Jupiter, genoemd naar de koning van de oude Romeinse goden, beheert zijn eigen miniversie van ons zonnestelsel van rondcirkelende satellieten; hun bewegingen overtuigden Galileo Galilei ervan dat de aarde in het begin van de 17e eeuw niet het centrum van het universum is. Meer dan 400 jaar later, astronomen zullen NASA's James Webb Space Telescope gebruiken om deze beroemde onderwerpen te observeren, de instrumenten van het observatorium tot het uiterste te drijven en de basis te leggen voor verreikende wetenschappelijke ontdekkingen.

Een divers team van meer dan 40 onderzoekers, onder leiding van astronomen Imke de Pater van de Universiteit van Californië, Berkeley en Thierry Fouchet van het Observatoire de Paris, hebben een ambitieus observatieprogramma ontworpen dat enkele van Webb's eerste wetenschappelijke waarnemingen in het zonnestelsel zal uitvoeren - het bestuderen van Jupiter, zijn ringsysteem, en twee van zijn manen:Ganymedes en Io.

"Het wordt een heel uitdagend experiment, "zei de Pater. "Jupiter is zo helder, en Webb's instrumenten zijn zo gevoelig, dat het observeren van zowel de heldere planeet als zijn zwakkere ringen en manen een uitstekende test zal zijn om het meeste uit Webb's innovatieve technologie te halen."

Jupiter

Naast het kalibreren van de instrumenten van Webb voor de helderheid van Jupiter, astronomen moeten ook rekening houden met de rotatie van de planeet, omdat Jupiter een dag in slechts 10 uur voltooit. Verschillende afbeeldingen moeten in een mozaïek aan elkaar worden genaaid om een ​​bepaald gebied volledig vast te leggen - de beroemde storm die bekend staat als de Grote Rode Vlek, bijvoorbeeld - een taak die moeilijker wordt gemaakt wanneer het object zelf beweegt. Hoewel veel telescopen Jupiter en zijn stormen hebben bestudeerd, De grote spiegel en krachtige instrumenten van Webb zullen voor nieuwe inzichten zorgen.

"We weten dat de onmiddellijke atmosfeer boven de Grote Rode Vlek kouder is dan andere gebieden van Jupiter, maar op grotere hoogte, in de mesosfeer, de atmosfeer lijkt warmer. We zullen Webb gebruiken om dit fenomeen te onderzoeken, ' zei de Pater.

Webb zal ook de atmosfeer van het poolgebied onderzoeken, waar NASA's Juno-ruimtevaartuig clusters van cyclonen ontdekte. De spectroscopische gegevens van Webb zullen veel meer details opleveren dan mogelijk was in eerdere waarnemingen, winden meten, wolken deeltjes, gassamenstelling, en temperatuur.

Toekomstige observaties van het zonnestelsel van de reuzenplaneten met Webb zullen profiteren van de lessen die zijn geleerd in deze vroege observaties van het Jupiterstelsel. Het team is belast met het ontwikkelen van methoden voor het werken met Webb-waarnemingen van planeten in het zonnestelsel, die later door andere wetenschappers kunnen worden gebruikt.

ringen

Alle vier de gasreuzenplaneten van het zonnestelsel hebben ringen, met Saturnus als de meest prominente. Het ringsysteem van Jupiter bestaat uit drie delen:een platte hoofdring; een halo in de hoofdring, gevormd als een dubbel-convexe lens; en de ragfijne ring, buitenkant van de hoofdring. Het ringsysteem van Jupiter is uitzonderlijk zwak omdat de deeltjes waaruit de ringen bestaan ​​zo klein en schaars zijn dat ze niet veel licht weerkaatsen. Naast de helderheid van de planeet verdwijnen ze praktisch, een uitdaging voor astronomen.

"We duwen de mogelijkheden van sommige van Webb's instrumenten echt tot het uiterste om een ​​unieke nieuwe reeks waarnemingen te krijgen, " zei mede-onderzoeker Michael Wong van de Universiteit van Californië, Berkeley. Het team zal waarnemingsstrategieën testen om met het verstrooide licht van Jupiter om te gaan, en modellen bouwen voor gebruik door andere astronomen, inclusief degenen die exoplaneten bestuderen die rond heldere sterren draaien.

Het team zal ook in de ringen nieuwe ontdekkingen doen. De Pater merkte op dat er mogelijk onontdekte "kortstondige maantjes" in het dynamische ringsysteem zijn, en mogelijke rimpelingen in de ring door komeetinslagen, zoals die zijn waargenomen en teruggevoerd op de impact van komeet Shoemaker-Levy 9 in 1994.

