Οι πρώτες εικόνες εξωπλανητών του JWST προβλέπουν ένα λαμπρό μέλλον

Το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) τράβηξε τις πρώτες άμεσες εικόνες ενός πλανήτη σε τροχιά γύρω από ένα μακρινό αστέρι. Ο πλανήτης, γνωστός ως HIP 65426 b, είναι ένας γίγαντας αερίου αρκετές φορές πιο μαζικός από τον Δία, που κυκλώνει το άστρο του σε απόσταση που είναι περίπου τρεις φορές μεγαλύτερη από το διαχωρισμό μεταξύ του Ποσειδώνα και του Ήλιου μας. Το HIP 65426 b είναι μόλις περίπου 15 εκατομμυρίων ετών—ένα νεογέννητο από αστρονομικούς όρους—και απέχει περίπου 350 έτη φωτός από τη Γη.

Μπορεί να μην εντυπωσιαστείτε από το επίπεδο λεπτομέρειας σε αυτές τις νέες πλανητικές φωτογραφίες, αλλά οι ερευνητές που τράβηξαν τις εικόνες σίγουρα ήταν. Όταν τα αποτελέσματα επέστρεψαν, «έπρεπε να βεβαιωθώ ότι δεν κοιτούσα μια προσομοίωση εικόνας», λέει η Sasha Hinkley, καθηγήτρια αστροφυσικής στο Πανεπιστήμιο του Exeter στην Αγγλία, η οποία βοήθησε να ηγηθεί της μελέτης. "Έμοιαζε με τις εικόνες του μοντέλου από όταν γράφαμε την πρότασή μας πριν από πέντε χρόνια."

Οι εικόνες του HIP 65426 b αποκαλύπτουν ότι το JWST ξεπερνά τις προσδοκίες για τις μελέτες εξωπλανητών του, οι οποίες είναι μία από τις τέσσερις κεντρικές ερευνητικές περιοχές του τηλεσκοπίου. Αυτό σημαίνει ότι οι προγραμματισμένες προσπάθειες του JWST να παρατηρήσει άλλους εξωπλανήτες θα είναι πιθανότατα πιο επιτυχημένες από ό,τι ήλπιζαν οι ερευνητές και ότι οι αστρονόμοι μπορούν να γίνουν ακόμη πιο φιλόδοξοι όταν υποβάλλουν προτάσεις στο διοικητικό συμβούλιο της JWST σε μελλοντικούς ερευνητικούς κύκλους.

Το JWST δεν είναι το πρώτο τηλεσκόπιο που τραβάει απευθείας φωτογραφίες εξωπλανητών, αλλά αποδεικνύεται ήδη ότι είναι το καλύτερο. Ο Χίνκλεϊ έχει δει το πεδίο να εξελίσσεται:εργάζεται στην απεικόνιση εξωπλανητών για σχεδόν 20 χρόνια. «Με κίνησαν πραγματικά το ενδιαφέρον οι τεχνικές προκλήσεις αυτής της έρευνας—το να πρέπει να αποκλείσω αυτά τα απίστευτα φωτεινά αστέρια-ξενιστές, τα οποία είναι 10.000 ή ένα εκατομμύριο φορές φωτεινότερα από τους αμυδρά πλανήτες που περιφέρονται γύρω τους», λέει.

Ένα τέτοιο κατόρθωμα ακούγεται σχεδόν αδύνατο - σαν να εντοπίζεις μια αμυδρά λαμπερή πυγολαμπίδα που κυματίζει κάτω από ένα έντονο φως του γηπέδου από το κάθισμά σου στο γήπεδο. Και όμως με τη σωστή τεχνική, μπορούν να αποκαλυφθούν εξωπλανήτες.

«Μπορούμε να πάμε και να παρατηρήσουμε ένα αστέρι που βρίσκεται κοντά και έχει παρόμοιες ιδιότητες με το αστέρι-στόχο», λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Aarynn Carter, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Santa Cruz, ο οποίος ηγήθηκε του την ανάλυση για αυτήν την απεικόνιση εξωπλανήτη. "Τότε μπορούμε ουσιαστικά να δημιουργήσουμε ένα πρότυπο για το πώς μοιάζει το φως των αστεριών και να το αφαιρέσουμε για να αφήσουμε πίσω μόνο τον πλανήτη."

