Astronomer foreslår en ny metode til at finde atmosfærer på klippeverdener

Når NASAs James Webb-rumteleskop opsendes i 2021, et af dets mest forventede bidrag til astronomi vil være studiet af exoplaneter - planeter, der kredser om fjerne stjerner. Blandt de mest presserende spørgsmål inden for exoplanetvidenskab er:Kan en lille, stenet exoplanet, der kredser tæt på en rød dværgstjerne, holder fast i en atmosfære?

I en serie på fire artikler i Astrofysisk tidsskrift , et hold af astronomer foreslår en ny metode til at bruge Webb til at bestemme, om en stenet exoplanet har en atmosfære. Teknikken, som involverer måling af planetens temperatur, når den passerer bag sin stjerne og derefter kommer tilbage til syne, er betydeligt hurtigere end mere traditionelle metoder til atmosfærisk detektion som transmissionsspektroskopi.

"Vi finder ud af, at Webb let kunne udlede tilstedeværelsen eller fraværet af en atmosfære omkring et dusin kendte stenede exoplaneter med mindre end 10 timers observationstid pr. planet, " sagde Jacob Bean fra University of Chicago, medforfatter på tre af papirerne.

Astronomer er særligt interesserede i exoplaneter, der kredser om røde dværgstjerner af en række årsager. Disse stjerner, som er mindre og køligere end solen, er den mest almindelige type stjerne i vores galakse. Også, fordi en rød dværg er lille, en planet, der passerer foran den, ser ud til at blokere en større del af stjernens lys, end hvis stjernen var større, som vores sol. Dette gør planeten, der kredser om en rød dværg, lettere at opdage gennem denne "transit"-teknik.

Røde dværge producerer også meget mindre varme end vores sol, så for at nyde beboelige temperaturer, en planet skulle kredse ret tæt på en rød dværgstjerne. Faktisk, at være i den beboelige zone – området omkring stjernen, hvor flydende vand kunne eksistere på en planets overflade – skal planeten kredse meget tættere på stjernen, end Merkur er på solen. Som resultat, det vil passere stjernen oftere, gør gentagne observationer lettere.

Men en planet, der kredser så tæt på en rød dværg, er udsat for barske forhold. Unge røde dværge er meget aktive, udsprængning af store flares og plasmaudbrud. Stjernen udsender også en stærk vind af ladede partikler. Alle disse effekter kunne potentielt skure væk en planets atmosfære, efterlader en bar sten.

"Atmosfærisk tab er den største eksistentielle trussel mod planeternes beboelighed, " sagde Bean.

En anden nøgleegenskab ved exoplaneter, der kredser tæt på røde dværge, er central i den nye teknik:De forventes at være tidevandslåste, hvilket betyder, at de har en permanent dag- og natside. Som resultat, vi ser forskellige faser af planeten på forskellige punkter i dens kredsløb. Når den krydser stjernens ansigt, vi ser kun planetens natside. Men når den er ved at krydse bag stjernen (en begivenhed kendt som en sekundær formørkelse), eller bare dukker op bag stjernen, vi kan observere dagen.

Hvis en stenet exoplanet mangler en atmosfære, dens dagside ville være meget varm, ligesom vi ser med Månen eller Merkur. Men hvis en stenet exoplanet har en atmosfære, tilstedeværelsen af ​​denne atmosfære forventes at sænke den dagtemperatur, som Webb ville måle. Det kunne gøre dette på to måder. En tyk atmosfære kunne transportere varme fra dagsiden til natsiden gennem vind. En tyndere atmosfære kunne stadig være vært for skyer, som reflekterer en del af det indkommende stjernelys og derved sænker temperaturen på planetens dagside.

"Når du tilføjer en atmosfære, du vil sænke temperaturen på dagen. Så hvis vi ser noget køligere end bare sten, vi ville udlede, at det sandsynligvis er et tegn på en atmosfære, " forklarede Daniel Koll fra Massachusetts Institute of Technology (MIT), hovedforfatteren på to af papirerne.

Webb er ideel til at foretage disse målinger, fordi den har et meget større spejl end andre teleskoper såsom NASAs Hubble eller Spitzer rumteleskoper, som gør det muligt at samle mere lys, og det kan målrette de passende infrarøde bølgelængder.

Holdets beregninger viser, at Webb burde være i stand til at detektere varmesignaturen af ​​en planets atmosfære i en til to sekundære formørkelser - blot et par timers observationstid. I modsætning, at detektere en atmosfære gennem spektroskopiske observationer vil typisk kræve otte eller flere transitter for de samme planeter.

Transmissionsspektroskopi, som studerer stjernelys filtreret gennem planetens atmosfære, lider også af interferens på grund af skyer eller dis, som kan maskere atmosfærens molekylære signaturer. I så fald er spektralplot, i stedet for at vise udtalte absorptionslinjer på grund af molekyler, ville være i det væsentlige flad.

"I transmissionsspektroskopi, hvis du får en flad linje, det siger dig ikke noget. Den flade linje kan betyde, at universet er fyldt med døde planeter, der ikke har en atmosfære, eller at universet er fyldt med planeter, der har en lang række forskellige, interessante atmosfærer, men de ser alle ens ud for os, fordi de er overskyede, " sagde Eliza Kempton fra University of Maryland, medforfatter på tre af papirerne.

"Exoplanetatmosfærer uden skyer og dis er som enhjørninger - vi har bare ikke set dem endnu, og de eksisterer måske slet ikke, " tilføjede hun.

Holdet understregede, at en køligere end forventet dagtemperatur ville være et vigtigt fingerpeg, men det ville ikke absolut bekræfte, at der eksisterer en atmosfære. Enhver tilbageværende tvivl om tilstedeværelsen af ​​en atmosfære kan udelukkes med opfølgende undersøgelser ved hjælp af andre metoder som transmissionsspektroskopi.

Den nye tekniks sande styrke vil være i at bestemme, hvilken brøkdel af stenede exoplaneter, der sandsynligvis har en atmosfære. Omtrent et dusin exoplaneter, der er gode kandidater til denne metode, blev opdaget i løbet af det seneste år. Der vil sandsynligvis blive fundet flere, når Webb er operationel.

"The Transiting Exoplanet Survey Satellite, eller TESS, finder bunker af disse planeter, " sagde Kempton.

Den sekundære formørkelsesmetode har en vigtig begrænsning:den fungerer bedst på planeter, der er for varme til at være placeret i den beboelige zone. Imidlertid, at bestemme, hvorvidt disse varme planeter er vært for atmosfærer, har vigtige konsekvenser for planeter i beboelig zone.

"Hvis varme planeter kan holde på en atmosfære, køligere burde være i stand til mindst lige så godt, sagde Koll.

James Webb Space Telescope vil være 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 projekt ledet af NASA med dets partnere, ESA (European Space Agency) og Canadian Space Agency.