NASAs Webb-teleskop til at studere unge exoplaneter på kanten

Før planeter omkring andre stjerner først blev opdaget i 1990'erne, disse vidtstrakte eksotiske verdener levede kun i science fiction-forfatteres fantasi.

Men selv deres kreative sind kunne ikke have forestillet sig de mange forskellige verdener, astronomer har afsløret. Mange af disse verdener, kaldet exoplaneter, er vidt forskellige fra vores solsystems familie af planeter. De spænder fra stjernenamme "varme Jupiters" til overdimensionerede klippeplaneter kaldet "superjorde". Vores univers er tilsyneladende mærkeligere end fiktion.

Det er ikke let at se disse fjerne verdener, fordi de farer vild i deres værtsstjerners skær. At prøve at opdage dem er som at anstrenge sig for at se en ildflue svæve ved siden af ​​et fyrtårns strålende fyrtårn.

Det er derfor, astronomer har identificeret de fleste af de mere end 4, 000 exoplaneter fundet indtil videre ved hjælp af indirekte teknikker, såsom gennem en stjernes lille slingre eller dens uventede dæmpning, når en planet passerer foran den, blokerer noget af stjernelyset.

Disse teknikker fungerer bedst, imidlertid, for planeter, der kredser tæt på deres stjerner, hvor astronomer kan registrere ændringer over uger eller endda dage, mens planeten fuldfører sin bane om bane. Men at finde kun stjerneskimmende planeter giver ikke astronomerne et omfattende billede af alle mulige verdener i stjernesystemer.

En anden teknik, forskere bruger i jagten på exoplaneter, som er planeter, der kredser om andre stjerner, er en, der fokuserer på planeter, der er længere væk fra en stjernes blændende blænding. Forskere har afsløret unge exoplaneter, der er så varme, at de lyser i infrarødt lys ved hjælp af specialiserede billedbehandlingsteknikker, der blokerer genskin fra stjernen. På denne måde nogle exoplaneter kan direkte ses og studeres.

NASAs kommende James Webb-rumteleskop vil hjælpe astronomer med at søge længere ind i denne modige nye grænse. Webb, som nogle jordbaserede teleskoper, er udstyret med specielle optiske systemer kaldet coronagraphs, som bruger masker designet til at blokere så meget stjernelys som muligt for at studere svage exoplaneter og afsløre nye verdener.

To mål tidligt i Webbs mission er planetsystemerne 51 Eridani og HR 8799. Ud af de få dusin direkte afbildede planeter, astronomer planlægger at bruge Webb til at analysere i detaljer de systemer, der er tættest på Jorden og har planeter i den bredeste afstand fra deres stjerner. Det betyder, at de synes langt nok væk fra en stjernes blænding til at blive observeret direkte. HR 8799-systemet ligger 133 lysår og 51 Eridani 96 lysår fra Jorden.

Webbs planetariske mål

To observationsprogrammer tidligt i Webbs mission kombinerer de spektroskopiske egenskaber af den nære infrarøde spektrograf (NIRSpec) og billeddannelsen af ​​det nære infrarøde kamera (NIRCam) og det midt-infrarøde instrument (MIRI) for at studere de fire gigantiske planeter i HR 8799-systemet. I et tredje program, forskere vil bruge NIRCam til at analysere den gigantiske planet i 51 Eridani.

De fire gigantiske planeter i HR 8799-systemet er hver omkring 10 Jupiter-masser. De kredser mere end 14 milliarder miles fra en stjerne, der er lidt mere massiv end solen. Kæmpeplaneten i 51 Eridani er dobbelt så stor som Jupiter og kredser omkring 11 milliarder miles fra en sollignende stjerne. Begge planetsystemer har baner orienteret med ansigtet mod Jorden. Denne orientering giver astronomer en unik mulighed for at få et fugleperspektiv ned på toppen af ​​systemerne, som at se på de koncentriske ringe på et bueskydningsmål.

Mange exoplaneter, der findes i deres stjerners ydre baner, er vidt forskellige fra vores solsystemplaneter. De fleste af de exoplaneter, der er opdaget i denne ydre region, inklusive dem i HR 8799, er mellem fem og 10 Jupitermasser, gør dem til de mest massive planeter, der nogensinde er fundet til dato.

Disse ydre exoplaneter er relativt unge, fra snesevis af millioner til hundreder af millioner af år gamle – meget yngre end vores solsystems 4,5 milliarder år. Så de lyser stadig af varme fra deres formation. Billederne af disse exoplaneter er i det væsentlige babybilleder, afsløre planeter i deres ungdom.

Webb vil sondere ind i det mellem-infrarøde, et bølgelængdeområde, som astronomer sjældent har brugt før til at afbilde fjerne verdener. Dette infrarøde "vindue" er vanskeligt at observere fra jorden på grund af termisk emission fra og absorption i Jordens atmosfære.

