NASAs Webb for at udforske en nabo, støvet planetsystem

Forskere vil bruge NASAs kommende James Webb-rumteleskop til at studere Beta Pictoris, et spændende ungt planetsystem, der har mindst to planeter, et virvar af mindre, stenede kroppe, og en støvet disk. Deres mål omfatter at få en bedre forståelse af støvets strukturer og egenskaber for bedre at kunne fortolke, hvad der sker i systemet. Da det kun er omkring 63 lysår væk og fyldt med støv, det ser lyst ud i infrarødt lys – og det betyder, at der er en masse information, som Webb kan indsamle.

Beta Pictoris er målet for flere planlagte Webb-observationsprogrammer, inklusive en ledet af Chris Stark fra NASAs Goddard Space Flight Center og to ledet af Christine Chen fra Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. Starks program vil afbilde systemet direkte efter at have blokeret lyset fra stjernen for at samle en række nye detaljer om dens støv. Chens programmer vil samle spektre, som spreder lys ud som en regnbue for at afsløre, hvilke elementer der er til stede. Alle tre observationsprogrammer vil tilføje kritiske detaljer til, hvad der er kendt om dette nærliggende system.

Først, en gennemgang af, hvad vi ved

Beta Pictoris er jævnligt blevet undersøgt i radio, infrarød, og synligt lys siden 1980'erne. Stjernen i sig selv er dobbelt så massiv som vores sol og en del varmere, men også væsentligt yngre. (Solen er 4,6 milliarder år gammel, men Beta Pictoris er cirka 20 millioner år gammel.) På dette stadium, stjernen er stabil og huser mindst to planeter, som begge er langt mere massive end Jupiter. Men dette planetsystem er bemærkelsesværdigt, fordi det er her, de første exokometer (kometer i andre systemer) blev opdaget. Der er ret mange kroppe, der lyner rundt om dette system!

Ligesom vores eget solsystem, Beta Pictoris har en affaldsskive, som omfatter kometer, asteroider, sten i forskellige størrelser, og masser af støv i alle former, der kredser om stjernen. (En affaldsskive er langt yngre og kan være mere massiv end vores solsystems Kuiperbælt, som begynder i nærheden af ​​Neptuns bane og er der, hvor mange kortperiodekometer stammer fra.)

Denne ydre ring af støv og snavs er også dér, hvor der sker megen aktivitet. Småsten og kampesten kunne støde sammen og brækkes i langt mindre stykker - sende masser af støv ud.

Undersøgelse af dette planetariske system

Starks team vil bruge Webbs koronagrafier, som blokerer stjernens lys, at observere de svage dele af affaldsskiven, der omgiver hele systemet. "Vi ved, at der er to massive planeter omkring Beta Pictoris, og længere ude er der et bælte af små kroppe, der kolliderer og fragmenteres, " forklarede Stark. "Men hvad er der imellem? Hvor ligner dette system vores solsystem? Kan støv og vandis fra det ydre bælte til sidst trænge ind i systemets indre område? Det er detaljer, vi kan hjælpe med at drille ud med Webb."

Webbs billeder vil give forskerne mulighed for at studere, hvordan de små støvkorn interagerer med planeter, der er til stede i det system. Plus, Webb vil beskrive alt det fine støv, der strømmer fra disse objekter, giver forskerne mulighed for at udlede tilstedeværelsen af ​​større klippelegemer, og hvad deres fordeling er i systemet. De vil også nøje vurdere, hvordan støvet spreder lys og reabsorberer og genudsender lys, når det er varmt, giver dem mulighed for at begrænse, hvad støvet er lavet af. Ved at katalogisere detaljerne i Beta Pictoris, forskerne vil også vurdere, hvor ens dette system er vores solsystem, hjælper os med at forstå, om indholdet af vores solsystem er unikt.