Αυτό ακούγεται απατηλά απλό, αλλά πολλά πράγματα πρέπει να γίνουν σωστά για να πετύχει αυτή η μέθοδος. Και σε αυτήν την περίπτωση, πήγαν σωστά—ακόμα περισσότερο από ό,τι είχαν σχεδιάσει ο Carter και ο Hinkley.

Η ευαισθησία απεικόνισης του JWST αποδείχθηκε ακόμη μεγαλύτερη από ό,τι αναμενόταν. Ο προηγμένος στεφανογράφος του κατάφερε να μπλοκάρει το μεγαλύτερο μέρος του φωτός του ξενιστή. Και ίσως το πιο σημαντικό για τη συγκεκριμένη μελέτη, το JWST παρέμεινε απίστευτα σταθερό όταν έπαιρνε τις παρατηρήσεις του. Η σταθερότητα είναι ζωτικής σημασίας για να αποκτήσετε ένα καθαρό πρότυπο αστρικού φωτός από ένα δεύτερο αστέρι για να αφαιρέσετε από το πρώτο.

«Αυτό που είδαμε είναι ότι ο James Webb είναι τόσο απίστευτα σταθερός που το μοτίβο [starlight] είναι επομένως σταθερό από αστέρι σε αστέρι», λέει ο Hinkley. "Και αυτό οφείλεται πραγματικά στην απίστευτη δουλειά που έχει γίνει από κυριολεκτικά χιλιάδες επιστήμονες και τεχνικούς και μηχανικούς τα τελευταία 20 χρόνια σε ολόκληρο τον κόσμο."

Ο Τσαρλς Μπάιχμαν, διευθυντής του Επιστημονικού Ινστιτούτου Εξωπλανητών της NASA, βοήθησε στην ανάπτυξη των ερευνητικών οργάνων JWST που χρησιμοποίησαν ο Χίνκλεϊ και ο Κάρτερ στην απεικόνισή τους. «Όταν ξεκινάς κάτι», λέει, «το χτίζεις σύμφωνα με ένα σύνολο απαιτήσεων. Και τότε έχετε ένα σύνολο από αυτά που ονομάζουμε «επιθυμίες».

Χάρη στις τελευταίες εικόνες εξωπλανητών, είναι πλέον ξεκάθαρο ότι τα όργανα του JWST εκπληρώνουν τις επιθυμίες όλων. «Έχετε πιο σφιχτές εικόνες. έχεις λιγότερη νευρικότητα. οι ανιχνευτές αποδίδουν λίγο καλύτερα», λέει ο Beichman. Λόγω του αποδεδειγμένου επιπέδου ευαισθησίας και σταθερότητάς του, το JWST έχει τη δυνατότητα να παρατηρεί άμεσα πολύ μικρότερους εξωπλανήτες από οποιοδήποτε άλλο τηλεσκόπιο στο παρελθόν—ακόμη και μικρότερο από ό,τι ήλπιζαν οι ερευνητές.

Αυτά είναι εξαιρετικά νέα για μελλοντικές μελέτες, συμπεριλαμβανομένης μιας που θα διευθύνεται από τον Beichman μεταξύ Ιουλίου και Αυγούστου 2023, η οποία θα χρησιμοποιεί άμεση απεικόνιση για να αναζητήσει πλανήτες εντός του πλησιέστερου αστρικού μας συστήματος, του Άλφα Κενταύρου.

Μέχρι στιγμής οι αστρονόμοι έχουν καταφέρει να φωτογραφίσουν μόνο εξωπλανήτες που είναι αρκετές φορές μεγαλύτεροι από τον Δία και βρίσκονται σε τροχιά πολύ μακριά από τα αστέρια τους. "Αλλά αυτό που γνωρίζουμε τώρα από αυτές τις παρατηρήσεις είναι ότι ο Τζέιμς Γουέμπ πιθανότατα θα μας οδηγήσει σε ανάλογα του Κρόνου μας ή ίσως του δικού μας Ποσειδώνα για τα κοντινότερα αστέρια", λέει ο Χίνκλεϊ.

