Astronomidata og søgen efter beboelige verdener

I 1610 kiggede Galileo Galilei gennem et teleskop og observerede:"Jeg har set Jupiter ledsaget af tre fiksstjerner, fuldstændig usynlige af deres lillehed. Planeterne ses meget runde, som små fuldmåner." Faktisk var det, han så med øjnene, forstørret af sit tidlige teleskop, de største måner på vores solsystems største planet, Jupiter. Galileo identificerede til sidst Europa, Callisto, Io og Ganymedes, og de er nu nogle gange kendt som Jupiters "galileiske" satellitter.

I dag ville Galileos teleskop virke rudimentært ved siden af ​​de meget større og mere kraftfulde instrumenter, som astronomer bruger. For nylig udgav det mest kraftfulde rumteleskop nogensinde bygget og opsendt af menneskeheden sine første billeder til offentligheden.

Hvad betyder en mission som Webb-rumteleskopet for alle, der er interesseret i astronomi og astrobiologi? Webb-teleskopet er ikke designet til at lede efter liv, men kunne låse op for vigtig information om exoplaneters beboelighed og dermed potentialet for liv uden for vores solsystem. Men hvad betyder det egentlig for forskere i dag at 'kigge' gennem et teleskop som Webb? Jacob Lustig-Yaeger, Erin May og Laura Mayorga, tre videnskabsmænd i den tidlige karriere fra Johns Hopkins Applied Physics Lab, hjælper med at forklare, hvordan livet er som astronom i dag.

Hvordan ser dataene fra et rumteleskop som Webb faktisk ud for en astrobiolog?

Teleskopet har mange driftstilstande, som astronomer vil bruge til forskellige astronomiske undersøgelser. Nogle af tilstandene er billeddannelse, der vil fange fantastiske detaljer om forskellige objekter, svarende til de galakser og stjernetåger, som Hubble-rumteleskopet observerede. Men for astronomer, der studerer exoplaneter i andre planetsystemer (kendt som exoplaneter), er vi især interesserede i missionens spektroskopiske muligheder.

Har du nogensinde set en regnbue danse på din væg på grund af lys, der skinner gennem dit vindue? Det er et spektrum! Et spektrum er en måde at opdele lys i alle de farver, det er lavet af, så vi bedre kan studere det. Den farverige regnbue, vi er mest bekendt med, er, hvad der sker, når du bryder sollys op, som er synligt for dine øjne. Men lys består også af meget flere "farver" end blot det, vores øjne kan se. Dette teleskop leder efter "regnbuer" af infrarødt lys, som bare er varme - den type lys, der får Solen eller en varm ovn til at føles varm.

Teleskopet er dog ikke dit typiske kamera:Dets kameraer består af pixels, der er ligesom en flok spande sat op i et gitter, som en isbakke. Efter at instrumenterne bryder lyset op i den infrarøde regnbue, begynder hver spand at blive fyldt op med en bestemt farve lys. Hver spand tæller mængden af ​​lys, der kommer ind i den, indtil den fyldes op, eller vi beder teleskopet om at stoppe med at indsamle lys.

I virkeligheden er de faktiske data bare en masse tal, der fortæller os, hvor meget lys teleskopet observerede i de specifikke farver, vi ønskede at indsamle. Det "billede", vi får tilbage, fremstår egentlig bare som en stor sort-hvid stribe, men det er vores infrarøde regnbue! For exoplaneter tager vi ofte mange af disse billeder, det ene efter det andet, for at se, hvordan disse farver ændrer sig over tid, når exoplaneten krydser foran eller bag dens stjerne.

Når der indsamles data, hvordan ser arbejdet ud for astronomer dag ud og dag ind i de kommende år?

Kort sagt er astronomer i disse dage dataforskere, der både analyserer data fra teleskoper og udvikler og kører simuleringer af de astrofysiske processer, der finder sted i alle de forskellige hjørner af universet. De fleste astronomer bruger programmeringssproget Python til det daglige arbejde, især videnskabsmænd i den tidlige karriere. For exoplanetastronomer er de fleste af vores værktøjer skræddersyede softwarepakker designet specifikt til exoplanetdataanalyse og -modellering, nogle gange endda skræddersyet til det specifikke teleskop, vi bruger, eller skræddersyet til den type exoplanet, vi studerer.

Efterhånden som teleskopet indsamler exoplanetdata i løbet af de næste par år, vil astronomer fortsætte gennem mange trin for at omsætte de rå teleskopdata til ny viden om exoplaneter og deres atmosfæres natur. Som tidligere nævnt begynder dataene som en række individuelle billeder af den infrarøde regnbue, hver taget efter hinanden, når en exoplanet krydser foran eller bag dens stjerne. Men mængden af ​​lys hver spand tæller kommer også med en masse støj. Tænk på dette som at prøve at tage en selfie i mørket:billedet bliver lidt grynet. Det er fordi den er fuld af støj og meget lidt lys! Observationsastronomer bruger meget tid på at finde alle kilderne til støj og finde på smarte måder at fjerne det på ved hjælp af brugerdefinerede computersoftwareværktøjer. Når vi har fjernet støjen fra hvert infrarødt regnbuebillede, kan vi skabe det, vi kalder en lyskurve, en måde at vise, hvordan hver farve af lys ændrer sig over tid.

Når vi observerer exoplaneter, leder vi typisk efter et dyk i lyset, når planeten krydser foran stjernen, og denne dyk ændrer størrelse afhængigt af lysets farve. Når denne planet krydser foran stjernen, passerer noget stjernelys gennem planetens atmosfære og interagerer med de gasser og molekyler, den er lavet af. Vi kan bruge oplysninger om størrelsen af ​​den dyk til at fortælle os, hvad der er i planetens atmosfære.

Dernæst analyserer astronomer exoplanetens spektrum ved hjælp af computermodeller for at forstå, hvordan de unikke egenskaber ved exoplanetatmosfæren gav anledning til det, teleskopet observerede. Fra årtiers laboratoriemålinger her på Jorden ved vi præcist, hvordan individuelle molekyler interagerer med lys, og at hvert molekyle har sit eget unikke spektrale fingeraftryk. Det vil sige, at hvert molekyle interagerer med lys på en lidt anden måde, og det giver os mulighed for at genkende dem i vores observationer. Ved at bruge disse principper kører astronomer computersimuleringer af millioner af forskellige mulige atmosfærer, der indeholder forskellige blandinger af gasser for at identificere, hvilken cocktail af molekyler, der giver den bedste overensstemmelse med det spektrum, som teleskopet målte.

Selvfølgelig er astronomerne ikke helt færdige, når alle analyser er færdige. Som enhver god videnskabelig satsning er de sidste trin at skrive alle resultaterne i et manuskript, der kan peer reviewes, publiceres i et akademisk tidsskrift og deles over hele verden. + Udforsk yderligere

Mindre, jordbaserede teleskoper kan også studere exoplanetatmosfærer