世界中の天文学者は、世界で最も強力な宇宙望遠鏡であるジェームス・ウェッブ宇宙望遠鏡の試運転が完了すれば、新たな科学が可能になるだろうと期待に胸を膨らませています。この望遠鏡は2021年12月25日に打ち上げられて以来、ハードウェアを最終構成に展開し、太陽の周りの最終軌道に到達し、ミラーと主カメラの位置合わせを完了しましたが、機器の調整などの手順がまだ残っています。科学的利用の準備が整う前に行ってください。
この夏に完了する予定の試運転段階が完了するとすぐに、科学観測が開始される。そして、この望遠鏡の高感度と赤外線機能により、ハッブルのような現在の宇宙望遠鏡で観測されるものよりもさらに暗い、非常に遠い天体を観測できるようになるため、ここが物事がエキサイティングになるところです。それは天文観測の新時代の到来を告げるものであり、最初の銀河がどのように形成されたのか、他の恒星系の惑星に大気があるのかどうかなど、幅広いテーマの調査に役立つ可能性がある。
この真新しい望遠鏡の機能を運用開始から最初の 5 か月間でテストするために 13 のプロジェクトが選ばれました。ご想像のとおり、どのプロジェクトがこの新しいツールを最初に使用するかをめぐる競争は熾烈でした。
選ばれた 13 件のプロジェクト のほとんどは、ブラック ホールや遠く離れた銀河など、遠くにある天体を観察するものです。しかし、あるプロジェクトは、私たちの宇宙の裏庭にある木星に近いものになります。
この大きくて美しいガス巨人について研究者たちが何を発見したいと望んでいるのか、そしてなぜこのような比較的近い目標がこれほど強力な望遠鏡のテストに使用されているのかを知るために、私たちは木星のリーダーであるバークレーの天文学者イムケ・デ・ペイター氏に話を聞いた。観察チーム。
システム全体を探索する
遠く離れた系外惑星や、太陽系のさらに遠い氷の巨大惑星と比較して、天文学者は木星について多くのことを知っています。地上の望遠鏡からの観測と、2003 年まで地球を周回していたガリレオや、現在も地球を周回しているジュノーのようなミッションの両方のおかげで、私たちは 惑星 に関する大量のデータを入手しています。
しかし、科学ではよくあることですが、地球に関して得られるあらゆるデータは、さらなる疑問を引き起こす可能性があります。 「私たちはいくつかの宇宙船でそこに行き、ハッブルや多くの地上の望遠鏡で電磁スペクトル全域（紫外線からメートルの波長まで）の波長で惑星を観察してきたので、木星そのものについて膨大な量のことを学びました。雰囲気、インテリア、そして衛星と年輪について」とデ・ペイター氏は語った。 「しかし、より多くのことを学ぶたびに、まだ理解していないことが現れるため、常により多くのデータが必要になります。」
木星に関して私たちが抱えている最大の未解決の疑問のいくつかは、 中の層間で熱がどのように移動するのか、大気が磁気圏とどのように相互作用するのかなど、その大気に関するものです。
しかし、研究グループは木星そのものだけを観察するわけではなく、大赤斑（地球全体を飲み込むのに十分な大きさの斑点のように見えるほど広大な乱流嵐）や木星の南極などの詳細に焦点を当てる予定だ。独特のオーロラが見られます。）彼らはまた、惑星の微光環やイオやガニメデを含む衛星を含む木星系全体も調査する予定だ。
これらのターゲットはそれぞれ、それ自体興味深いものです。たとえば、イオは太陽系で最も火山活動が活発な場所であり、ガニメデは、独自の磁気圏を生成することが知られている唯一の衛星です。全体として見ると、木星系はウェッブの能力の限界を試すのに理想的な場所です。
赤外線を覗き込む
これらの複雑なテーマについて学ぶために、デ・ペイターのグループは、研究者が惑星の大気をより深く調べることを可能にするジェームズ・ウェッブの赤外線機能を利用する予定です。
これらの機能により、可視光の波長で観察することによって可能となるものを超えて大気を研究することが可能になります。 「可視波長範囲では、基本的に雲が見えます」と彼女は説明した。 「赤外線の波長では、波長に応じて雲の上も雲の下も調査できます。異なる波長では、大気の不透明度に応じて、大気中の異なる高度を見ることができます（つまり、特定の波長でどれだけの「光」が吸収されるかによって、惑星をどれだけ深く見ることができるかが決まります）。」
この研究に特に役立つのは、Webb’s MIRI または中赤外装置を使用して観察できる中赤外波長です。
「最大の利点は中赤外線の波長にあります」とデ・ペイター氏は説明しました。 「これらの波長のいくつかは地上から観測できますが、地球の大気は非常に乱流しているため、地上で得られるものでは観測値をうまく調整することができません。」これは、データの不確実性が増大することを意味します。この問題は、地球上の背景の赤外線によって悪化します。
