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Il telescopio spaziale James Webb: a quali domande risponderà?

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Gli obiettivi scientifici del telescopio spaziale James Webb coprono una vasta gamma di temi e affronteranno molte questioni aperte in astronomia. Possono essere suddivisi in quattro aree principali:

Altri mondi

Domande chiave: dove e come si formano ed evolvono i sistemi planetari?

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Grazie al campo in rapida evoluzione degli studi sugli esopianeti – pianeti oltre il nostro Sistema Solare – il telescopio spaziale James Webb sarà in grado di contribuire a domande chiave come: la Terra è unica? Esistono altri sistemi planetari simili al nostro? Siamo soli nell’Universo?

Cronologia della missione esopianeta. Le prime scoperte di esopianeti negli anni '90, da parte di osservatori a terra, hanno cambiato completamente la nostra prospettiva del Sistema Solare e hanno aperto nuove aree di ricerca che continuano ancora oggi. Questa infografica mette in evidenza i principali contributori spaziali al campo, comprese non solo le missioni dedicate agli esopianeti, ma anche le missioni sensibili agli esopianeti, passate, presenti e future. Credito: ESA
Cronologia della missione esopianeta. Le prime scoperte di esopianeti negli anni ’90, da parte di osservatori a terra, hanno cambiato completamente la nostra prospettiva del Sistema Solare e hanno aperto nuove aree di ricerca che continuano ancora oggi. Questa infografica mette in evidenza i principali contributori spaziali al campo, comprese non solo le missioni dedicate agli esopianeti, ma anche le missioni sensibili agli esopianeti, passate, presenti e future. Credito: ESA

Webb studierà in dettaglio le atmosfere di un’ampia varietà di esopianeti. Cercherà atmosfere simili a quella terrestre e le firme di sostanze chiave come metano, acqua, ossigeno, anidride carbonica e molecole organiche complesse, nell’entusiasmante speranza di trovare i mattoni della vita. In questo modo, il telescopio spaziale James Webb integrerà l’Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey (Ariel) dell’ESA, un telescopio spaziale che studierà di cosa sono fatti gli esopianeti, come si sono formati e come si evolvono.

Più vicino a casa, Webb studierà anche i pianeti esterni nel nostro Sistema Solare. Molti esopianeti assomigliano a Nettuno e Urano, quindi lo studio dei pianeti nel nostro stesso vicinato solare può fornire nuove intuizioni per una migliore comprensione della formazione planetaria in generale.

Il ciclo di vita delle stelle

Domande chiave: come e dove si formano le stelle? Cosa determina quanti di loro si formano e le loro masse individuali? Come muoiono le stelle e in che modo la loro morte influisce sul mezzo circostante?

Rappresentazione artistica di alcuni possibili percorsi evolutivi per stelle di diverse masse iniziali. Alcune proto-stelle, le nane brune, non diventano mai abbastanza calde da accendersi in stelle a tutti gli effetti, e semplicemente si raffreddano e svaniscono. Le nane rosse, il tipo più comune di stella, continuano a bruciare finché non hanno trasformato tutto il loro idrogeno in elio, trasformandosi in una nana bianca. Le stelle simili al sole si gonfiano in giganti rosse prima di gonfiare i loro gusci esterni in nebulose colorate mentre i loro nuclei collassano in una nana bianca. Le stelle più massicce collassano bruscamente una volta che hanno bruciato il loro combustibile, innescando un'esplosione di supernova o un lampo di raggi gamma e lasciando dietro di sé una stella di neutroni o un buco nero. Credito: ESA
Rappresentazione artistica di alcuni possibili percorsi evolutivi per stelle di diverse masse iniziali. Alcune proto-stelle, le nane brune, non diventano mai abbastanza calde da accendersi in stelle a tutti gli effetti, e semplicemente si raffreddano e svaniscono. Le nane rosse, il tipo più comune di stella, continuano a bruciare finché non hanno trasformato tutto il loro idrogeno in elio, trasformandosi in una nana bianca. Le stelle simili al sole si gonfiano in giganti rosse prima di gonfiare i loro gusci esterni in nebulose colorate mentre i loro nuclei collassano in una nana bianca. Le stelle più massicce collassano bruscamente una volta che hanno bruciato il loro combustibile, innescando un’esplosione di supernova o un lampo di raggi gamma e lasciando dietro di sé una stella di neutroni o un buco nero. Credito: ESA

Le stelle trasformano gli elementi semplici dell’Universo in elementi più pesanti e, attraverso esplosioni di supernova, li diffondono in tutto il cosmo. Osservando nella parte infrarossa dello spettro, il telescopio spaziale James Webb sarà in grado di scrutare attraverso gli involucri polverosi attorno alle stelle appena nate. La sua superba sensibilità consentirà inoltre agli astronomi di indagare direttamente sui deboli nuclei protostellari, le prime fasi della nascita delle stelle.

