Et nyt syn på exoplaneter med NASAs kommende Webb-teleskop

Mens vi nu kender til tusindvis af exoplaneter - planeter omkring andre stjerner - er langt størstedelen af ​​vores viden indirekte. Det er, Forskere har faktisk ikke taget mange billeder af exoplaneter, og på grund af grænserne for den nuværende teknologi, vi kan kun se disse verdener som lyspunkter. Imidlertid, antallet af exoplaneter, der er blevet direkte afbildet, vokser over tid. Når NASAs James Webb-rumteleskop opsendes i 2021, det vil åbne et nyt vindue på disse exoplaneter, observere dem i bølgelængder, hvor de aldrig er set før og få ny indsigt om deres natur.

Exoplaneter er tæt på meget lysere stjerner, så deres lys overvældes generelt af værtsstjernernes lys. Astronomer finder normalt en exoplanet ved at udlede dens tilstedeværelse baseret på dæmpningen af ​​dens værtsstjernes lys, når planeten passerer foran stjernen - en begivenhed kaldet en "transit". Nogle gange trækker en planet i sin stjerne, får stjernen til at vakle lidt.

I nogle få tilfælde videnskabsmænd har taget billeder af exoplaneter ved at bruge instrumenter kaldet koronagrafer. Disse enheder blokerer stjernens blænding på nogenlunde samme måde, som du kan bruge din hånd til at blokere for solens lys. Imidlertid, at finde exoplaneter med denne teknik har vist sig at være meget vanskeligt. Alt det vil ændre sig med Webbs følsomhed. Dens indbyggede koronagrafier vil give videnskabsmænd mulighed for at se exoplaneter ved infrarøde bølgelængder, de aldrig har set dem i før.

Webbs unikke egenskaber

Coronagraphs har noget vigtigt til fælles med formørkelser. Under en formørkelse, månen blokerer solens lys, giver os mulighed for at se stjerner, der normalt ville blive overvældet af solens blænding. Astronomer udnyttede dette under formørkelsen i 1919, 100 år siden den 29. maj, for at teste Albert Einsteins generelle relativitetsteori. Tilsvarende en koronagraf fungerer som en "kunstig formørkelse" for at blokere lyset fra en stjerne, gør det muligt at se planeter, der ellers ville gå tabt i stjernens blænding.

"De fleste af de planeter, vi har opdaget indtil videre, er omkring 10, 000 til 1 million gange svagere end deres værtsstjerne, " forklarede Sasha Hinkley fra University of Exeter. Hinkley er den primære efterforsker på et af Webbs første observationsprogrammer til at studere exoplaneter og exoplanetære systemer.

"Der er, ingen tvivl, en befolkning af planeter, der er svagere end det, som har højere kontrastforhold, og er muligvis længere væk fra deres stjerner, " sagde Hinkley. "Med Webb, vi vil være i stand til at se planeter, der er mere som 10 millioner, eller optimistisk, 100 millioner gange svagere." For at observere deres mål, holdet vil bruge højkontrastbilleder, som skelner denne store forskel i lysstyrke mellem planeten og stjernen.

Webb vil have evnen til at observere sine mål i det mellem-infrarøde, som er usynlig for det menneskelige øje, men med en følsomhed, der er langt overlegen ethvert andet observatorium, der nogensinde er bygget. Det betyder, at Webb vil være følsom over for en klasse af planeter, der endnu ikke er opdaget. Specifikt, Saturn-lignende planeter ved meget brede kredsløbsadskillelser fra deres værtsstjerne kan være inden for rækkevidde af Webb.

"Vores program ser på unge, nydannede planeter og de systemer, de bebor, " forklarede co-principal investigator Beth Biller fra University of Edinburgh. "Webb vil give os mulighed for at gøre dette meget mere detaljeret og på bølgelængder, vi aldrig har udforsket før. Så det bliver afgørende for at forstå, hvordan disse objekter dannes, og hvordan disse systemer er."

Afprøvning af vandene

Holdets observationer vil være en del af Director's Discretionary-Early Release Science-program, som giver tid til udvalgte projekter tidligt i teleskopets mission. Dette program giver det astronomiske samfund mulighed for hurtigt at lære, hvordan man bedst bruger Webbs muligheder, samtidig med at det giver robust videnskab.