しかし、ジェームズ ウェッブのような宇宙望遠鏡を使用すると、大気がなく、邪魔になる背景放射線も少なくなるため、収集されるデータはより正確になります。さらに、Webb は優れた安定性を備えており、空間内での位置決めのおかげで、ターゲットに向けることができ、揺れることがありません。これらすべては、木星でこれまでで最も正確なデータを収集できることを意味します。
ウェッブの限界を試す
ジェームス・ウェッブの使用方法に関する提案を評価する際、最初にどのプロジェクトを推進するかを決定する委員会は、望遠鏡で何ができるかについての天文学コミュニティのアイデアを確認したいとデ・ペイター氏は説明した。 「そこで彼らは、JWST を限界まで押し上げるプロジェクトを真剣に探していました」と彼女は言いました。 「それが私たちのプロジェクトがやっている事です。」
彼らは、システム内のさまざまなターゲットに対してウェッブの 4 つの機器すべてをさまざまに組み合わせて使用し、火山、環、惑星大気の層などのさまざまな特徴を検出します。
計画は木星とその環、そしてその衛星であるイオとガニメデを観測することであったが、チームが提案を提出してから数年後、予期せぬ問題が発生した。つまり、実際に望遠鏡の感度が高すぎて、木星に関する計画された研究のほとんどが行えなかったのだ。 「望遠鏡は彼らが予想していたよりもはるかに感度が高かったため、木星に関する観測の多くを変更する必要がありました。そして、木星自体については当初予想していたよりもできることが少なくなりました。」
しかしチームは、貴重なデータを入手して、やりたい作業を実行する方法を見つけることができることをまだ知っていました。彼らは使用するフィルターなどの要素を変更し、より小さな視野を調べました。
なぜ木星がこのような課題をもたらすのか
望遠鏡は感度が高すぎるという考えは直観に反して聞こえるかもしれません。しかし、これは太陽に向かって写真を撮るようなものだと考えてください。すべての色が飛んでしまい、すべてが白く色褪せて見え、細部が見えにくくなります。太陽からの光は明るすぎるため、画像が露出オーバーになってしまいます。
天体を研究するときにも同じことが起こります。惑星は、自ら光を発するのではなく、星からの光を反射するだけであるため、星と比べて多くの光を発しません。そのため、惑星は全体的に星よりもはるかに暗くなります。しかし、小さな細部を観察したり、月のようなさらに小さい天体や環のような細かい部分を探したりする場合、惑星からの光により、収集しているデータにぎらつきが生じる可能性があります。
それが木星の衛星や環を研究するためにウェッブを使用するときの大きな課題です。これらの小さな天体を詳細に見ることができるように、惑星からの光を考慮する必要があります。木星は空で最も明るい天体の 1 つであるため、これは簡単な作業ではありません。
幸いなことに、天文学者はハッブル宇宙望遠鏡などの他のツールを使用して惑星環を観察した経験が豊富です。 「そのため、私たちはその知識を JWST の観測に使用します」とデ・ペイター氏は説明しました。研究チームは、リングをさまざまな「ロール角」で観察します。これは、リングが検出器上でわずかに異なる方向に移動することを意味します。さまざまな角度で環を観察することで、惑星からの散乱光がどのように環に当たるかを確認できます。次に、この光を差し引いて、リング自体からの光だけを残すことができます。
太陽系やその外の惑星を研究する
ウェッブを使用して木星を研究することは、この真新しい望遠鏡の限界をテストするための方法だけではありません。私たちの太陽系内の惑星を研究することは、太陽系の外にある系外惑星と呼ばれる惑星を理解するのにも役立ちます。
今日の系外惑星科学の大きな目的の 1 つは、惑星を特定してその大きさや質量を推定するだけでなく、惑星に大気があるかどうかを調べることで惑星についてのより完全な理解を構築することです。
しかし、遠く離れた星系の惑星を理解するには、私たち自身の惑星を理解するのに役立ちます。ウェッブ氏は、遠く離れた巨大ガス惑星の大気を観察し、それを木星や土星の大気について私たちが知っているものと比較することができます。
さらに、ウェッブを使用して木星を研究することで、デ・ペイターのチームは、天文学コミュニティの他の人々が太陽系の他の惑星を研究するために使用できる一連のツールを開発し、ウェッブが木星について発見できる可能性のあるものを垣間見ることができるでしょう。それらには、興味をそそられ、ほとんど研究されていない遠方の惑星、天王星と海王星も含まれます。
「私たちのチームは、木星系だけでなく、土星系、天王星、海王星にも使用できるソフトウェアを開発する予定です。そして、私たちの観察に基づいて何が期待できるかを人々に示すことができます」とデ・ペイター氏は語った。 「その意味では間違いなく道筋を見つけるものです。」