Isabel Rebollido, et teammedlem og postdoc-forsker ved STScI, bygger allerede komplekse modeller af Beta Pictoris. Den første model kombinerer eksisterende data om systemet, inklusive radio, nær-infrarød, langt infrarød, og synligt lys fra både rum- og jordbaserede observatorier. I tide, hun vil tilføje Webbs billeder for at køre en mere fyldig analyse.

Den anden model vil kun indeholde Webbs data – og vil være den første, de udforsker. "Er lyset, Webb vil observere, symmetrisk?" spurgte Rebollido. "Eller er der 'bump' af lys her og der, fordi der er en ophobning af støv? Webb er langt mere følsom end noget andet rumteleskop og giver os en chance for at lede efter disse beviser, samt vanddamp, hvor vi ved, at der er gas."

Støv som en dekoderring

Tænk på affaldsskiven af ​​Beta Pictoris som en meget travl, elliptisk motorvej - undtagen en, hvor der ikke er mange færdselsregler. Kollisioner mellem kometer og større sten kan producere fine støvpartikler, der efterfølgende spredes i hele systemet.

"Efter planeter, det meste af massen i Beta Pictoris-systemet menes at være i mindre planetesimaler, som vi ikke direkte kan observere, Chen forklarede. "Heldigvis, vi kan observere det støv, der efterlades, når planetesimalerne kolliderer."

Dette støv er, hvor Chens team vil fokusere sin forskning. Hvordan ser de mindste støvkorn ud? Er de kompakte eller luftige? Hvad er de lavet af?

"Vi vil analysere Webbs spektre for at kortlægge placeringen af ​​støv og gas - og finde ud af, hvad deres detaljerede sammensætning er, " Chen forklarede. "Støvkorn er 'fingeraftryk' af planetesimaler, vi ikke kan se direkte og kan fortælle os om, hvad disse planetesimaler er lavet af, og hvordan de er dannet." F.eks. er planetesimalerne isrige som kometer i vores solsystem? Er der tegn på højhastighedskollisioner mellem stenede planetesimaler? En klar analyse af, om korn i én region er mere solide eller luftige end en anden, vil hjælpe forskerne med at forstå, hvad der sker med støvet, og kortlæg de subtile forskelle i støvet i hver region.

"Jeg ser frem til at analysere Webbs data, da det vil give udsøgte detaljer, " tilføjede Cicero X. Lu, et teammedlem og en fjerdeårs ph.d. studerende ved Johns Hopkins University i Baltimore. "Webb vil give os mulighed for at identificere flere elementer og lokalisere deres præcise strukturer."

I særdeleshed, der er en sky af kulilte ved kanten af ​​disken, som interesserer disse forskere meget. Den er asymmetrisk og har en uregelmæssig, blobby side. En teori er, at kollisioner frigjorde støv og gas fra større, iskolde kroppe til at danne denne sky. Webbs spektre vil hjælpe dem med at bygge scenarier, der forklarer dens oprindelse.

Rækkevidden af ​​infrarød

Disse forskningsprogrammer er kun mulige, fordi Webb er designet til at give sprød, detaljer i høj opløsning i infrarødt lys. Observatoriet har specialiseret sig i at indsamle infrarødt lys - som bevæger sig gennem gas og støv - både med billeder og spektre. Webb har også en anden fordel - dens position i rummet. Webb vil ikke blive hindret af Jordens atmosfære, som filtrerer nogle typer lys fra, inklusive flere infrarøde bølgelængdebånd. Dette observatorium vil give forskere mulighed for at indsamle et mere komplet udvalg af infrarødt lys og data om Beta Pictoris for første gang.

Disse undersøgelser vil blive udført som en del af Webb Guaranteed Time Observations (GTO) og General Observers (GO) programmer. GTO-programmerne ledes af videnskabsmænd, der hjalp med at udvikle de vigtigste hardware- og softwarekomponenter eller teknisk og tværfaglig viden til observatoriet. GO-programmer er konkurrencedygtigt udvalgt ved hjælp af et dobbelt-anonymt gennemgangssystem, det samme system, som bruges til at allokere tid på Hubble-rumteleskopet.