L’une des premières cibles de James Webb est Jupiter. Voici pourquoi

Les astronomes du monde entier bourdonnent d'anticipation pour la nouvelle science qui sera possible une fois que le télescope spatial James Webb, le télescope spatial le plus puissant du monde, aura terminé sa mise en service. Depuis le lancement du télescope le 25 décembre 2021, il a déployé son matériel dans sa configuration finale, atteint son orbite finale autour du soleil et achevé l'alignement de ses miroirs avec sa caméra principale, mais il reste encore des étapes comme l'étalonnage de ses instruments pour aller avant qu'il ne soit prêt pour une utilisation scientifique.

Dès la fin de la phase de mise en service, qui devrait se terminer cet été, les observations scientifiques commenceront. Et c'est là que les choses deviennent passionnantes, car la haute sensibilité et les capacités infrarouges du télescope lui permettront d'observer des objets extrêmement éloignés, encore plus faibles que ceux observés par les télescopes spatiaux actuels comme Hubble. Cela inaugurera une nouvelle ère d'observations astronomiques et pourrait aider à étudier des sujets aussi vastes que la formation des premières galaxies et si les planètes d'autres systèmes stellaires ont ou non des atmosphères.

Treize projets ont été choisis pour tester les capacités de ce tout nouveau télescope au cours de ses cinq premiers mois d'exploitation, et comme vous pouvez l'imaginer, la concurrence pour savoir quels projets devraient obtenir les premiers dibs sur ce nouvel outil était féroce.

La plupart des 13 projets sélectionnés porteront sur des objets lointains comme des trous noirs ou des galaxies lointaines. Mais un projet se rapprochera de chez nous – à Jupiter, juste dans notre arrière-cour cosmique.

Pour savoir ce que les chercheurs espèrent découvrir sur cette grande et belle géante gazeuse, et pour savoir pourquoi une cible aussi proche est utilisée pour tester un télescope aussi puissant, nous avons parlé à l'astronome de Berkeley Imke de Pater, chef du Jupiter équipe d'observation.

Tout un système à explorer

Par rapport aux exoplanètes lointaines ou même aux planètes géantes de glace plus éloignées de notre système solaire, les astronomes en savent beaucoup sur Jupiter. Nous avons des trésors de données sur la planète grâce à la fois aux observations de télescopes au sol et à des missions comme Galileo, qui a orbité autour de la planète jusqu'en 2003, et Juno qui y orbite toujours aujourd'hui.

Mais comme c'est souvent le cas avec la science, chaque élément de données que nous obtenons sur la planète peut soulever plus de questions. "Nous y sommes allés avec plusieurs engins spatiaux et avons observé la planète avec Hubble et de nombreux télescopes au sol à des longueurs d'onde sur tout le spectre électromagnétique (des longueurs d'onde UV aux mètres). Nous avons donc beaucoup appris sur Jupiter lui-même, ses atmosphère, intérieur et sur ses lunes et ses anneaux », a déclaré de Pater. "Mais chaque fois que vous en apprenez davantage, il y a des choses que vous ne comprenez pas encore – vous avez donc toujours besoin de plus de données."

Certaines des plus grandes questions ouvertes que nous avons sur Jupiter concernent son atmosphère , comme la façon dont la chaleur se déplace entre les couches de l'atmosphère et comment l'atmosphère interagit avec la magnétosphère.

Mais le groupe ne se contentera pas de regarder Jupiter lui-même, en se concentrant sur des détails comme la Grande Tache Rouge (une tempête turbulente si vaste qu'elle peut être considérée comme une tache suffisamment grande pour engloutir la Terre entière) et le pôle sud de la planète ( avec ses aurores caractéristiques). Ils examineront également l'ensemble du système jovien, y compris les faibles anneaux de la planète et ses lunes, notamment Io et Ganymède.

Chacune de ces cibles est intrigante en soi – Io est l'endroit le plus volcaniquement actif du système solaire, par exemple, et Ganymède est la seule lune connue pour produire sa propre magnétosphère. Pris dans son ensemble, le système Jovian est l'endroit idéal pour tester les limites des capacités de Webb.

Regarder dans l'infrarouge

Pour aider à en savoir plus sur ces sujets complexes, le groupe de de Pater tirera parti des capacités infrarouges de James Webb, qui permettent aux chercheurs de regarder plus profondément dans l'atmosphère de la planète.

Ces capacités permettent d'étudier l'atmosphère au-delà de ce qui serait possible en regardant dans la longueur d'onde de la lumière visible. "Dans la gamme de longueurs d'onde visibles, vous voyez essentiellement des nuages", a-t-elle expliqué. « Aux longueurs d'onde infrarouges, vous pouvez sonder au-dessus des nuages ​​et au-dessous des nuages, selon la longueur d'onde. À différentes longueurs d'onde, vous pouvez voir différentes altitudes dans l'atmosphère, en fonction de l'opacité de l'atmosphère (c'est-à-dire que la quantité de "lumière" absorbée à une longueur d'onde particulière détermine la profondeur à laquelle on peut regarder dans la planète)."

Les longueurs d'onde de l'infrarouge moyen, qui peuvent être visualisées à l'aide du MIRI ou de l'instrument infrarouge moyen de Webb, seront particulièrement utiles pour cette recherche.

"Le plus grand avantage se situe dans les longueurs d'onde de l'infrarouge moyen", a expliqué de Pater. "Nous pouvons observer à certaines de ces longueurs d'onde depuis le sol, mais l'atmosphère terrestre est si turbulente que ce que nous obtenons au sol, nous ne pouvons pas très bien calibrer les observations." Cela signifie plus d'incertitude dans les données; un problème qui est exacerbé par le rayonnement infrarouge de fond sur Terre.

