Разработанный для того, чтобы показать далекие галактики, Webb также покажет наше звездное соседство в совершенно новом свете.
На мониторе в диспетчерской космического телескопа Джеймса Уэбба появилось изображение планеты Юпитер. Хотя он слегка размыт, его можно безошибочно узнать, его характерные полосы и огромное Большое Красное пятно освещают группу репортеров, осматривающих помещение Научного института Космического телескопа в Балтиморе.
Карл Старр, руководитель миссии Уэбба на космическом телескопе Джеймса Уэбба, щелкает компьютерной мышью, и появляется следующее изображение. «Мы решили применить к нему коронограф», — сказал он, имея в виду насадку для телескопа, которая может блокировать яркий объект, чтобы наблюдать за тем, что его окружает. Юпитер внезапно темнеет, когда материализуются его спутники и слабые кольца.
Снимки Юпитера, которые Старр показал группе, являются последними из коллекции неизданных тестовых фотографий, сделанных в рамках процесса юстировки и калибровки телескопа. «Итак, вы видите, что они только что вышли из печати», — сказал Старр. «Эти изображения — это необработанные изображения, которые не были обработаны, не были очищены. Но это то, что делает телескоп».
НАСА опубликует первые официальные снимки с Вебба во вторник (12 июля) во время прямой трансляции, посвященной превращению телескопа в полностью активный научный инструмент. Но эти поразительные тестовые снимки — далеко не последний раз, когда телескоп фокусирует свой взгляд на Юпитере. На самом деле, Уэбб скоро обратит свой взор на многие объекты в нашей собственной солнечной системе. Хотя телескоп был построен для наблюдения за далекими галактиками, он также позволит ученым наблюдать нашу солнечную систему совершенно по-новому.
«Webb разработан как невероятно мощный инструмент, который будет искать на краю космоса, в самых отдаленных галактиках, возможно, даже в первых образовавшихся звездах», — сказала Хайди Хаммел, вице-президент Ассоциации университетов по исследованиям в области астрономии и междисциплинарный ученый, работающий над Webb. Space.com. «Но поскольку он настолько мощный, у него есть возможности, которые мы можем применить повсюду в космосе, даже в нашем местном районе, в Солнечной системе».
В новом свете
Хотя Уэбб всегда предназначался для наблюдения за далеким космосом, ученые начали планировать использовать его для наблюдения за Солнечной системой на раннем этапе. В 2002 году НАСА выбрало Хаммела для работы в миссии в качестве междисциплинарного ученого, помогающего различным группам Уэбба по приборам разрабатывать планы изучения Солнечной системы.
Многие из этих планов основаны на приборах, называемых спектрографами. Эти приборы фиксируют то, что ученые называют спектрами — представления различных длин волн света, испускаемого и поглощаемого чем угодно, от звезды до атмосферы планеты и межзвездной пыли. Поскольку разные вещества излучают и поглощают свет по-разному, ученые использовали спектрографы, чтобы выяснить, из чего состоит большая часть Вселенной.
Уэбб — инфракрасный телескоп, что означает, что его спектрографы обнаруживают длины волн света больше, чем может видеть человеческий глаз, раскрывая детали о том, что составляет космос, которые обсерватории, ориентирующиеся на видимый и ультрафиолетовый спектры, включая знаменитый космический телескоп Хаббл, не могут. Инфракрасные возможности жизненно важны для получения подробной информации о далеких звездах, но они также позволяют обсерватории исследовать детали нашей солнечной системы, которые долгое время ускользали от ученых.
«Существует так много молекулярной химии, которая проявляется в инфракрасной части спектра», — сказал Хаммел.
Другие аспекты телескопа, в первую очередь его беспрецедентная чувствительность, позволяют Уэббу наблюдать слабые явления как вблизи, так и вдали. И там, где телескопы на Земле с трудом изучают объекты, близкие к чему-то чрезвычайно яркому, например, спутники Юпитера, телескоп Уэбба в глубоком космосе и коронограф Starr, продемонстрированный, придают обсерватории новую мощь.
«С помощью телескопов, привязанных к Земле, рассеянный свет от Юпитера рассеивается земной атмосферой и загрязняет довольно большую область», — сказал Хаммел. С Уэббом, напротив, «свет от Юпитера будет заключен в Юпитере».
Уэбб — инфракрасный телескоп, что означает, что его спектрографы обнаруживают длины волн света больше, чем может видеть человеческий глаз, раскрывая детали о том, что составляет космос, которые обсерватории, ориентирующиеся на видимый и ультрафиолетовый спектры, включая знаменитый космический телескоп Хаббл, не могут. Инфракрасные возможности жизненно важны для получения подробной информации о далеких звездах, но они также позволяют обсерватории исследовать детали нашей солнечной системы, которые долгое время ускользали от ученых.
«Существует так много молекулярной химии, которая проявляется в инфракрасной части спектра», — сказал Хаммел.
