In 1610 tuurde Galileo Galilei door een telescoop en merkte op:"Ik heb Jupiter gezien in het gezelschap van drie vaste sterren, totaal onzichtbaar door hun kleinheid. De planeten zijn erg rond, als kleine volle manen." In feite zag hij met zijn ogen, vergroot door zijn vroege telescoop, de grootste manen van de grootste planeet van ons zonnestelsel, Jupiter. Galileo identificeerde uiteindelijk Europa, Callisto, Io en Ganymedes, en ze zijn nu soms bekend als Jupiter's 'Galileïsche' satellieten.

Tegenwoordig lijkt de telescoop van Galileo rudimentair naast de veel grotere en krachtigere instrumenten die astronomen gebruiken. Onlangs heeft de krachtigste ruimtetelescoop die ooit door de mensheid is gebouwd en gelanceerd, zijn eerste beelden vrijgegeven aan het publiek.

Voor iedereen die geïnteresseerd is in astronomie en astrobiologie, wat betekent een missie als de Webb-ruimtetelescoop? De Webb-telescoop is niet ontworpen om naar leven te zoeken, maar zou belangrijke informatie kunnen ontsluiten over de bewoonbaarheid van exoplaneten en dus het potentieel voor leven buiten ons zonnestelsel. Maar wat betekent 'kijken' door een telescoop als Webb nu eigenlijk voor wetenschappers? Jacob Lustig-Yaeger, Erin May en Laura Mayorga, drie beginnende wetenschappers van het Johns Hopkins Applied Physics Lab, helpen verklaren hoe het leven als astronoom tegenwoordig is.

Hoe zien de gegevens van een ruimtetelescoop als Webb er eigenlijk uit voor een astrobioloog?

De telescoop heeft veel bedrijfsmodi die astronomen zullen gebruiken voor verschillende astronomische onderzoeken. Sommige modi zijn beeldvorming die verbluffende details van verschillende objecten vastlegt, vergelijkbaar met de sterrenstelsels en nevels die de Hubble-ruimtetelescoop heeft waargenomen. Maar voor astronomen die exoplaneten in andere planetaire systemen (bekend als exoplaneten) bestuderen, zijn we vooral geïnteresseerd in de spectroscopische mogelijkheden van de missie.

Heb je ooit een regenboog aan je muur zien dansen omdat er licht door je raam schijnt? Dat is een spectrum! Een spectrum is een manier om licht op te splitsen in alle kleuren waaruit het is gemaakt, zodat we het beter kunnen bestuderen. De kleurrijke regenboog waar we het meest bekend mee zijn, is wat er gebeurt als je zonlicht breekt, dat zichtbaar is voor je ogen. Maar licht bestaat ook uit veel meer "kleuren" dan alleen wat onze ogen kunnen zien. Deze telescoop zoekt naar "regenbogen" van infrarood licht, wat gewoon warmte is - het soort licht dat de zon of een hete oven warm laat aanvoelen.

De telescoop is echter niet je typische camera:de camera's zijn gemaakt van pixels die een soort van een stel emmers zijn die in een raster zijn opgesteld, zoals een ijsbak. Nadat de instrumenten het licht in die infrarode regenboog hebben gebroken, begint elke emmer zich te vullen met een specifieke kleur licht. Elke emmer telt de hoeveelheid licht die erin komt totdat hij vol raakt, of we vertellen de telescoop dat hij moet stoppen met het verzamelen van licht.

In werkelijkheid zijn de feitelijke gegevens slechts een aantal getallen die ons vertellen hoeveel licht de telescoop heeft waargenomen in de specifieke kleuren die we wilden verzamelen. Het "beeld" dat we terugkrijgen, verschijnt eigenlijk gewoon als een grote zwart-witte streep, maar dat is onze infrarode regenboog! Voor exoplaneten maken we vaak veel van deze foto's, de een na de ander, om te zien hoe die kleuren in de loop van de tijd veranderen wanneer de exoplaneet voor of achter zijn ster kruist.

