NASAs Webb vil søge atmosfærer omkring potentielt beboelige exoplaneter

I denne måned er det tredje årsdagen for opdagelsen af ​​et bemærkelsesværdigt system af syv planeter kendt som TRAPPIST-1. Disse syv stenede, Verdener på størrelse med jorden kredser om en ultra-cool stjerne 39 lysår fra Jorden. Tre af disse planeter er i den beboelige zone, hvilket betyder, at de er i den rigtige kredsløbsafstand til at være varme nok til, at flydende vand kan eksistere på deres overflader. Efter lanceringen i 2021, NASAs James Webb-rumteleskop vil observere disse verdener med det mål at lave den første detaljerede nær-infrarøde undersøgelse af atmosfæren på en planet i en beboelig zone.

For at finde tegn på en atmosfære, astronomer vil bruge en teknik kaldet transmissionsspektroskopi. De observerer værtsstjernen, mens planeten krydser stjernens ansigt, kendt som en transit. Stjernens lys filtrerer gennem planetens atmosfære, som absorberer noget af stjernelyset og efterlader sigende fingeraftryk i stjernens spektrum.

At finde en atmosfære omkring en stenet exoplanet - det ord, videnskabsmænd bruger om planeter uden for vores solsystem - vil ikke være let. Deres atmosfærer er mere kompakte end gasgiganters, mens deres mindre størrelse betyder, at de opfanger mindre af stjernens lys. TRAPPIST-1 er et af de bedst tilgængelige mål for Webb, da stjernen i sig selv også er ret lille, hvilket betyder, at planeternes størrelse i forhold til stjernen er større.

"Atmosfærerne er sværere at opdage, men belønningen er højere. Det ville være meget spændende at lave den første påvisning af en atmosfære på en planet på størrelse med Jorden, " sagde David Lafrenière fra University of Montreal, hovedefterforsker på et af de hold, der undersøger TRAPPIST-1.

Røde dværgstjerner som TRAPPIST-1 har en tendens til at have voldsomme udbrud, der kan gøre TRAPPIST-1-planeterne ugæstfrie. Men at afgøre, om de har atmosfære, og i så fald hvad de er lavet af, er det næste skridt til at finde ud af, om livet, som vi kender det, kunne overleve på disse fjerne verdener.

En koordineret indsats

Mere end ét hold af astronomer vil studere TRAPPIST-1-systemet med Webb. De planlægger at bruge en række instrumenter og observationstilstande for at pirre så mange detaljer, som de kan, for hver planet i systemet.

"Det er en koordineret indsats, fordi intet hold kunne gøre alt, hvad vi ville med TRAPPIST-1-systemet. Samarbejdsniveauet har været virkelig spektakulært, " forklarede Nikole Lewis fra Cornell University, hovedefterforskeren på et af holdene.

"Med syv planeter at vælge imellem, vi kan hver især få et stykke af kagen, " tilføjede Lafrenière.

Lafrenières program vil målrette TRAPPIST-1d og -1f i et forsøg på ikke kun at opdage en atmosfære, men bestemme dens grundlæggende sammensætning. De forventer at kunne skelne mellem en atmosfære domineret af vanddamp, eller en består hovedsageligt af nitrogen (som Jorden) eller kuldioxid (som Mars og Venus).

Lewis' program vil observere TRAPPIST-1e med lignende mål. TRAPPIST-1e er en af ​​de planeter uden for vores solsystem, der har mest til fælles med Jorden i forhold til dens tæthed og mængden af ​​stråling, som den modtager fra sin stjerne. Det gør det til en god kandidat til beboelighed - men videnskabsmænd skal vide mere for at finde ud af det.

En bred vifte af planeter

Mens TRAPPIST-1-planeterne har særlig appel ud fra et synspunkt om potentiel beboelighed, Lafrenières program vil målrette mod en række forskellige planeter – fra klipper til mini-Neptunes til gasgiganter på størrelse med Jupiter – i forskellige afstande fra deres stjerner. Målet er at lære mere om, hvordan og hvor, disse planeter dannes.

I særdeleshed, astronomer fortsætter med at diskutere, hvordan gasformige planeter kan findes meget tæt på deres stjerner. De fleste tror, ​​at en sådan planet må være dannet længere ude i den protoplanetariske skive - skiven omkring en stjerne, hvor planeterne er født - da mere materiale er tilgængeligt langt fra stjernen, og vandrede derefter indad. Imidlertid, andre forskere teoretiserer, at selv store gasgiganter kan dannes relativt tæt på deres stjerne.

"Også, måske dannede de sig længere ude, men hvor meget længere ude?" spurgte Lewis.

For at hjælpe med at informere debatten, astronomer vil se på forholdet mellem kulstof og ilt i et udvalg af exoplaneter. Dette forhold kan tjene som et spor af, hvor en planet er dannet, fordi det varierer med afstanden fra stjernen.

Vejrkort

Ud over at undersøge planeter ved hjælp af transmissionsspektroskopi, holdene vil også anvende en teknik kendt som en fasekurve. Dette involverer at observere en planet i løbet af en hel bane, hvilket kun er praktisk til de varmeste verdener med de korteste omløbsperioder.

En planet, der kredser om sin stjerne meget tæt på, bliver tidevandslåst, hvilket betyder, at det altid viser det samme ansigt til stjernen, som Månen gør mod Jorden. Som resultat, fjerne observatører, der ser planeten, vil se den gå gennem forskellige faser, da forskellige sider af planeten er synlige på forskellige punkter i dens kredsløb.

Ved at måle planeten på forskellige tidspunkter, astronomer kan opbygge et kort over den atmosfæriske temperatur som funktion af længdegraden. Denne teknik blev udviklet af NASAs Spitzer Space Telescope, som lavede det første "vejrkort" over en exoplanet i 2007.

Ud over, ved at observere planetens egen varmeemission, astronomer kan modellere atmosfærens lodrette struktur.

"Med en fasekurve, vi kan bygge en komplet 3-D model af en planets atmosfære, " forklarede Lafrenière.

Dette arbejde udføres som en del af et Webb Guaranteed Time Observations (GTO) program. Dette program er designet til at belønne videnskabsmænd, der hjalp med at udvikle de vigtigste hardware- og softwarekomponenter eller teknisk og tværfaglig viden til observatoriet.