Другие аспекты телескопа, в первую очередь его беспрецедентная чувствительность, позволяют Уэббу наблюдать слабые явления как вблизи, так и вдали. И там, где телескопы на Земле с трудом изучают объекты, близкие к чему-то чрезвычайно яркому, например, спутники Юпитера, телескоп Уэбба в глубоком космосе и коронограф Starr, продемонстрированный, придают обсерватории новую мощь.
«С помощью телескопов, привязанных к Земле, рассеянный свет от Юпитера рассеивается земной атмосферой и загрязняет довольно большую область», — сказал Хаммел. С Уэббом, напротив, «свет от Юпитера будет заключен в Юпитере».
К Юпитеру и дальше
Ученые не будут долго ждать, чтобы обратить внимание Уэбба на самую большую планету нашей солнечной системы. Юпитер, а также его спутники и кольца включены в программу, предназначенную для широкого распространения данных за первые пять месяцев работы обсерватории. Ранний рог изобилия призван дать ученым шанс научиться эффективно использовать данные Уэбба.
На основе этих наблюдений ученые надеются лучше понять погоду, температуру, состав и полярную активность Юпитера — сияния, которые рисуются по небу заряженными частицами солнца, попадающими в атмосферу планеты. Эти данные также помогут ученым изучить кольца Юпитера, как они могли образоваться и откуда они могли взяться.
Исследователи также попытаются нанести на карту столбы пара, поднимающиеся с двух спутников Юпитера — покрытой вулканами Ио и ледяного Ганимеда. На Ио они образуются из-за многочисленных вулканов, но некоторые данные «Хаббла» свидетельствуют о том, что еще один из ледяных спутников Юпитера, Европа, может выбрасывать столбы водяного пара. (Европа не одинока: исследователь Сатурна НАСА «Кассини» собрал более четкие данные, свидетельствующие о шлейфах водяного пара и крошечных зернах льда, поднимающихся с поверхности Энцелада этой планеты.) Хаммел сказал, что в будущих исследованиях ученые будут использовать Webb для получения спектров шлейфов на Европе и Энцеладе в надежде выяснить, из чего они состоят и обнаруживают ли они какие-либо признаки жизни, скрывающейся в покрытом льдом океане.
«Это сложная задача, ее трудно выполнить, и она может оказаться неудачной», — сказала она. «Но это… такая программа, которую только кто-то вроде Уэбба может сделать прямо сейчас.
Уран и Нептун
Когда Хаммел присоединилась к миссии Уэбба два десятилетия назад, она сразу же увидела возможность узнать больше о планетах, которые долгое время были в центре ее исследований, — Уране и Нептуне, получивших название ледяных гигантов. Ни один космический аппарат не нацеливался ни на одну из планет с конца 1980-х годов, когда Хаммел был частью команды, собиравшей изображения с зонда НАСА «Вояджер-2» во время его эпического путешествия по Солнечной системе.
Большая часть недавних знаний ученых об этих мирах почерпнута из регулярных проверок Хаббла. «Мощные телескопы — это единственные инструменты, которые у нас есть, чтобы по-настоящему понять динамику и химический состав этих атмосфер», — сказала она.
Ученые будут наблюдать как за Ураном, так и за Нептуном в рамках программы, которая вознаграждает ученых, которые помогли определить путь Уэбба к запуску, драгоценным временем телескопа. Наблюдение за Ураном начнется в августе, в то время как с Нептуном придется подождать до следующего июня.
Другие ученые также находятся в очереди на анализ данных, собранных прибором среднего инфракрасного диапазона (MIRI) с планет, с целью узнать больше об их составе, атмосфере, температуре и погоде. MIRI измеряет более длинные длины волн света, чем любой другой прибор на Webb, помогая выявить данные о планетах, которые ранее были скрыты.
В апреле исследование выявило удивительный факт о Нептуне — он остывает, и никто не знает почему. Ученые ожидали, что планета нагреется во время своего астрономического лета, но данные за два десятилетия показали странное, неравномерное похолодание. Ученые надеются использовать Уэбба, чтобы найти объяснение неожиданному похолоданию.
«Исключительная чувствительность прибора MIRI в средней инфракрасной области космического телескопа обеспечит беспрецедентные новые карты химического состава и температур в атмосфере Нептуна», — говорится в заявлении Ли Флетчер, ученого-планетолога из Университета Лестера в Великобритании и автора апрельского исследования. MIRI также поможет «лучше определить природу этих недавних изменений», сказал он, имея в виду охлаждение Нептуна. Флетчер возглавит команды, наблюдающие за двумя планетами вместе с Уэббом, а также является частью команды, проводящей более поздние анализы.
Марс
Помимо Земли, Марс, вероятно, является наиболее изученной планетой в нашей солнечной системе, и в настоящее время планету исследуют три активных марсохода и один спускаемый аппарат. Тем не менее, Уэббу есть что добавить, особенно объединившись с другими миссиями на Красной планете, включая марсоход Perseverance.