Ο Sebastian Marino, ένας ερευνητής αστρονομίας στο Jesus College στο Πανεπιστήμιο του Cambridge, είναι ένας πιθανός ωφελούμενος της υπεραπόδοσης της JWST που καταστρέφει τις προσδοκίες. Μεταξύ του επόμενου Απριλίου και Ιουνίου, ο Μαρίνο και οι συνάδελφοί του σχεδιάζουν να παρατηρήσουν αστέρια που περιβάλλονται από μεγάλους δίσκους συντριμμιών που μοιάζουν με γιγάντιες εκδοχές των δακτυλίων του Κρόνου. Η ομάδα του Μαρίνο θα επικεντρωθεί σε μερικούς συγκεκριμένους δίσκους που έχουν αξιοσημείωτα κενά, δουλεύοντας με την υπόθεση ότι οι εξωπλανήτες που δεν έχουν ακόμη ανιχνευθεί είναι υπεύθυνοι για το «σκάλισμα» αυτών των χασμάτων καθώς περιφέρονται γύρω από τα αστέρια που τους φιλοξενούν.

Με βάση το πλάτος των χασμάτων, ο Μαρίνο προβλέπει ότι αυτοί οι εξωπλανήτες (αν υπάρχουν) έχουν περίπου την ίδια μάζα με τον Κρόνο ή τον Ποσειδώνα. Ενώ η ανίχνευσή τους ξεκίνησε ως φιλόδοξος στόχος, τα τελευταία αποτελέσματα απεικόνισης δείχνουν ότι το JWST είναι ικανό να ανιχνεύει πλανήτες σε αυτά τα ίδια μεγέθη, όπως σημειώνει ο Hinkley.

«Το γεγονός ότι αποδίδει καλύτερα από όσο πιστεύαμε είναι πραγματικά ενθαρρυντικό», λέει ο Μαρίνο. Και ακόμα κι αν το JWST δεν βρει τους εξωπλανήτες που ελπίζει, ο Μαρίνο είναι χαρούμενος που το τηλεσκόπιο θα είναι σε θέση να επιβεβαιώσει ότι αυτοί οι πλανήτες δεν υπάρχουν. (Μια σημαντική αλλά συχνά παραβλέπεται πτυχή του κυνηγιού πλανητών είναι να γνωρίζουμε πότε πρέπει να σταματήσουμε να ψάχνουμε για κόσμους γύρω από οποιοδήποτε αστέρι.) Ένα πιο αδύναμο τηλεσκόπιο, λέει ο Marino, θα ήταν πολύ πιο πιθανό να αποφέρει ασαφή αποτελέσματα που επεκτείνουν μόνο αυτό που θα μπορούσε να είναι τελικά άκαρπο αναζήτηση.

Οι τελευταίες εικόνες εξωπλανητών προοιωνίζονται επίσης καλά για την Elisabeth Matthews, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο της Γενεύης. "Για το δικό μου πρόγραμμα, είναι επικυρωτικό να βλέπω ότι το όργανο θα λειτουργήσει πραγματικά όπως περιμέναμε όταν σχεδιάσαμε το πρόγραμμα", λέει ο Matthews.

Από τον Απρίλιο έως τον Μάιο του 2023 ο Matthews θα χρησιμοποιήσει το JWST για να παρατηρήσει ένα κοντινό αστέρι που φέρει πλανήτες — το Epsilon Indi A, μόλις 12 έτη φωτός μακριά. Ο εξωπλανήτης αυτού του άστρου, το Epsilon Indi Ab, είναι γνωστός μόνο μέσω της ανεπαίσθητης βαρυτικής ταλάντωσης που προκαλεί ο όγκος του στο αστέρι. Κανείς δεν έχει δει ποτέ απευθείας αυτόν τον πλανήτη, αλλά οι καλύτερες εκτιμήσεις των αστρονόμων δείχνουν ότι πρέπει να είναι αρκετά κρύο, πράγμα που σημαίνει ότι είναι αρκετά παλιό. Οι γιγάντιοι εξωπλανήτες πιστεύεται ότι γεννιούνται ζεστοί, εκπέμποντας τεράστιες ποσότητες υπολειπόμενης θερμικής ενέργειας από την πρόσφατη δημιουργία τους. (Η λαμπερή πλανητική φυσαλίδα που φαίνεται στις υπέρυθρες εικόνες του JWST του HIP 65426 b είναι κυρίως θερμική ενέργεια που εκπέμπεται από τον ίδιο τον πλανήτη, όχι φως που αντανακλάται από τις κορυφές των νεφών του.)

