Uzak Dünyaların Sırlarını Çözmek: Webb’in Korografları Kızılötesinde Ötegezegenleri Nasıl Ortaya Çıkarıyor?

Bu sanatçının tasarımı, tamamen açılmış James Webb Uzay Teleskobu’nu uzayda göstermektedir. Kredi: Adriana Manrique Gutierrez, NASA Animatörü

Ötegezegenlerin incelenmesi, James Webb Uzay Teleskobu’nun bilimsel hedeflerinin merkezi bir yönüdür. NASA, Goddard Uzay Uçuş Merkezi’nden Gözlemevi Projesi Bilim Adamı Yardımcısı Christopher Stark’ı, Webb’in bu uzak dünyaları araştırmak için kullandığı yöntemlerden biri hakkındaki görüşlerini paylaşması için davet etti.

NASA’nın James Webb Uzay Teleskobu, birçok farklı gözlem moduna sahiptir. dış gezegenler olarak bilinen diğer yıldızların yörüngesinde dönen gezegenleri inceleyin. Özellikle bir yolu, Webb’in bu gezegenlerden bazılarını doğrudan tespit edebilmesidir. Diğer yıldızların etrafındaki gezegenleri doğrudan tespit etmek kolay bir iş değil. En yakın yıldızlar bile o kadar uzaktalar ki, gezegenleri birbirinden kol mesafesinde tutulan bir insan saçı kadar kısa bir mesafeyle ayrılmış gibi görünüyor. Bu küçük açısal ölçeklerde, gezegenin zayıf ışığı, onu gözlemlemeye çalışırken ev sahibi yıldızının parıltısında kayboluyor.

Neyse ki, Webb bu iş için doğru araçlara sahip: Yakın Kızılötesi Kamera (NIRCam) ve Orta Kızılötesi Cihaz (MIRI) koronografik modları. Webb’in koronagrafları, uzak bir yıldızdan gelen ışığı engellerken, zayıf gezegen ışığının sensörlerine ulaşmasına izin veriyor. Webb çok daha gösterişli bir “vizör” kullansa da bu, gün batımı veya gün doğumu sırasında önümüzde duran arabaları görmek için arabamızın vizörünü kullanma şeklimizden farklı değil.

Webb NIRCam ve MIRI koronografik ötegezegen HIP 65426’nın görüntüleri b. Beyaz yıldız sembolü, koronagraflar tarafından bloke edilen yıldızın yerini gösterir. Dış gezegen, gözbebeği düzlemi korograf maskeleri nedeniyle Webb’in ayırt edici özelliği olan altı çivili kırınım modelini göstermiyor. Kredi: ASA/ESA/CSA, A Carter (UCSC), ERS 1386 ekibi ve A. Pagan (STScI).

Işığın Webb optiklerinden geçtiği yol boyunca birkaç önemli konum vardır “uçaklar” denir. “Görüntü düzlemi”, tüm astrofiziksel nesneler dahil olmak üzere uzak gökyüzünün odaklandığı yerdir. “Gözbebeği düzlemi”, Webb’in “selfie”sini yapmak için kullanılan birincil aynanın yüzeyinin odakta olmasını sağlar. Webb’in tüm koronagrafları, performansı optimize etmek için hem görüntüde hem de gözbebeği düzlemlerinde istenmeyen yıldız ışığını fiziksel olarak gizler. Webb’in opak noktalara veya çubuklara benzeyen görüntü düzlem maskelerinin çoğu, yıldız ışığını görüntüde engelleyerek ortadan kaldırır. Bunun istisnası, MIRI’nin ışık dalgasının bir bölümünün dalga tepelerini kaydırarak “yıkıcı girişim” adı verilen bir süreçle başka bir parçayla birbirini yok eden “dört çeyrek faz maskeleri”dir.

{10 }

Solda: NIRCam’ın iki kama şeklindeki çubuktan ve üç yuvarlak noktadan (soldan sağa) oluşan korografik görüntü düzlem maskesi donanımı. Sağda: MIRI’nin üç faz kaydırmalı dört kadran faz maskesi ve bir yuvarlak noktadan (soldan sağa) oluşan dört koronografik görüntü düzlem maskesi donanımı. Kredi: NASA

Ancak, ışığın dalgalı yapısı nedeniyle görüntü düzlem maskeleri yıldızı tamamen engelleyemez. Bu nedenle Webb, kalan yıldız ışığının çoğunu gidermek için Lyot durakları olarak da adlandırılan ek gözbebeği düzlem maskeleri kullanır. Bu gözbebeği düzlem maskeleri, altıgen birincil aynadan (teleskop “gözbebeği”) çok farklı görünür. Sonuç olarak, koronagraflarla görüntülenen nesneler, yukarıdaki gözlemlerde gösterildiği gibi, Webb’in ayırt edici özelliği olan altı çivili kırınım modelini göstermez.