«Даже такие объекты, как планета Марс, которые мы исследовали с помощью марсоходов и орбитальных аппаратов, мы можем использовать космический телескоп Джеймса Уэбба, чтобы получить целостное глобальное представление о химических процессах, происходящих на поверхности или в атмосфере», — сказал Хаммел.
Среди других задач Уэбб будет изучать погоду на Марсе в глобальном масштабе. В 2018 году марсоход Opportunity НАСА попал в пылевую бурю, охватившую всю планету, из-за чего космический аппарат не смог собирать солнечную энергию. В то время орбитальные аппараты собирали информацию о шторме, но ни один из них не мог увидеть всю планету сразу. Если Уэбб сможет наблюдать такую пыльную бурю на Марсе, его данные могут помочь ученым лучше понять эти бури — и, возможно, даже помочь будущим космическим аппаратам пережить их.
Используя спектрографы Уэбба для анализа Марса и его атмосферы, ученые надеются ответить на некоторые из наших самых важных вопросов о планете. Например, почему высохли озера и океаны планеты? Инфракрасное зрение Уэбба позволяет ему отслеживать историю воды на планете.
Стремление понять историю воды, которая имеет решающее значение для жизни на Земле, подпитывает давний интерес ученых к тому, существовала ли когда-либо жизнь на Марсе. Здесь Уэбб может сотрудничать с наземной работой марсохода Perseverance, а также с будущими исследованиями его образцов, доставленных на Землю, чтобы помочь исследователям определить, существовала ли когда-либо жизнь на планете, и если да, то как давно она могла вымереть.
Еще одной давней загадкой является обнаружение марсоходом Curiosity странных сезонных колебаний количества метана в атмосфере Марса. На Земле метан вырабатывается бактериями, но это химическое вещество также может быть произведено без участия жизни. Более детальный взгляд на атмосферу Марса может пролить свет на то, что производит метан и почему его концентрация может меняться в зависимости от марсианских сезонов.
Получение более детального обзора Марса в масштабах всей планеты особенно полезно, поскольку НАСА готовится отправить туда астронавтов в 2030-х годах.
«Наличие еще одного космического корабля с возможностью наблюдения за Марсом — это фантастика, поскольку НАСА готовится отправить астронавтов на Луну с прицелом на возможное исследование Марса человеком», — говорится в заявлении Лори Глейз, директора по планетологии НАСА.
Наша солнечная система, далеко и широко
Конечно, Уэбб не будет ограничивать свои исследования солнечной системы только планетами. Телескоп будет изучать гораздо более мелкие объекты, такие как астероиды и кометы, узнавая больше о том, из чего они состоят, и видя некоторые из них более подробно, чем когда-либо прежде. По словам Хаммела, Уэбб даже готов нацелиться на любую новую комету, которую могут обнаружить ученые, с помощью программы реагирования на космические сюрпризы, которые ученые не могли спланировать, когда было выделено время для телескопа.
Другие проекты будут нацелены на Пояс Койпера, ледяное «кладбище солнечной системы». Плутон, его спутник Харон и тысячи других объектов вращаются вокруг Солнца в этой таинственной пограничной зоне нашей солнечной системы. Ученые полагают, что объекты пояса Койпера остались от зарождения нашей солнечной системы и могут помочь объяснить, как образовались наши окрестности.
«Это объекты, которые находятся на кладбище формирования солнечной системы», — говорится в заявлении Джонатана Лунина, астронома из Корнеллского университета и междисциплинарного ученого Уэбба, такого как Хаммел.
Другие научные программы Уэбба могли бы дать представление о нашей солнечной системе из-за ее пределов. Ученые будут изучать отдаленные планетные системы на различных стадиях формирования, возможно, пролив свет на нашу собственную. Общие вопросы, такие как, откуда берется вода во Вселенной, также будут иметь значение для формирования планет, подобных Земле.
«Возможно, большая часть воды во Вселенной существовала в виде льда, покрывая крошечные, крошечные частицы пыли в межзвездных облаках и молекулярных облаках», — сказал Клаус Понтоппидан, научный сотрудник проекта Уэбба в Научном институте Космического телескопа. Space.com . «Уэбб на самом деле также является фантастической машиной для измерения и понимания этого льда».
В первый год из 20, которые НАСА в настоящее время надеется получить от долгожданной обсерватории, примерно 7% общего рабочего времени Webb будет сосредоточено на солнечной системе. Эта доля может показаться незначительной, и ученые всегда будут сталкиваться с новыми загадками о Большом Красном пятне Юпитера или кометах, проносящихся по нашей солнечной системе. Но поскольку обсерватория сосредоточена на стольких частях нашей солнечной системы, невозможно предсказать, что может обнаружить Уэбб, сказал Хаммел.
Что бы ни было дальше, Хаммел не может ждать.
«Я просто с нетерпением жду этого первого года», — сказала она. «Я думаю, это будет потрясающе».
Следите за нами в Twitter @Spacedotcom и на Facebook.