Ganymedes

Verschillende kenmerken van ijzige Ganymedes maken het fascinerend voor astronomen. Behalve dat het de grootste maan in het zonnestelsel is, en zelfs groter dan de planeet Mercurius, het is de enige maan waarvan bekend is dat hij zijn eigen magnetisch veld heeft. Het team zal de buitenste delen van de atmosfeer van Ganymedes onderzoeken, zijn exosfeer, om de interactie van de maan met deeltjes in het magnetische veld van Jupiter beter te begrijpen.

Er zijn ook aanwijzingen dat Ganymedes een vloeibare zoutwateroceaan heeft onder het dikke oppervlakte-ijs, die Webb zal onderzoeken met gedetailleerde spectroscopische studie van oppervlaktezouten en andere verbindingen. De ervaring van het team met het bestuderen van het oppervlak van Ganymedes kan nuttig zijn in de toekomstige studie van andere ijzige manen van het zonnestelsel waarvan wordt vermoed dat ze ondergrondse oceanen hebben, inclusief Saturnusmaan Enceladus en mede-Jovische satelliet Europa.

Io

In dramatisch contrast met Ganymedes is de andere maan die het team zal bestuderen, Io, de meest vulkanisch actieve wereld in het zonnestelsel. Het dynamische oppervlak is bedekt met honderden enorme vulkanen die die op aarde in de schaduw zouden stellen, evenals meren van gesmolten lava en gladde uiterwaarden van gestolde lava. Astronomen zijn van plan Webb te gebruiken om meer te weten te komen over de effecten van Io's vulkanen op de atmosfeer.

"Er is nog veel dat we niet weten over Io's atmosferische temperatuurstructuur, omdat we de gegevens niet hebben om de temperatuur op verschillende hoogten te onderscheiden, "zei de Pater. "Op aarde nemen we als vanzelfsprekend aan dat als je een berg beklimt, de lucht wordt koeler - zou het hetzelfde zijn op Io? Op dit moment weten we niet, maar Webb kan ons helpen om erachter te komen."

Een ander mysterie dat Webb op Io zal onderzoeken, is het bestaan ​​van "stealth-vulkanen, " die gaspluimen uitstoten zonder het lichtreflecterende stof dat kan worden gedetecteerd door ruimtevaartuigen zoals de Voyager- en Galileo-missies van NASA, en zijn dus tot nu toe onopgemerkt gebleven. Webb's hoge ruimtelijke resolutie zal individuele vulkanen kunnen isoleren die voorheen als één grote hotspot zouden zijn verschenen, waardoor astronomen gedetailleerde gegevens over de geologie van Io kunnen verzamelen.

Webb zal ook ongekende gegevens verstrekken over de temperatuur van Io's hotspots, en bepalen of ze vandaag de dag dichter bij vulkanisme op aarde staan, of als ze een veel hogere temperatuur hebben, vergelijkbaar met het milieu op aarde in de eerste jaren na zijn vorming. Eerdere waarnemingen door de Galileo-missie en grondobservatoria wezen op deze hoge temperaturen; Webb zal dat onderzoek opvolgen en nieuw bewijs leveren dat de vraag kan oplossen.

Teamprestatie

De gedetailleerde waarnemingen van Webb zullen die van andere observatoria niet verdringen, maar stem liever met hen af, Wong uitgelegd. "Webb's spectroscopische waarnemingen zullen slechts een klein deel van de planeet beslaan, zodat globale weergaven van observatoria op de grond kunnen laten zien hoe de gedetailleerde Webb-gegevens passen bij wat er op grotere schaal gebeurt, vergelijkbaar met hoe Hubble en het Gemini Observatorium context bieden voor Juno's smalle, observaties van dichtbij."

Beurtelings, Webb's studie van de stormen en atmosfeer van Jupiter zal de Juno-gegevens aanvullen, inclusief radiosignalen van bliksem, die Webb niet detecteert. "Geen enkel observatorium of ruimtevaartuig kan het allemaal, "Wong zei, "Dus we zijn erg enthousiast over het combineren van gegevens van meerdere observatoria om ons veel meer te vertellen dan we zouden kunnen leren van slechts één enkele bron."

Dit onderzoek wordt uitgevoerd als onderdeel van een Webb Early Release Science (ERS)-programma. Dit programma biedt tijd aan geselecteerde projecten in het begin van de missie van het observatorium, waardoor onderzoekers snel leren hoe ze de mogelijkheden van Webb het beste kunnen gebruiken, terwijl het ook robuuste wetenschap oplevert.

De James Webb Space Telescope wordt 's werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium wanneer hij in 2021 wordt gelanceerd. Webb zal mysteries in ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren, en onderzoek de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma onder leiding van NASA met haar partners, ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.