"Webbs stærke side er det uhæmmede lys, der kommer gennem rummet i det mellem-infrarøde område, " sagde Klaus Hodapp fra University of Hawaii i Hilo, ledende efterforsker af NIRSpec-observationerne af HR 8799-systemet. "Jordens atmosfære er ret svær at arbejde igennem. De store absorptionsmolekyler i vores egen atmosfære forhindrer os i at se interessante træk i planeter."

Den mellem-infrarøde "er den region, hvor Webb virkelig vil give afgørende bidrag til at forstå, hvad de særlige molekyler er, hvad er egenskaberne ved atmosfæren, som vi håber at finde, og som vi egentlig ikke får bare fra den kortere, nær-infrarøde bølgelængder, " sagde Charles Beichman fra NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien, ledende efterforsker af NIRCam- og MIRI-observationerne af HR 8799-systemet. "Vi vil bygge videre på, hvad de jordbaserede observatorier har gjort, men målet er at udvide det på en måde, der ville være umulig uden Webb."

Hvordan dannes planeter?

Et af forskernes hovedmål i begge systemer er at bruge Webb til at hjælpe med at bestemme, hvordan exoplaneterne er dannet. Blev de skabt gennem en ophobning af materiale i skiven omkring stjernen, beriget med tunge grundstoffer såsom kulstof, ligesom Jupiter sandsynligvis gjorde? Eller, blev de dannet ved kollapset af en brintsky, som en stjerne, og blive mindre under tyngdekraftens ubarmhjertige træk?

Atmosfærisk makeup kan give fingerpeg om en planets fødsel. "En af de ting, vi gerne vil forstå, er forholdet mellem de elementer, der er gået ind i dannelsen af ​​disse planeter, " sagde Beichman. "Isærligt, kulstof versus ilt fortæller dig ret meget om, hvor gassen, der dannede planeten, kommer fra. Kom det fra en disk, der ophobede mange af de tungere grundstoffer, eller kom det fra det interstellare medium? Så det er det, vi kalder kulstof-til-ilt-forholdet, der er ret indikativt for dannelsesmekanismer."

For at besvare disse spørgsmål, forskerne vil bruge Webb til at sondere dybere ind i exoplaneternes atmosfærer. NIRCam, for eksempel, vil måle de atmosfæriske fingeraftryk af grundstoffer som metan. Den vil også se på skyfunktioner og temperaturerne på disse planeter. "Vi har allerede en masse information om disse nær-infrarøde bølgelængder fra jordbaserede faciliteter, " sagde Marshall Perrin fra Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland, ledende efterforsker af NIRCam-observationer af 51 Eridani f. "Men dataene fra Webb vil være meget mere præcise, meget mere følsom. Vi får et mere komplet sæt bølgelængder, inklusive at udfylde huller, hvor du ikke kan få de bølgelængder fra jorden."

Astronomerne vil også bruge Webb og dens fremragende følsomhed til at jage efter mindre massive planeter langt fra deres stjerne. "Fra jordbaserede observationer, vi ved, at disse massive planeter er relativt sjældne, " sagde Perrin. "Men vi ved også, at for de indre dele af systemer, Planeter med lavere masse er dramatisk mere almindelige end planeter med større masse. Så spørgsmålet er, gælder det også for disse yderligere adskillelser ud?" Beichman tilføjede, "Webbs drift i rummets kolde miljø tillader en søgen efter svagere, mindre planeter, umuligt at opdage fra jorden."

Et andet mål er at forstå, hvordan de utallige planetsystemer, der er opdaget indtil videre, blev skabt.

"Jeg tror, ​​at det, vi finder, er, at der er en enorm diversitet i solsystemer, " sagde Perrin. "Du har systemer, hvor du har disse varme Jupiter-planeter i meget tætte baner. Du har systemer, hvor du ikke har. Du har systemer, hvor du har en planet med 10 Jupiter masse, og systemer, hvor du ikke har noget mere massivt end flere Jorder. Vi ønsker i sidste ende at forstå, hvordan mangfoldigheden af ​​planetarisk systemdannelse afhænger af stjernens miljø, stjernens masse, alle mulige andre ting og til sidst gennem disse undersøgelser på befolkningsniveau, vi håber at sætte vores eget solsystem i kontekst."

NIRSpec spektroskopiske observationer af HR 8799 og NIRCam observationer af 51 Eridani er en del af Guaranteed Time Observations programmerne, der vil blive gennemført kort efter Webbs lancering senere i år. NIRCam- og MIRI-observationerne af HR 8799 er et samarbejde mellem to instrumenthold og er også en del af programmet Guaranteed Time Observations.