Identifizierung eines Planeten und die Abschätzung seiner Größe oder Masse hinauszugehen und ein umfassenderes Verständnis von ihm aufzubauen, indem man untersucht, ob er eine Atmosphäre hat.

Aber um Planeten in entfernten Systemen zu verstehen, hilft es, die Planeten in unserem eigenen zu verstehen. Webb wird sich die Atmosphären entfernter Gasriesen ansehen, die wir dann mit dem vergleichen können, was wir über die Atmosphären von Jupiter und Saturn wissen.

Darüber hinaus wird das Team von de Pater durch die Verwendung von Webb zur Untersuchung von Jupiter eine Reihe von Werkzeugen entwickeln, die von anderen in der Astronomie-Community verwendet werden können, um andere Planeten in unserem Sonnensystem zu untersuchen und einen Einblick in das zu geben, was Webb möglicherweise entdecken kann ihnen – einschließlich der faszinierenden und selten untersuchten fernen Planeten Uranus und Neptun.

„Unser Team wird Software entwickeln, die für das Jupiter-System, aber auch für das Saturn-System, für Uranus und Neptun verwendet werden kann. Und wir können den Leuten zeigen, was Sie aufgrund unserer Beobachtungen erwarten können“, sagte de Pater. „In dieser Hinsicht ist es definitiv ein Wegbereiter.“