Hoe ziet het werk van astronomen er de komende jaren dag in dag uit uit terwijl er gegevens worden verzameld?

Kortom, astronomen zijn tegenwoordig datawetenschappers die zowel data van telescopen analyseren, als simulaties ontwikkelen en uitvoeren van de astrofysische processen die plaatsvinden in alle verschillende hoeken van het universum. De meeste astronomen gebruiken de programmeertaal Python voor het dagelijkse werk, met name wetenschappers in het begin van hun loopbaan. Voor exoplaneetastronomen zijn de meeste van onze tools aangepaste softwarepakketten die speciaal zijn ontworpen voor de analyse en modellering van exoplaneetgegevens, soms zelfs aangepast aan de specifieke telescoop die we gebruiken of aangepast aan het type exoplaneet dat we bestuderen.

Terwijl de telescoop de komende jaren gegevens van exoplaneten verzamelt, zullen astronomen vele stappen doorlopen om de onbewerkte telescoopgegevens te vertalen naar nieuwe kennis over exoplaneten en de aard van hun atmosferen. Zoals eerder vermeld, beginnen de gegevens als een reeks afzonderlijke afbeeldingen van de infrarode regenboog, elk na elkaar genomen terwijl een exoplaneet voor of achter zijn ster kruist. Maar de hoeveelheid licht die elke emmer telt, brengt ook veel lawaai met zich mee. Zie dit als proberen een selfie te maken in het donker:de foto wordt een beetje korrelig. Dat komt omdat het vol lawaai is en heel weinig licht! Observationele astronomen besteden veel tijd aan het vinden van alle bronnen van ruis en bedenken slimme manieren om het te verwijderen met behulp van aangepaste computersoftwaretools. Nadat we de ruis van elk infrarood-regenboogbeeld hebben verwijderd, kunnen we een zogenaamde lichtcurve creëren, een manier om te laten zien hoe elke lichtkleur in de loop van de tijd verandert.

Wanneer we exoplaneten observeren, zoeken we meestal naar een dip in het licht wanneer de planeet voor de ster kruist, en deze dip verandert van grootte afhankelijk van de kleur van het licht. Wanneer die planeet voor de ster kruist, gaat wat stellair licht door de atmosfeer van de planeet en interageert het met de gassen en moleculen waaruit het is gemaakt. We kunnen informatie over de grootte van die dip gebruiken om ons te vertellen wat er in de atmosfeer van de planeet zit.

Vervolgens analyseren astronomen het spectrum van de exoplaneet met behulp van computermodellen om te begrijpen hoe de unieke kenmerken van de atmosfeer van de exoplaneet hebben geleid tot wat de telescoop heeft waargenomen. Door tientallen jaren laboratoriummetingen hier op aarde weten we precies hoe individuele moleculen interageren met licht en dat elk molecuul zijn eigen unieke spectrale vingerafdruk heeft. Dat wil zeggen, elk molecuul interageert op een iets andere manier met licht, en dit stelt ons in staat om ze te herkennen in onze waarnemingen. Met behulp van deze principes voeren astronomen computersimulaties uit van miljoenen verschillende mogelijke atmosferen die verschillende mengsels van gassen bevatten om te bepalen welke cocktail van moleculen de beste overeenkomst biedt met het spectrum dat de telescoop heeft gemeten.

Natuurlijk, nadat alle analyses zijn voltooid, zijn astronomen nog niet helemaal klaar. Zoals bij elke goede wetenschappelijke onderneming, zijn de laatste stappen het opschrijven van alle bevindingen in een manuscript dat door vakgenoten kan worden beoordeeld, in een academisch tijdschrift kan worden gepubliceerd en over de hele wereld kan worden gedeeld. + Verder verkennen

Kleinere telescopen op de grond kunnen ook exoplaneetatmosferen bestuderen