Οι παλαιότεροι, ψυχρότεροι πλανήτες ήταν γενικά πολύ αμυδροί για να φωτογραφηθούν - πνιγμένοι από το έντονο φως των αστεριών τους. Έτσι, το σχέδιο του Matthews να απεικονίσει έναν πιο ώριμο πλανήτη είναι προκλητικό, αλλά η πρόσφατη απόδοση του JWST υποδηλώνει ότι θα πρέπει σίγουρα να είναι δυνατό. Η Matthews λέει ότι σχεδίασε τη μελέτη της για να καταλαμβάνει τον ελάχιστο χρόνο που χρειάζεται για να μπορέσει να παράγει μια πλανητική εικόνα - αλλά τώρα είναι ακόμα πιο σίγουρη ότι θα πετύχει σε αυτό το χρονικό πλαίσιο, επειδή η μεγαλύτερη από την αναμενόμενη ευαισθησία του JWST μοιάζει με παραχωρήθηκε περισσότερος χρόνος παρατήρησης.

Είναι πολύ αργά για να αλλάξουμε εύκολα τα σχέδια για τις εναρκτήριες παρατηρήσεις «Κύκλου 1» του JWST για να αξιοποιήσουμε την απόδοση απεικόνισης υψηλής αντίθεσης μεγαλύτερη από την αναμενόμενη, αλλά αυτά τα πρώιμα αποτελέσματα σίγουρα θα κάνουν τους αστρονόμους πιο σίγουρους όταν σχεδιάζουν μελλοντική έρευνα. Τόσο ο Marino όσο και ο Matthews προτείνουν ότι μπορεί να θέσουν πιο τολμηρούς ερευνητικούς στόχους την επόμενη φορά. Οι ερευνητικές προτάσεις για τον δεύτερο κύκλο παρατηρήσεων της JWST θα ανακοινωθούν στα τέλη Ιανουαρίου.

Πριν από τότε, ο Sasha Hinkley σχεδιάζει να επικοινωνήσει με την αστρονομική κοινότητα με συμβουλές για το πώς να αξιοποιήσετε στο έπακρο το JWST με βάση την ενημερωμένη κατανόηση των δυνατοτήτων του από την ομάδα του. "Αναμένουμε ότι οι συστάσεις μας θα επιτρέψουν στην κοινότητα να υποβάλει το ισχυρότερο δυνατό σύνολο προτάσεων για να κάνει αυτές τις παρατηρήσεις", λέει ο Hinkley.

Σε μελλοντικούς ερευνητικούς κύκλους, στόχοι που θεωρούνταν πολύ μικροί ή μακρινοί για να παρατηρηθούν μπορεί να θεωρηθούν ότι είναι προσβάσιμοι. Και, τελικά, η υπερθετική εργασία απεικόνισης εξωπλανητών του JWST θα βοηθήσει στην καθοδήγηση των προσπαθειών για την ανάπτυξη ακόμη πιο φιλόδοξων παρατηρητηρίων που θα μπορούν να φωτογραφίζουν όχι μόνο γίγαντες αερίου, αλλά στόχους που είναι πολύ μικρότεροι και πιο αμυδροί:δυνητικά κατοικήσιμοι, κόσμοι που μοιάζουν με τη Γη.

«Οι προτάσεις που ήταν «Ουάου, θα είμαστε τυχεροί αν το καταφέρουμε» μπαίνουν στη σφαίρα του «Ναι, θα έπρεπε να το κάνουμε αυτό»», λέει ο Beichman. "Και ένα νέο σύνολο πραγμάτων που ήταν "Δεν υπάρχει περίπτωση να το κάνουμε αυτό" μπαίνει στη σφαίρα του "Ναι, έχουμε μια ευκαιρία να το καταφέρουμε."