Im Jahr 1610 spähte Galileo Galilei durch ein Teleskop und stellte fest: „Ich habe Jupiter gesehen, begleitet von drei Fixsternen, die aufgrund ihrer Kleinheit völlig unsichtbar sind. Die Planeten sind sehr rund zu sehen, wie kleine Vollmonde.“ Tatsächlich sah er mit seinen Augen, vergrößert durch sein frühes Teleskop, die größten Monde des größten Planeten unseres Sonnensystems, Jupiter. Galileo identifizierte schließlich Europa, Callisto, Io und Ganymed, und sie sind heute manchmal als Jupiters „galileische“ Satelliten bekannt.
Heute würde Galileos Teleskop neben den viel größeren und leistungsstärkeren Instrumenten, die Astronomen verwenden, rudimentär erscheinen. Kürzlich hat das leistungsstärkste Weltraumteleskop, das jemals von der Menschheit gebaut und gestartet wurde, seine ersten Bilder der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.
Was bedeutet eine Mission wie das Webb-Weltraumteleskop für alle, die sich für Astronomie und Astrobiologie interessieren? Das Webb-Teleskop ist nicht darauf ausgelegt, nach Leben zu suchen, könnte aber wichtige Informationen über die Bewohnbarkeit von Exoplaneten und damit das Potenzial für Leben außerhalb unseres Sonnensystems liefern. Aber was bedeutet es für Wissenschaftler heute eigentlich, durch ein Teleskop wie Webb zu „schauen“? Jacob Lustig-Yaeger, Erin May und Laura Mayorga, drei Nachwuchswissenschaftler des Johns Hopkins Applied Physics Lab, helfen zu erklären, wie das Leben als Astronom heute ist.
Wie sehen eigentlich die Daten eines Weltraumteleskops wie Webb für einen Astrobiologen aus?
Das Teleskop verfügt über viele Betriebsmodi, die Astronomen für verschiedene astronomische Untersuchungen verwenden werden. Einige der Modi sind Bildgebungsmodi, die atemberaubende Details verschiedener Objekte erfassen, ähnlich den Galaxien und Nebeln, die das Hubble-Weltraumteleskop beobachtet hat. Aber für Astronomen, die Exoplaneten in anderen Planetensystemen (bekannt als Exoplaneten) untersuchen, sind wir besonders an den spektroskopischen Fähigkeiten der Mission interessiert.
Haben Sie jemals einen Regenbogen an Ihrer Wand tanzen sehen, weil Licht durch Ihr Fenster scheint? Das ist ein Spektrum! Ein Spektrum ist eine Möglichkeit, Licht in alle Farben aufzuteilen, aus denen es besteht, damit wir es besser untersuchen können. Der bunte Regenbogen, mit dem wir am besten vertraut sind, entsteht, wenn Sie das Sonnenlicht brechen, das für Ihre Augen sichtbar ist. Aber Licht besteht auch aus viel mehr „Farben“, als nur das, was unsere Augen sehen können. Dieses Teleskop sucht nach „Regenbögen“ aus Infrarotlicht, das nur Wärme ist – die Art von Licht, die die Sonne oder einen heißen Ofen warm erscheinen lässt.
Das Teleskop ist jedoch keine typische Kamera: Seine Kameras bestehen aus Pixeln, die wie ein Haufen Eimer aussehen, die in einem Gitter angeordnet sind, wie eine Eisschale. Nachdem die Instrumente das Licht in diesen Infrarotregenbogen zerlegt haben, beginnt sich jeder Eimer mit einer bestimmten Lichtfarbe zu füllen. Jeder Eimer zählt die Lichtmenge, die in ihn eintritt, bis er voll ist, oder wir sagen dem Teleskop, dass er aufhören soll, Licht zu sammeln.
In Wirklichkeit sind die tatsächlichen Daten nur ein Haufen Zahlen, die uns sagen, wie viel Licht das Teleskop in den spezifischen Farben, die wir sammeln wollten, beobachtet hat. Das „Bild“, das wir zurückerhalten, erscheint wirklich nur als großer schwarz-weißer Streifen, aber das ist unser Infrarot-Regenbogen! Bei Exoplaneten machen wir oft viele dieser Bilder nacheinander, um zu sehen, wie sich diese Farben im Laufe der Zeit ändern, wenn der Exoplanet vor oder hinter seinem Stern vorbeizieht.
