Astronomen hebben veel over het heelal geleerd, maar hoe bestuderen ze astronomische objecten die te ver weg zijn om te bezoeken?

NASA OSIRIS-REx-ruimtevaartuig Het ruimtevaartuig vloog op 24 september 2023 langs de aarde en liet een monster van stof en grind vallen dat was verzameld van het oppervlak van de nabij de aarde gelegen asteroïde Bennu.

Analyse van dit monster zal wetenschappers helpen begrijpen hoe het zonnestelsel is gevormd en uit welk type materiaal. Wetenschappers zullen hun analyse beginnen in Dezelfde faciliteit Dat analyseerde rotsen en stof van de Apollo-maanlanding.

Als astronoom Terwijl ik bestudeerde hoe planeten zich rond verre sterren vormen, voelde ik me opgewonden toen ik naar de uitzending keek van een Bennu-sample die afdaalde in de woestijn van Utah, en een beetje jaloers. Degenen onder ons die jonge, verre zonnestelsels bestuderen, kunnen geen robotruimtevaartuigen sturen om ze van dichterbij te bekijken, laat staan ​​een monster te nemen voor laboratoriumanalyse. In plaats daarvan vertrouwen we op observaties op afstand.

Maar wat astronomen met telescopen kunnen meten, is niet wat we echt willen weten. In plaats daarvan berekenen we de eigenschappen die we willen bestuderen door eigenschappen van veraf te observeren en te interpreteren.

Gereedschappen van astronomen

Asteroïden zijn als fossielen, samengesteld uit rotsachtig materiaal afkomstig uit de vorming en vroege evolutie van het zonnestelsel, en vrijwel onveranderd bewaard gebleven. Dit is hoe de originele monsters van Bennu astronomen zullen helpen meer te weten te komen over de samenstelling van ons zonnestelsel.

De afgelopen decennia hebben astronomen dit geleerd Gas- en stoftabletten Protoplanetaire schijven die rond jonge sterren draaien, worden protoplanetaire schijven genoemd. Het observeren van deze schijven – die enkele lichtjaren buiten ons zonnestelsel liggen – zou astronomen kunnen helpen het proces van vroege planeetvorming te begrijpen, maar ze zijn te ver weg voor een voorbeeldretourmissie als OSIRIS-REx om direct te meten wat er gebeurt. Stof en asteroïden in deze systemen gemaakt van.

Het enige dat astronomen zoals ik kunnen doen, is deze verre gebieden van het universum van veraf observeren, met behulp van telescopen hier op aarde of in een baan nabij de aarde. Maar zelfs met beperkte hulpmiddelen en technieken kunnen we er nog steeds veel over leren.

Afstand en helderheid

de De dichtstbijzijnde protoplanetaire systemen Het bevindt zich op een paar honderd lichtjaar afstand van de zon, maar grote afstanden kunnen we niet rechtstreeks meten. In plaats daarvan moeten we de afstand indirect met behulp van precisie bepalen ParallaxmetingenKleine veranderingen in de schijnbare positie van een ster, veroorzaakt door ons veranderende perspectief terwijl de aarde om de zon draait.

Zodra we hun afstand tot de aarde kennen, kunnen we een andere fundamentele fysieke eigenschap van protoplanetaire schijven bepalen: hun helderheid en de helderheid van hun sterren.

Glitters Het is de energieproductie van het lichaam, gemeten in watt. De helderheid van een ster zoals onze zon Honderden biljoenen biljoenen watt. Net zoals zonlicht het weer en de chemie van de planetaire atmosferen in ons zonnestelsel beïnvloedt, heeft de helderheid van een jonge ster rechtstreeks invloed op het materiaal in zijn protoplanetaire schijf. Helderheid kan de grootte en samenstelling veranderen van stofdeeltjes die later asteroïden en planetaire kernen zullen vormen.

Maar helderheid verwijst niet rechtstreeks naar helderheid. De gemeten helderheid van een ster of ander lichtgevend object neemt af met het kwadraat van de afstand tot ons. We meten de schijnbare helderheid van een ster, of hoe helder deze is in een digitaal beeld, en dan… Bereken de helderheid ervan Van deze waargenomen helderheid en afstand van de ster.

Kleur en temperatuur

De helderheid is ook afhankelijk van de temperatuur – warmere objecten zijn meestal helderder – maar we kunnen de temperaturen van verre systemen niet rechtstreeks meten. Astronomie wetenschappers Bepaal de temperatuur Met behulp van nauwkeurige metingen van de schijnbare kleur van de ster en van het gas en stof dat in zijn planeetvormende schijf draait.

Kleurenafbeeldingen van hemellichamen die u ziet vanuit observatoria zoals de Hubble- of James Webb-ruimtetelescopen zijn Combinaties van meerdere afbeeldingen Genomen door een reeks gekleurde filters.

Voor astronomen zijn kleuren getallen die de helderheid van een object op de ene golflengte beschrijven, vergeleken met de helderheid op een andere golflengte. Warmere objecten zenden meer blauw licht uit dan rood licht, dus hun kleur lijkt blauwer en het overeenkomstige getal is kleiner. Astronomen meten kleur gedetailleerder door sterlicht door een klein prisma te laten gaan dat in de camera van de telescoop is gemonteerd. Dit prisma verstrooit licht in een spectrum.

Het lichtspectrum van een ster en het omringende materiaal is geen vloeiende regenboog van kleuren. Scherpe heldere en donkere kenmerken in spectra duiden op de aanwezigheid en relatieve overvloed van atomen, moleculen en zelfs metalen. Deze chemische elementen zenden of absorberen licht op een unieke en herkenbare manier Combinaties van kleuren.

Meting en interpretatie

Zie jij een opkomend thema? Astronomen kunnen slechts een paar ogenschijnlijke eigenschappen meten: helderheid, kleur, positie aan de hemel, vorm, hoekgrootte en hoe elk van deze in de loop van de tijd verandert. Dit zijn dezelfde kenmerken die ieder van ons met onze zintuigen meet om in het dagelijks leven door onze omgeving te navigeren. Ze zijn niets vreemds of bijzonders.

Alles wat astronomen weten over verre zonnestelsels en hun samenstelling is echter afgeleid van metingen van deze bekende, nog niet waargenomen verschijnselen. De rijke, gedetailleerde beschrijvingen die we in de astronomie en astrofysica verwachten, komen voort uit het toepassen van ons begrip van scheikunde en natuurkunde op deze metingen.

De komst van het Bennu-exemplaar is opwindend omdat het ‘echt’ is. De komende maanden en jaren zullen wetenschappers dit stof onderzoeken als leidraad voor ons onderzoek naar niet alleen asteroïden en interplanetair stof, maar ook naar interstellair stof in verre zonnestelsels. Ik ben benieuwd wat deze nieuwe details ons zullen leren over kosmisch stof, een van de bouwstenen van planeten overal ter wereld.