Webb-teleskop for at udforske formende planetsystemer

Planetsystemer tager millioner af år at danne, hvilket introducerer noget af en udfordring for astronomer. Hvordan identificerer du, hvilken fase de er i, eller kategorisere dem? Den bedste tilgang er at se på masser af eksempler og blive ved med at tilføje til de data, vi har - og NASAs kommende James Webb Space Telescope vil være i stand til at levere en infrarød opgørelse. Forskere, der bruger Webb, vil observere 17 aktivt dannende planetsystemer. Disse særlige systemer blev tidligere undersøgt af Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), det største radioteleskop i verden, for Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP).

Webb vil måle spektre, der kan afsløre molekyler i de indre områder af disse protoplanetariske skiver, supplerer de detaljer, ALMA har givet om diskenes ydre områder. Disse indre regioner er stenede, Jordlignende planeter kan begynde at dannes, hvilket er en af ​​grundene til, at vi gerne vil vide mere om, hvilke molekyler der findes der.

Et forskerhold ledet af Colette Salyk fra Vassar College i Poughkeepsie, New York, og Klaus Pontoppidan fra Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland, søg detaljerne fundet i infrarødt lys. "Når du skifter til infrarødt lys, specifikt til Webbs udvalg i mellem-infrarødt lys, vi vil være følsomme over for de mest udbredte molekyler, der bærer fælles elementer, " forklarede Pontoppidan.

Forskere vil være i stand til at vurdere mængden af ​​vand, carbonmonoxid, carbondioxid, metan, og ammoniak – blandt mange andre molekyler – i hver skive. Kritisk, de vil være i stand til at tælle de molekyler, der indeholder elementer, der er essentielle for livet, som vi kender det, inklusive ilt, kulstof, og nitrogen. Hvordan? Med spektroskopi:Webb vil fange alt det lys, der udsendes i midten af ​​hver protoplanetarisk disk som et spektrum, som producerer et detaljeret mønster af farver baseret på bølgelængderne af udsendt lys. Da hvert molekyle præger et unikt mønster på spektret, forskere kan identificere, hvilke molekyler der er der og opbygge opgørelser over indholdet inden for hver protoplanetarisk disk. Styrken af ​​disse mønstre bærer også information om temperaturen og mængden af ​​hvert molekyle.

"Webbs data vil også hjælpe os med at identificere, hvor molekylerne er i det overordnede system, " sagde Salyk. "Hvis de er varme, det betyder, at de er tættere på stjernen. Hvis de er køligere, de kan være længere væk." Denne rumlige information vil hjælpe med at informere modeller, som videnskabsmænd bygger, mens de fortsætter med at undersøge dette programs data.

At vide, hvad der er i de indre områder af diskene, har også andre fordele. har vand, for eksempel, nåede til dette område, hvor kan beboelige planeter dannes? "En af de ting, der er virkelig forbløffende ved planeter - ændre kemien bare en lille smule, og du kan få disse dramatisk forskellige verdener, " Salyk fortsatte. "Det er derfor, vi er interesserede i kemien. Vi forsøger at finde ud af, hvordan de materialer, der oprindeligt blev fundet i et system, kan ende som forskellige typer planeter."

Hvis dette lyder som et væsentligt tiltag, bare rolig – det vil være en samfundsindsats. Dette er et Webb Treasury-program, hvilket betyder, at dataene frigives, så snart de er taget til alle astronomer, giver alle mulighed for straks at trække dataene, begynde at vurdere, hvad der er hvad på hver disk, og dele deres resultater.

"Webbs infrarøde data vil blive studeret intensivt, " tilføjede medforsker Ke Zhang fra University of Wisconsin-Madison. "Vi ønsker, at hele forskersamfundet skal kunne nærme sig dataene fra forskellige vinkler."

Hvorfor nærundersøgelsen?

Lad os træde tilbage, at se skoven for træerne. Forestil dig, at du er på en forskningsbåd ud for kysten af ​​et fjernt terræn. Dette er den bredeste opfattelse. Hvis du skulle lande og gå i land, du kan begynde at tælle, hvor mange træer der er, og hvor mange af hver træart. Du kan begynde at identificere specifikke insekter og fugle og matche de lyde, du hørte offshore, til de kald, du hører under trætoppene. Denne detaljerede katalogisering ligner meget, hvad Webb vil give forskere mulighed for at gøre - men bytte træer og dyr til kemiske elementer.

De protoplanetariske diske i dette program er meget lyse og relativt tæt på Jorden, gør dem til fremragende mål at studere. Det er derfor, de blev undersøgt af ALMA. Det er også grunden til, at forskere studerede dem med NASAs Spitzer-rumteleskop. Disse objekter er kun blevet undersøgt i dybden siden 2003, gør dette til et relativt nyere forskningsfelt. Der er meget, Webb kan tilføje til det, vi ved.

Teleskopets Mid-Infrared Instrument (MIRI) giver mange fordele. Webbs placering i rummet betyder, at den kan fange hele spektret af mellem-infrarødt lys (Jordens atmosfære filtrerer det fra). Plus, dens data vil have høj opløsning, som vil afsløre mange flere linjer og vrikker i spektrene, som forskerne kan bruge til at tease ud af specifikke molekyler.

Forskerne var også selektive med hensyn til de typer stjerner, der blev valgt til disse observationer. Denne prøve inkluderer stjerner, der er omkring halvdelen af ​​Solens masse til omkring det dobbelte af Solens masse. Hvorfor? Målet er at hjælpe forskere med at lære mere om systemer, der kan ligne vores egne, da de blev dannet. "Med denne prøve, vi kan begynde at afgøre, om der er nogle fællestræk mellem diskenes egenskaber og deres indre kemi, " fortsatte Zhang. "Til sidst, vi ønsker at være i stand til at forudsige, hvilke typer systemer der er mere tilbøjelige til at generere beboelige planeter."

Begynder at svare på store spørgsmål

Dette program kan også hjælpe forskere med at begynde at besvare nogle klassiske spørgsmål:Tages formerne af nogle af de mest udbredte elementer, der findes i protoplanetariske diske, som kulstof, nitrogen, og ilt, "arvet" fra de interstellare skyer, der dannede dem? Eller ændrer den præcise blanding af kemikalier sig over tid? "Vi tror, ​​vi kan komme til nogle af disse svar ved at lave opgørelser med Webb, "Forklarede Pontoppidan. "Det er naturligvis en enorm mængde arbejde at gøre - og kan ikke kun udføres med disse data - men jeg tror, ​​vi kommer til at gøre nogle store fremskridt."

Tænker vi endnu bredere på de utroligt rige spektre, Webb vil give, Salyk tilføjede, "Jeg håber, at vi vil se ting, der overrasker os, og så begynde at studere de serendipitale opdagelser."

Denne forskning vil blive udført som en del af Webb General Observer (GO) programmer, som er konkurrencedygtigt udvalgt ved hjælp af et dobbelt-anonymt anmeldelsessystem, det samme system, som bruges til at allokere tid på Hubble-rumteleskopet.