Wie sieht die tägliche Arbeit der Astronomen in den kommenden Jahren aus, wenn Daten gesammelt werden?
Kurz gesagt, Astronomen sind heutzutage Datenwissenschaftler, die sowohl Daten von Teleskopen analysieren als auch Simulationen der astrophysikalischen Prozesse entwickeln und durchführen, die in allen verschiedenen Ecken des Universums stattfinden. Die Mehrheit der Astronomen verwendet die Programmiersprache Python für die tägliche Arbeit, insbesondere der wissenschaftliche Nachwuchs. Für Exoplanetenastronomen sind die meisten unserer Tools kundenspezifische Softwarepakete, die speziell für die Analyse und Modellierung von Exoplanetendaten entwickelt wurden und manchmal sogar an das spezifische Teleskop angepasst sind, das wir verwenden, oder auf den Typ des Exoplaneten zugeschnitten sind, den wir untersuchen.
Während das Teleskop in den nächsten Jahren Exoplanetendaten sammelt, werden Astronomen viele Schritte durchlaufen, um die rohen Teleskopdaten in neues Wissen über Exoplaneten und die Natur ihrer Atmosphären zu übersetzen. Wie bereits erwähnt, beginnen die Daten als eine Reihe von Einzelbildern des Infrarotregenbogens, die jeweils nacheinander aufgenommen werden, wenn ein Exoplanet vor oder hinter seinem Stern vorbeizieht. Aber die Lichtmenge, die jeder Eimer zählt, geht auch mit viel Lärm einher. Stellen Sie sich das so vor, als würden Sie versuchen, ein Selfie im Dunkeln zu machen: Das Bild wird etwas körnig. Das liegt daran, dass es voller Lärm und sehr wenig Licht ist! Beobachtende Astronomen verbringen viel Zeit damit, alle Quellen des Rauschens zu finden und clevere Wege zu finden, um es mit benutzerdefinierten Computersoftware-Tools zu entfernen. Nachdem wir das Rauschen aus jedem Infrarot-Regenbogenbild entfernt haben, können wir eine sogenannte Lichtkurve erstellen, eine Möglichkeit zu zeigen, wie sich jede Lichtfarbe im Laufe der Zeit ändert.
Wenn wir Exoplaneten beobachten, suchen wir normalerweise nach einem Lichtabfall, wenn der Planet vor dem Stern vorbeizieht, und dieser Abfall ändert seine Größe je nach Lichtfarbe. Wenn dieser Planet vor dem Stern vorbeizieht, dringt etwas Sternlicht durch die Atmosphäre des Planeten und interagiert mit den Gasen und Molekülen, aus denen er besteht. Wir können Informationen über die Größe dieses Einbruchs verwenden, um uns zu sagen, was sich in der Atmosphäre des Planeten befindet.
Als nächstes analysieren Astronomen das Spektrum des Exoplaneten mithilfe von Computermodellen, um zu verstehen, wie die einzigartigen Eigenschaften der Atmosphäre des Exoplaneten zu den Beobachtungen des Teleskops geführt haben. Aus jahrzehntelangen Labormessungen hier auf der Erde wissen wir genau, wie einzelne Moleküle mit Licht interagieren und dass jedes Molekül seinen eigenen einzigartigen spektralen Fingerabdruck besitzt. Das heißt, jedes Molekül interagiert auf eine etwas andere Weise mit Licht, und dies ermöglicht es uns, sie in unseren Beobachtungen zu erkennen. Unter Verwendung dieser Prinzipien führen Astronomen Computersimulationen von Millionen verschiedener möglicher Atmosphären durch, die unterschiedliche Gasgemische enthalten, um festzustellen, welcher Molekülcocktail die beste Übereinstimmung mit dem vom Teleskop gemessenen Spektrum bietet.
Nachdem die gesamte Analyse abgeschlossen ist, sind die Astronomen natürlich noch nicht ganz fertig. Wie bei jedem guten wissenschaftlichen Unterfangen bestehen die letzten Schritte darin, alle Ergebnisse in einem Manuskript niederzuschreiben, das einem Peer-Review unterzogen, in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht und weltweit geteilt werden kann.