Mais avec un télescope spatial comme James Webb, il n'y a pas d'atmosphère et moins de rayonnement de fond pour gêner, ce qui signifie que les données recueillies seront beaucoup plus précises. De plus, Webb offre une stabilité exceptionnelle, ce qui signifie qu'il peut pointer vers une cible et ne pas vaciller, grâce à son positionnement dans l'espace. Tout cela signifie qu'il peut collecter certaines des données les plus précises à ce jour sur Jupiter.

Tester les limites de Webb

Lors de l'évaluation des propositions sur la façon dont James Webb pourrait être utilisé, a expliqué de Pater, le comité décidant des projets à poursuivre voulait d'abord voir les idées de la communauté astronomique sur ce que le télescope pourrait faire. "Alors ils ont vraiment cherché des projets qui poussaient JWST à ses limites", a-t-elle déclaré. "C'est ce que fait notre projet."

Ils utiliseront les quatre instruments de Webb dans différentes combinaisons pour différentes cibles du système, afin de sélectionner différentes caractéristiques telles que les volcans, les anneaux et les couches de l'atmosphère de la planète.

Le plan était d'observer Jupiter, ses anneaux et ses lunes Io et Ganymède, mais plusieurs années après que l'équipe a soumis sa proposition, un problème inattendu est survenu – le télescope était en fait trop sensible pour une grande partie des travaux prévus sur Jupiter. "Le télescope était beaucoup plus sensible qu'ils ne l'avaient prévu, nous avons donc dû modifier un certain nombre de nos observations sur Jupiter – et nous pouvons faire moins sur Jupiter lui-même que nous ne l'avions initialement prévu."

Mais l'équipe savait toujours qu'elle pouvait obtenir des données précieuses et trouver des moyens de faire le travail qu'elle voulait. Ils ont changé des facteurs tels que les filtres qu'ils utiliseraient et ont examiné des champs de vision plus petits.

Pourquoi Jupiter offre un tel défi

L'idée qu'un télescope est trop sensible peut sembler contre-intuitive. Mais pensez-y comme si vous preniez une photo face au soleil : toutes les couleurs sont soufflées, tout apparaît donc blanc et délavé et il est difficile de voir les détails. La lumière provenant du soleil est tout simplement trop brillante, ce qui donne une image surexposée.

La même chose se produit lors de l'étude des corps astronomiques. Les planètes n'émettent pas beaucoup de lumière par rapport aux étoiles, car elles ne produisent pas de lumière par elles-mêmes, mais réfléchissent simplement la lumière de leurs étoiles. Cela rend les planètes beaucoup plus sombres que les étoiles dans l'ensemble. Mais lorsque vous regardez de minuscules détails ou que vous recherchez des corps encore plus petits comme des lunes, ou des détails fins comme des anneaux, la lumière d'une planète peut créer un éblouissement dans les données que vous collectez.

C'est le grand défi lorsque l'on utilise Webb pour étudier les lunes ou les anneaux de Jupiter : essayer de tenir compte de la lumière de la planète pour que ces petits objets puissent être vus en détail. Jupiter est l'un des objets les plus brillants du ciel, ce n'est donc pas une tâche facile.

Heureusement, les astronomes ont beaucoup d'expérience dans l'observation des anneaux planétaires à l'aide d'autres outils comme le télescope spatial Hubble. "Nous utilisons donc ces connaissances pour les observations du JWST", a expliqué de Pater. L'équipe observera les anneaux à différents "angles de roulis", ce qui signifie que les anneaux seront décalés dans des orientations légèrement différentes sur le détecteur. En observant les anneaux sous différents angles, ils peuvent voir comment la lumière diffusée de la planète tombe sur les anneaux. Ensuite, cette lumière peut être soustraite, ne laissant que la lumière des anneaux eux-mêmes.

Étudier les planètes de notre système solaire et au-delà

Utiliser Webb pour étudier Jupiter n'est pas seulement un moyen de tester les limites de ce tout nouveau télescope. L'étude des planètes de notre propre système solaire peut également aider à comprendre les planètes extérieures à notre système solaire, appelées exoplanètes.

L'un des grands objectifs de la science des exoplanètes aujourd'hui est d'aller au-delà de l'identification d'une planète et de l'estimation de sa taille ou de sa masse, et d'en acquérir une compréhension plus complète en examinant si elle possède une atmosphère.

Mais pour comprendre les planètes dans des systèmes distants, il est utile de comprendre les planètes dans le nôtre. Webb examinera les atmosphères de géantes gazeuses lointaines, que nous pourrons ensuite comparer à ce que nous savons des atmosphères de Jupiter et de Saturne.

De plus, en utilisant Webb pour étudier Jupiter, l'équipe de de Pater développera un ensemble d'outils qui pourront être utilisés par d'autres membres de la communauté astronomique pour étudier d'autres planètes de notre système solaire, et donneront un aperçu de ce que Webb pourrait être en mesure de découvrir sur eux – y compris les planètes lointaines intrigantes et rarement étudiées d'Uranus et de Neptune.

« Notre équipe développera un logiciel qui pourra être utilisé pour le système Jovian, mais aussi pour le système Saturne, pour Uranus et Neptune. Et nous pouvons montrer aux gens ce à quoi vous pouvez vous attendre sur la base de nos observations », a déclaré de Pater. "C'est définitivement un pionnier de cette façon."