"Med vores ERS-program, vi vil virkelig 'teste vandet' for at få en forståelse af, hvordan Webb klarer sig, " sagde Hinkley. "Vi har virkelig brug for den bedste forståelse af instrumenterne, af stabiliteten, af den mest effektive måde at efterbehandle dataene på. Vores observationer vil fortælle vores samfund den mest effektive måde at bruge Webb på."

Målene

Hinkleys team vil bruge alle fire af Webbs instrumenter til at observere tre mål:En nyligt opdaget exoplanet; et objekt, der enten er en exoplanet eller en brun dværg; og en velundersøgt ring af støv og planetesimaler, der kredser om en ung stjerne.

• Exoplanet HIP 65426b:Denne nyopdagede, direkte afbildet exoplanet har en masse mellem seks og 12 gange Jupiters masse og kredser om en stjerne, der er varmere end og omkring dobbelt så massiv som vores sol. Exoplaneten er cirka 92 gange længere fra sin stjerne, end Jorden er fra Solen. Den brede adskillelse af denne unge planet fra dens stjerne betyder, at holdets observationer vil blive meget mindre påvirket af værtsstjernens klare skær. Hinkley og hans team planlægger at bruge Webbs fulde pakke af koronagrafier til at se dette mål.
• Planet-masse-ledsager VHS 1256b:Et objekt et sted omkring planeten/brun dværg-grænsen, VHS 1256b er også vidt adskilt fra sin røde dværgværtsstjerne - omkring 100 gange afstanden, som Jorden er fra Solen. På grund af dens brede adskillelse, observationer af dette objekt er meget mindre tilbøjelige til at blive påvirket af uønsket lys fra værtsstjernen. Ud over billeddannelse med høj kontrast, holdet forventer at få et af de første "ukorrupte" spektre af en planetlignende krop ved bølgelængder, hvor disse objekter aldrig før er blevet undersøgt.
• Circumstellar affaldsskive:I mere end 20 år, videnskabsmænd har studeret en ring af støv og planetesimaler, der kredser om en ung stjerne kaldet HR 4796A, som er omkring dobbelt så massiv som vores egen sol. Astronomer tror, ​​at de fleste planetsystemer sandsynligvis lignede HR 4796A og dens affaldsring i deres tidligste alder, gør dette til et særligt interessant mål at studere. Holdet vil bruge højkontrastbilledet af Webbs koronagrafier til at se disken i forskellige bølgelængder. Deres mål er at se, om skivens strukturer ser anderledes ud fra bølgelængde til bølgelængde.

Planlægning af programmet

For at planlægge dette Early Release Science-program, Hinkley stillede så mange medlemmer af det astronomiske samfund som muligt det enkle spørgsmål:Hvis du vil planlægge en undersøgelse for at søge efter exoplaneter, hvad er de spørgsmål, du har brug for svar på for at planlægge dine undersøgelser?

"Det, vi kom frem til, var et sæt observationer, som vi tror vil besvare disse spørgsmål. Vi vil fortælle samfundet, at det er den måde, Webb optræder på i denne tilstand, det er den slags følsomhed, vi får, og det er den slags kontrast, vi opnår. Og vi er nødt til hurtigt at vende det om og informere samfundet, så de virkelig kan forberede deres forslag, virkelig hurtigt."

Holdet er begejstret for at se deres mål i bølgelængder, der aldrig tidligere er blevet opdaget, og dele deres viden. Ifølge Biller, "Vi kunne se for mange år siden, at for nogle af de planeter, vi allerede har opdaget, Webb ville være virkelig transformerende."

James Webb Space Telescope bliver verdens førende rumvidenskabelige observatorium, når det opsendes i 2021. Webb vil løse mysterier i vores solsystem, se ud over til fjerne verdener omkring andre stjerner, og undersøge de mystiske strukturer og oprindelsen af ​​vores univers og vores plads i det. Webb er et internationalt program ledet af NASA med dets partnere, ESA (European Space Agency) og Canadian Space Agency.