Jupiter, uppkallad efter kungen av de antika romerska gudarna, styr sin egen miniversion av vårt solsystem av cirkulerande satelliter; deras rörelser övertygade Galileo Galilei om att jorden inte är universums centrum i början av 1600-talet. Mer än 400 år senare, astronomer kommer att använda NASA:s James Webb rymdteleskop för att observera dessa berömda ämnen, driva observatoriets instrument till deras fulla kapacitet och lägga grunden för långtgående vetenskapliga upptäckter.

Ett mångsidigt team med mer än 40 forskare, ledd av astronomerna Imke de Pater från University of California, Berkeley och Thierry Fouchet från Observatoire de Paris, har utformat ett ambitiöst observationsprogram som kommer att genomföra några av Webbs första vetenskapliga observationer i solsystemet – att studera Jupiter, dess ringsystem, och två av dess månar:Ganymedes och Io.

"Det kommer att bli ett riktigt utmanande experiment, sade de Pater. Jupiter är så ljus, och Webbs instrument är så känsliga, att observera både den ljusa planeten och dess svagare ringar och månar kommer att vara ett utmärkt test på hur man får ut det mesta av Webbs innovativa teknologi."

Jupiter

Förutom att kalibrera Webbs instrument för Jupiters ljusstyrka, astronomer måste också ta hänsyn till planetens rotation, eftersom Jupiter fullbordar en dag på bara 10 timmar. Flera bilder måste sys ihop i en mosaik för att helt fånga ett visst område – den berömda stormen känd som den stora röda fläcken, till exempel – en uppgift som försvåras när själva föremålet rör sig. Medan många teleskop har studerat Jupiter och dess stormar, Webbs stora spegel och kraftfulla instrument kommer att ge nya insikter.

"Vi vet att den omedelbara atmosfären ovanför den stora röda fläcken är kallare än andra delar av Jupiter, men på högre höjder, i mesosfären, atmosfären verkar vara varmare. Vi kommer att använda Webb för att undersöka detta fenomen, sa de Pater.

Webb kommer också att undersöka atmosfären i polarområdet, där NASA:s rymdfarkost Juno upptäckte kluster av cykloner. Webbs spektroskopiska data kommer att ge mycket mer detaljer än vad som har varit möjligt i tidigare observationer, mäta vindar, molnpartiklar, gassammansättning, och temperatur.

Framtida solsystemobservationer av jätteplaneterna med Webb kommer att dra nytta av lärdomarna från dessa tidiga observationer av det jovianska systemet. Teamet har till uppgift att utveckla metoder för att arbeta med Webb-observationer av solsystemets planeter, som senare kan användas av andra forskare.

Ringar

Alla fyra gasjätteplaneterna i solsystemet har ringar, med Saturnus som den mest framträdande. Jupiters ringsystem består av tre delar:en platt huvudring; en gloria inuti huvudringen, formad som en dubbelkonvex lins; och gossamer-ringen, yttre till huvudringen. Jupiters ringsystem är exceptionellt svagt eftersom partiklarna som utgör ringarna är så små och glesa att de inte reflekterar mycket ljus. Bredvid planetens ljusstyrka försvinner de praktiskt taget, utgör en utmaning för astronomer.

"Vi pressar verkligen kapaciteten hos några av Webbs instrument till gränsen för att få en unik ny uppsättning observationer, " sa medutredaren Michael Wong vid University of California, Berkeley. Teamet kommer att testa observationsstrategier för att hantera Jupiters spridda ljus, och bygga modeller för användning av andra astronomer, inklusive de som studerar exoplaneter som kretsar kring ljusa stjärnor.

Teamet kommer också att försöka göra nya upptäckter i ringarna. De Pater noterade att det kan finnas oupptäckta "efemära månar" i det dynamiska ringsystemet, och potentiella krusningar i ringen från kometnedslag, som de som observerades och spårades tillbaka till effekterna av Comet Shoemaker-Levy 9 1994.

