To James Webb-instrumenter er bedst egnede til exoplanetatmosfærer

Den bedste måde at studere atmosfærerne i fjerne verdener med James Webb Space Telescope, planlagt til lancering i slutningen af ​​2018, vil kombinere to af sine infrarøde instrumenter, ifølge et hold af astronomer.

"Vi ønskede at vide, hvilken kombination af observationstilstande (af Webb) der giver dig det maksimale informationsindhold til den laveste pris, " siger Natasha Batalha, kandidatstuderende i astronomi og astrofysik og astrobiologi, Penn State, og ledende videnskabsmand på dette projekt.

"Informationsindhold er den samlede mængde information, vi kan få fra en planets atmosfæriske spektrum, fra temperatur og sammensætning af gassen - som vand og kuldioxid - til atmosfærisk tryk."

Batalha og Michael Line, Assisterende professor, School of Earth and Space Science, Arizona State University, udviklet en matematisk model til at forudsige mængden af ​​information, som forskellige Webb-instrumenter kunne udtrække om en exoplanets atmosfære.

Deres model forudsiger, at brug af en kombination af to infrarøde instrumenter - Near Infrared Imager og Slitless Spectrograph (NIRISS) og G395-tilstanden på Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) - vil give det højeste informationsindhold om en exoplanets atmosfære.

NIRISS er et alsidigt kamera og spektrograf, der vil observere infrarøde bølgelængder svarende til dem, Hubble-teleskopet dækker. NIRIS, ifølge Batalha og Line, skal kombineres med G395-tilstanden på NIRSpec, som vil observere mål i længere infrarøde bølgelængder ved Webbs højeste opløsning.

Tre hovedkarakteristika påvirker, hvor meget information et instrument kan udtrække - opløsning, maksimal observerbar lysstyrke, og bølgelængdeområde. Disse tilsammen bestemmer den samlede observerbare brøkdel af informationsindholdet i en planets atmosfæriske spektrum.

Både NIRISS og NIRSpec vil observere nær-infrarøde bølgelængder, det område af det elektromagnetiske spektrum, hvor de stjerner, som exoplaneter kredser omkring, skinner klarest. NIRISS er klar til at måle en stærk signatur af vand, og NIRSpec kan gøre det samme for metan og kuldioxid, tre kemiske forbindelser, der giver en betydelig mængde information om en atmosfære.

Batalha og Line testede hver af ti sandsynlige observationsmetoder for sig selv og i enhver mulig kombination med de andre metoder for at bestemme, hvilke der ville maksimere det samlede informationsindhold.

De hentede informationen fra et sæt simulerede planeter med temperaturer og sammensætninger, der dækker rækkevidden af ​​tidligere observerede exoplanetatmosfærer. Ved at sammenligne det genfindelige informationsindhold i hver planets atmosfære, Batalha og Line fandt ud af, at denne ene kombination af NIRISS og NIRSpec-tilstande giver mest information uanset exoplanetens temperatur eller sammensætning. Forskerne har offentliggjort disse resultater i Det astronomiske tidsskrift .

"Vi kender ikke en planets temperatur på forhånd, " siger Batalha. "Hvis du vil tage et skud i mørket, observation, du har størst chance for at få den information, du ønsker, med denne kombination af instrumenter."

Når en exoplanet krydser sin værtsstjerne og Jordens teleskoper, noget af stjernens lys passerer gennem exoplanetens atmosfære. Exo-atmosfæren efterlader sit fingeraftryk i stjernens lys - planetens transmissionsspektrum - hvorfra astronomer kan lære om exo-atmosfærens temperatur, kemisk sammensætning og struktur. Forskernes informationsindholdsanalyse fokuserer på den information, der kan hentes fra en planets transmissionsspektrum.

Selvom Webb først lanceres i slutningen af ​​2018, men astronomer planlægger allerede det første sæt observationer, de gerne vil have fra teleskopet.

"Hvis vi kan planlægge strategi nu, " siger Batalha, "Når den første cyklus af formelle forslag kommer rundt, kan vi sikre, at vi udvælger de bedste metoder til større forslag og ikke spilder værdifuld observationstid. På denne måde starter alle på lige vilkår med videnskaben."

Mens de fremhæver to NIRISS- og NIRSpec-tilstande som den bedste kombination til at observere de fleste exo-atmosfærer, Batalha og Line forklarer, at de andre tilstande stadig vil være nyttige til at observere forskellige træk ved exo-atmosfærer, som astronomerne ikke har testet for, som skyer, dis og atmosfærer varme nok til at udsende deres eget lys.

"I fremtiden, " siger Batalha, "der vil være et skub for at karakterisere den første Earth 2.0. Hvis vi ikke slår det fast nu og mestrer kunsten at karakterisere exo-atmosfærer, vi vil aldrig præcist karakterisere Earth 2.0."