|
Астрономические данные и поиск обитаемых миров
|
|
|
|
В 1610 году Галилео Галилей посмотрел в телескоп и заметил: «Я видел Юпитер в сопровождении трех неподвижных звезд, совершенно невидимых из-за своей малости. Планеты видны очень круглыми, как маленькие полные луны». На самом деле то, что он видел своими глазами, увеличенными в свой первый телескоп, было самыми большими лунами самой большой планеты нашей Солнечной системы, Юпитера. В конце концов Галилей открыл Европу, Каллисто, Ио и Ганимед, и теперь их иногда называют «галилеевыми» спутниками Юпитера. Сегодня телескоп Галилея может показаться рудиментарным по сравнению с гораздо более крупными и мощными инструментами, которые используют астрономы. Недавно самый мощный космический телескоп, когда-либо построенный и запущенный человечеством, представил публике свои первые изображения.
|
|
|
Для всех, кто интересуется астрономией и астробиологией, что означает такая миссия, как космический телескоп Уэбба? Телескоп Уэбба не предназначен для поиска жизни, но может раскрыть важную информацию о пригодности экзопланет для жизни и, следовательно, потенциале жизни за пределами нашей Солнечной системы. Но что на самом деле означает для современных ученых «смотреть» в такой телескоп, как Уэбб? Джейкоб Люстиг-Йегер, Эрин Мэй и Лаура Майорга, трое молодых ученых из Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса, помогают объяснить, на что похожа жизнь астронома сегодня.
|
|
|
|
Как на самом деле выглядят данные космического телескопа Уэбба для астробиолога?
|
|
|
|
Телескоп имеет множество режимов работы, которые астрономы будут использовать для различных астрономических исследований. Некоторые режимы представляют собой визуализацию, которая захватывает потрясающие детали различных объектов, подобных галактикам и туманностям, которые наблюдал космический телескоп Хаббла. Но для астрономов, которые изучают экзопланеты в других планетных системах (известных как экзопланеты), нас особенно интересуют спектроскопические возможности миссии. Вы когда-нибудь видели, как радуга танцует на вашей стене из-за света, проникающего в ваше окно? Это спектр! Спектр — это способ разбить свет на все цвета, из которых он состоит, чтобы мы могли лучше его изучить. Красочная радуга, с которой мы больше всего знакомы, возникает, когда вы рассеиваете солнечный свет, который виден вашим глазам. Но свет также состоит из гораздо большего количества «цветов», чем то, что могут видеть наши глаза. Этот телескоп ищет «радуги» инфракрасного света, который представляет собой просто тепло — тип света, который делает Солнце или горячую печь теплыми.
|
|
|
|
Однако телескоп не является вашей типичной камерой: его камеры состоят из пикселей, которые похожи на кучу ведер, установленных в сетке, как лоток для льда. После того, как приборы разбивают свет на эту инфракрасную радугу, каждое ведро начинает заполняться светом определенного цвета. Каждое ведро подсчитывает количество попадающего в него света, пока оно не заполнится, или пока мы не прикажем телескопу прекратить собирать свет. На самом деле фактические данные — это просто набор чисел, говорящих нам, сколько света наблюдал телескоп в определенных цветах, которые мы хотели собрать. «Изображение», которое мы получаем, на самом деле выглядит как большая черно-белая полоса, но это наша инфракрасная радуга! Что касается экзопланет, мы часто делаем много таких снимков, один за другим, чтобы увидеть, как эти цвета меняются со временем, когда экзопланета проходит перед своей звездой или позади нее.
|
|
|
|
По мере сбора данных, как будет выглядеть работа астрономов изо дня в день в ближайшие годы?
|
|
|
|
Короче говоря, астрономы в наши дни — это специалисты по данным, которые одновременно анализируют данные с телескопов, а также разрабатывают и запускают симуляции астрофизических процессов, происходящих во всех уголках Вселенной. Большинство астрономов используют язык программирования Python для повседневной работы, особенно начинающие ученые. Для экзопланетных астрономов большинство наших инструментов представляют собой специализированные программные пакеты, разработанные специально для анализа и моделирования данных об экзопланетах, иногда даже адаптированные к конкретному телескопу, который мы используем, или адаптированные к типу экзопланеты, которую мы изучаем.
|
|
|
|
По мере того как телескоп собирает данные об экзопланетах в течение следующих нескольких лет, астрономы пройдут множество этапов, чтобы преобразовать необработанные данные телескопа в новые знания об экзопланетах и природе их атмосфер. Как упоминалось ранее, данные начинаются с серии отдельных изображений инфракрасной радуги, каждое из которых делается одно за другим, когда экзопланета пересекает перед своей звездой или позади нее. Но количество света, которое учитывает каждое ведро, также сопровождается большим количеством шума. Думайте об этом, как о попытке сделать селфи в темноте: изображение получается немного зернистым. Это потому, что там полно шума и очень мало света! Астрономы-наблюдатели тратят много времени, пытаясь найти все источники шума и придумывая хитрые способы его устранения с помощью специальных компьютерных программных инструментов. После того, как мы удалим шум из каждого инфракрасного изображения радуги, мы можем создать то, что мы называем кривой блеска, способ показать, как каждый цвет света меняется с течением времени. Когда мы наблюдаем экзопланеты, обычно мы ищем провал света, когда планета проходит перед звездой, и этот провал меняет размер в зависимости от цвета света. Когда эта планета проходит перед звездой, часть звездного света проходит через атмосферу планеты и взаимодействует с газами и молекулами, из которых она состоит. Мы можем использовать информацию о размере этого провала, чтобы сказать нам, что находится в атмосфере планеты.
|
|
|
|
Затем астрономы анализируют спектр экзопланеты с помощью компьютерных моделей, чтобы понять, как уникальные характеристики атмосферы экзопланеты привели к тому, что наблюдал телескоп. Благодаря десятилетиям лабораторных измерений здесь, на Земле, мы точно знаем, как отдельные молекулы взаимодействуют со светом, и что каждая молекула обладает собственным уникальным спектральным отпечатком. То есть каждая молекула взаимодействует со светом немного по-разному, и это позволяет нам узнавать их в наших наблюдениях. Используя эти принципы, астрономы запускают компьютерное моделирование миллионов различных возможных атмосфер, содержащих различные смеси газов, чтобы определить, какой коктейль молекул лучше всего соответствует спектру, измеренному телескопом. Конечно, после завершения всего анализа астрономы еще не закончили. Как и в любом хорошем научном начинании, последние шаги заключаются в том, чтобы записать все результаты в рукопись, которую можно будет рецензировать, опубликовать в академическом журнале и распространить по всему миру.
|
|
|
|
Источник
|