NIRCam’ın gözbebeği düzlem maskesi/Lyot durağının resmi yuvarlak görüntü düzlem maskesi (solda) ve çubuk görüntü düzlem maskesi (sağda).Webb’in teleskop gözbebeği, karşılaştırma için gri renkte gösterilmiştir. Kredi: Mao ve diğerleri. 2011

Webb’in NIRCam cihazı, her biri 1,7 ila 5 mikron arasında değişen farklı dalga boylarını gözlemlemek üzere yapılandırılabilen beş korografik maskeye sahiptir. Webb’in MIRI cihazı, 10 ila 23 mikron arasında sabit dalga boylarında çalışan dört koronografik maskeye sahiptir. Koronagraflar, yıldızdan 0,13 yay saniyesi kadar yakın ve yıldızdan yaklaşık 30 yay saniyesi kadar uzaktaki nesneleri gözlemleyebilir; bu, kabaca birkaç Astronomik Birimden (au) yakın yıldızların etrafındaki yüzlerce au’ya kadar değişen yıldız ötesi mesafelere dönüşür. Bir AU, Dünya ile Güneş arasındaki mesafeye eşittir.

Maskelere rağmen, Webb’in koronagrafları bir yıldızın ışığını mükemmel bir şekilde ortadan kaldırmaz. Son ışık kalıntılarını ortadan kaldırmak için Webb’in astronomları, çeşitli “nokta dağılım fonksiyonu (PSF) çıkarma yöntemlerini” dikkatli bir şekilde kullanacaklar. Basitçe söylemek gerekirse, bu, artık yıldız ışığının modelini ölçmek ve ardından onu bilim görüntüsünden çıkarmak anlamına gelir. Sonunda geriye kalan, algılanabilir en sönük ötegezegeni sınırlayan gürültülü görünümlü bir kalıptır. Bu sınır, algılanabilir en sönük gezegen ile yıldız arasındaki parlaklık oranı olan “karşıtlık” cinsinden ifade edilir. Devreye alma sırasında Webb’in NIRCam ve MIRI koronagrafları, 1 yay saniyesi ayrımda sırasıyla 10-5 ve 10-4’ten daha iyi kontrastlar gösterdi.

Solda: MIRI ile bastırmadan sonra artık yıldız ışığının örnek görüntüsü F1065C koronagrafı. Sağda: Kalan yıldız kalıntılarının çoğunu kaldıran PSF çıkarımından sonraki aynı görüntü. Yıldız görüntünün merkezinde yer almaktadır. Görüntünün ortasındaki siyah ve sarı desen, bir gözlemde saptanabilen en sönük gezegeni gösteriyor. Kredi bilgileri: Boccaletti ve ark. (2022)

Webb’in büyük ana aynası ve kızılötesi yetenekleri, koronagraflarının, kızılötesinde sönük nesneleri incelemek için benzersiz bir şekilde uygun olduğu ve Hubble’ın STIS koronagrafı ve çoklu dahil olmak üzere şu anda diğer dalga boylarında gözlem yapan diğer cihazları tamamlayacağı anlamına gelir. yer tabanlı gözlemevlerindeki aletler. Ötegezegen astronomları, yukarıda gösterilenler gibi, 5 mikrondan daha uzun dalga boylarında bir ötegezegenin ilk görüntüleri olan, oluşmaya henüz sıcak olan dev güneş dışı gezegenleri tespit etmek için esas olarak Webb’in koronagraflarını kullanacaklar. Webb ayrıca, bu ötegezegen sistemlerindeki asteroitler ve kuyruklu yıldızlar tarafından üretilen yoğun yıldız ötesi diskleri ve ayrıca gezegenlerin hala oluşmaya başladığı protogezegen disklerini görüntülemede başarılı olacaktır. Webb’in koronagrafları, parlak aktif galaktik çekirdekler içeren ev sahibi galaksileri incelemek üzere galaksi dışı astronomi için bile kullanılabilir.

Webb’in koronagrafları, bir gezegen sisteminin tüm sırlarını ortaya çıkaramayacak. Yakındaki Güneş benzeri yıldızların çevresinde bizimki gibi gezegenleri hayal edebilmek için, yıldıza daha da yakın gözlemler yapmamız ve yıldızın parlaklığının yalnızca on milyarda biri kadar olan gezegenleri tespit edebilmemiz gerekir. Bu, yeni nesil koronagraflar etrafında tamamen optimize edilmiş bir gelecek görevi gerektirecektir. Neyse ki, NASA zaten araştırıyor. Ajansın yaklaşmakta olan Nancy Grace Roman Uzay Teleskobu, yeni nesil koronagraf teknolojisini test etmek için bir teknoloji tanıtım aracı taşıyacak. Ve 2020 Astrophysics Decadal Survey’in tavsiyelerini takiben NASA, Webb kadar büyük olacak, Hubble ile aynı dalga boylarında çalışan, ancak diğer yıldızların etrafında gerçekten Dünya benzeri ötegezegenler bulun ve bunlarda yaşam belirtileri arayın.

Yazan Christopher Stark, Webb gözlemevi proje bilim adamı yardımcısı, NASA Goddard.

.