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Webb studierà le nane brune, oggetti deboli con masse tra quelle di un pianeta e una stella che non sono di per sé abbastanza massicce per avviare reazioni termonucleari e diventare stelle a tutti gli effetti. Webb determinerà come e perché nubi di polvere e gas collassano in stelle, o diventano pianeti giganti gassosi o nane brune.

Il telescopio spaziale James Webb vedrà anche le stelle più massicce esplodere come supernove e lasciare dietro di sé più nubi di polvere e gas, insieme ai preziosi metalli pesanti che arricchiscono il cosmo per formare nuove generazioni di stelle.

L’Universo primordiale

Domande chiave: che aspetto aveva l’Universo primordiale? Quando sono emerse le prime stelle e galassie?

Il campo ultra profondo di Hubble delle galassie. Un nuovo studio sull'attività di formazione stellare in 179 delle galassie in questa immagine, comprese molte risalenti a circa sei miliardi di anni fa, conferma un precedente risultato sconcertante: le galassie di massa inferiore tendono a formare stelle a una velocità leggermente più lenta del previsto. Credito: NASA, ESA e S. Beckwith (STScI) e il team HUDF
Il campo ultra profondo di Hubble delle galassie. Un nuovo studio sull’attività di formazione stellare in 179 delle galassie in questa immagine, comprese molte risalenti a circa sei miliardi di anni fa, conferma un precedente risultato sconcertante: le galassie di massa inferiore tendono a formare stelle a una velocità leggermente più lenta del previsto. Credito: NASA, ESA e S. Beckwith (STScI) e il team HUDF

Per la prima volta nella storia umana abbiamo l’opportunità di osservare direttamente la formazione delle prime stelle e galassie. La visione a infrarossi di Webb la rende una potente macchina del tempo che scruterà indietro di 13,5 miliardi di anni, spingendosi oltre i limiti dei ” campi profondi ” di Hubble che ci hanno mostrato le giovani galassie quando avevano solo poche centinaia di milioni di anni ed erano piccole, compatte e irregolari. La sensibilità all’infrarosso del telescopio spaziale James Webb non solo guarderà indietro nel tempo, ma rivelerà anche molte più informazioni su stelle e galassie nell’Universo primordiale. Mentre Hubble ha osservato le galassie “bambine”, Webb vedrà la fase “bambino”!

I dati di Webb risponderanno anche alle domande avvincenti su come si sono formati e cresciuti i buchi neri all’inizio e quale influenza hanno avuto sulla formazione e sull’evoluzione dell’Universo primordiale.

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Galassie nel tempo

Domande chiave: come si sono evolute le prime galassie nel tempo? Cosa possiamo imparare sulla materia oscura e sull’energia oscura?

Questa illustrazione riassume la storia lunga quasi 14 miliardi di anni del nostro Universo. Mostra i principali eventi accaduti tra la fase iniziale del cosmo, dove le sue proprietà erano quasi uniformi e punteggiate solo da minuscole fluttuazioni, alla ricca varietà di strutture cosmiche che osserviamo oggi: stelle e galassie. La serie di pannelli sul lato destro dell'illustrazione ingrandisce la struttura cosmica su larga scala per rivelare prima un ammasso di galassie, poi una galassia a spirale simile alla nostra Galassia della Via Lattea e, infine, il Sistema Solare. Credito: ESA
Questa illustrazione riassume la storia lunga quasi 14 miliardi di anni del nostro Universo. Mostra i principali eventi accaduti tra la fase iniziale del cosmo, dove le sue proprietà erano quasi uniformi e punteggiate solo da minuscole fluttuazioni, alla ricca varietà di strutture cosmiche che osserviamo oggi: stelle e galassie. La serie di pannelli sul lato destro dell’illustrazione ingrandisce la struttura cosmica su larga scala per rivelare prima un ammasso di galassie, poi una galassia a spirale simile alla nostra Galassia della Via Lattea e, infine, il Sistema Solare. Credito: ESA

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L’universo di oggi è popolato da galassie, isole cosmiche composte da centinaia di miliardi di stelle. Le loro dimensioni e forme sono molto diverse e contengono indizi su come si sono formati e si sono evoluti. Nei primi miliardi di anni, l’Universo era molto dinamico, con galassie che subivano eventi di fusione o venivano fatte a pezzi, e sono state costellate da esplosioni di supernova da stelle massicce di breve durata. Operando a lunghezze d’onda dell’infrarosso, il telescopio spaziale James Webb potrà osservare la maggior parte della luce proveniente da queste galassie primordiali e rivelare la loro nascita stellare avvolta dalla polvere e i buchi neri che assorbono materia.

Webb farà luce anche sulla materia oscura, il materiale che riempie il cosmo ma non è direttamente visibile. In questo modo, Webb completerà la missione Euclide dell’ESA che mapperà la geometria dell’Universo ed è specificamente progettata per studiare l’energia oscura, la forza dietro l’espansione accelerata dell’Universo, e la materia oscura.

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