Ganymedes

Flera egenskaper hos isiga Ganymedes gör det fascinerande för astronomer. Förutom att vara den största månen i solsystemet, och större till och med än planeten Merkurius, det är den enda månen som är känd för att ha sitt eget magnetfält. Teamet kommer att undersöka de yttersta delarna av Ganymedes atmosfär, dess exosfär, för att bättre förstå månens interaktion med partiklar i Jupiters magnetfält.

Det finns också bevis för att Ganymedes kan ha ett flytande saltvattenhav under sin tjocka isyta, som Webb kommer att undersöka med detaljerad spektroskopisk studie av ytsalter och andra föreningar. Teamets erfarenhet av att studera Ganymedes yta kan vara användbar i framtida studie av andra isiga solsystemsmånar som misstänks ha hav under ytan, inklusive Saturnus måne Enceladus och andra jovianska satelliten Europa.

Io

I dramatisk kontrast till Ganymedes är den andra månen som laget kommer att studera, Io, den mest vulkaniskt aktiva världen i solsystemet. Den dynamiska ytan är täckt med hundratals enorma vulkaner som skulle dvärga de på jorden, samt sjöar av smält lava och släta översvämningsslätter av stelnad lava. Astronomer planerar att använda Webb för att lära sig mer om effekterna av Ios vulkaner på dess atmosfär.

"Det finns fortfarande mycket vi inte vet om Ios atmosfäriska temperaturstruktur, eftersom vi inte har haft data för att skilja temperaturen på olika höjder, " sa de Pater. "På jorden tar vi för givet att när du vandrar uppför ett berg, luften blir svalare — skulle det vara samma sak på Io? Just nu vet vi inte, men Webb kan hjälpa oss att ta reda på det."

Ett annat mysterium som Webb kommer att undersöka på Io är förekomsten av "smygvulkaner, "som avger gasplymer utan det ljusreflekterande damm som kan upptäckas av rymdfarkoster som NASAs Voyager- och Galileo-uppdrag, och har så här långt gått oupptäckt. Webbs höga rumsliga upplösning kommer att kunna isolera enskilda vulkaner som tidigare skulle ha framstått som en stor hotspot, tillåter astronomer att samla in detaljerade data om Ios geologi.

Webb kommer också att tillhandahålla oöverträffade data om temperaturen på Ios hotspots, och avgöra om de är närmare vulkanismen på jorden idag, eller om de har en mycket högre temperatur, liknande miljön på jorden under de första åren efter dess bildande. Tidigare observationer från Galileo-uppdraget och markobservatorier har antytt dessa höga temperaturer; Webb kommer att följa upp den forskningen och tillhandahålla nya bevis som kan lösa frågan.

Laginsats

Webbs detaljerade observationer kommer inte att ersätta de från andra observatorier, utan snarare samordna med dem, Wong förklarade. "Webbs spektroskopiska observationer kommer att täcka bara ett litet område av planeten, så globala vyer från markbaserade observatorier kan visa hur de detaljerade Webb-data passar in med vad som händer i en större skala, liknande hur Hubble och Gemini Observatory ger sammanhang för Junos smala, närbilder."

I tur och ordning, Webbs studie av Jupiters stormar och atmosfär kommer att komplettera Juno-data, inklusive radiosignaler från blixtar, som Webb inte upptäcker. "Ingen observatorium eller rymdfarkost kan göra allt, " sa Wong, "så vi är väldigt glada över att kombinera data från flera observatorier för att berätta mycket mer än vi kunde lära oss från bara en enda källa."

Denna forskning genomförs som en del av ett Webb Early Release Science (ERS)-program. Detta program ger tid till utvalda projekt tidigt i observatoriets uppdrag, gör det möjligt för forskare att snabbt lära sig hur man bäst använder Webbs möjligheter, samtidigt som det ger robust vetenskap.

Rymdteleskopet James Webb kommer att vara världens främsta rymdforskningsobservatorium när det lanseras 2021. Webb kommer att lösa mysterier i vårt solsystem, se bortom till avlägsna världar runt andra stjärnor, och undersöka de mystiska strukturerna och ursprunget till vårt universum och vår plats i det. Webb är ett internationellt program som leds av NASA med sina partners, ESA (European Space Agency) och Canadian Space Agency.