Søger himlen efter byggestenene til livet i universet

Tiden er inde til, at James Webb-rumteleskopet tager exoplanetastronomi til ydersiden. Europæiske forskere har gjort meget forarbejde som forberedelse til dette øjeblik.

Siden opsendelsen den 25. december 2021 ombord på en Ariane 5-raket fra Fransk Guyana og efter 30 år undervejs, er James Webb Space Telescope (JWST) juledagsgaven til astronomer, der bliver ved med at give.

Som mange astronomer i Europa har Pierre-Olivier Lagage, en astrofysiker ved den Paris-baserede franske kommission for alternative energier og atomenergi (CEA), forberedt sig på JWST i årevis.

Et fælles projekt med NASA, Canadian Space Agency (CSA) og European Space Agency (ESA), begyndte JWST at sende sine første billeder af kosmos tilbage i juli 2022 efter at have ankommet til dets udsigtspunkt 1,5 millioner kilometer fra Jorden og udfoldet dets karakteristisk kæmpe solskærm.

En værdig efterfølger til det ikoniske Hubble-rumteleskop, JWST på 10 milliarder euro har store videnskabelige mål. Disse omfatter studiet af det tidlige univers kort efter Big Bang, galakser og stjernedannelse, sorte huller, vores eget solsystem og søgen efter livets byggesten i universet.

Videnskabelig guldmine

"En exoplanet er en planet, der kredser om en anden stjerne end solen," sagde Lagage.

Lagage er hovedefterforskeren af ​​det H2020-finansierede Exoplanet Atmosphere New Emission Transmission Spectra Analysis, eller ExoplANETS A-projekt. Han og hans kolleger udviklede et dataværktøj til at udnytte rigdommen af ​​eksisterende spektroskopiske data fra tidligere missioner for at studere exoplaneter.

Fra en stående start har exoplanetastronomi opdaget tusindvis af exoplaneter i de sidste 20 år. Nu giver JWSTs spektroskopiinstrumentering en hidtil uset mulighed for at studere exoplaneter for de kemiske signaturer af liv i deres atmosfære.

Spektroskopi af transiterende exoplaneter er en af ​​hovedteknikkerne inden for exoplanetastronomi. Når en planet i kredsløb bevæger sig foran sin stjerne i forhold til observatøren, ændres lysspektret fra stjernen, når den passerer gennem planetens atmosfære. Når ændringerne i lyset opdages, indikerer de den kemiske sammensætning af planetens atmosfære, og om den sandsynligvis vil understøtte liv eller ej.

Exoplanets A-værktøjet bruger dataanalyse til at gøre det muligt for astronomer at karakterisere en bred vifte af exoplanetatmosfærer. Astronomer, der bruger JWST, vil sandsynligvis finde dette nyttigt for at hjælpe deres egne observationer ved at angive, hvilken information der sandsynligvis vil være nyttig, og hvad der sandsynligvis er støj.

En ulempe ved spektroskopiske observationer er, at selvom de er en guldgrube af information, er signalet blandet med en masse støj. Ubrugelig information, der ikke er relateret til exoplanetens atmosfære, kan sløre de værdifulde data i observationen.

Systematisk støj

Dette skyldes, at signalet skabt af den planetariske atmosfære er lille sammenlignet med resten af ​​lyset, der kommer fra stjernen, ifølge Lagage. "Så du er nødt til at udvikle værktøjer til at fjerne denne systematiske støj og få det rigtige signal," sagde han.

Exoplanets A-projektet går længere. For at modellere atmosfæren på en exoplanet skal du også have en god forståelse af dens værtsstjerne. For at hjælpe med dette oprettede projektet en database over egenskaberne for stjerner med exoplaneter. Det blev lavet med arkiverede data fra ESA's XMM-Newton og Gaia rumobservatorium.

JWSTs første exoplanetobservationer var af den varme gasgigantplanet WASP-39b, beskrevet som en "varm Jupiter." Den kredser om en sollignende stjerne 700 lysår væk. I sidste måned lavede JWST ved hjælp af spektroskopi den første bekræftede observation af kuldioxid i en exoplanet.

Fanget i en TRAPPIST-1

ESCAPE-projektet (Exploring Shortcuts for the Characterization of the Atmospheres of Planets lignende til Jorden) har også ledt efter genveje til at hjælpe med at karakterisere atmosfærerne på jordlignende exoplaneter.

Martin Turbet, en astrofysiker ved det franske nationale center for videnskabelig forskning (CNRS) og hovedforsker på det H2020-finansierede ESCAPE-projekt, sagde, at dette krævede at udforske nye observationsteknikker ved at bruge forskellige jord- og rumbaserede teleskoper.

For eksempel har astronomerne udviklet nye metoder til at beregne tætheden af ​​planeterne, der kredser om TRAPPIST-1, en ultrakølig rød dværgstjerne omkring 40 lysår fra vores solsystem.

Opdaget oprindeligt i 2000, blev det senere annonceret i 2017, at TRAPPIST-1-stjernen er vært for syv små exoplaneter, der kredser i tæt formation, hvoraf i det mindste nogle kan være beboelige.

For at beregne tætheden af ​​en planet skal du kende dens radius og masse. Dimensionering af planeten kan udføres ved hjælp af spektroskopiske observationer. Massen kan beregnes ved at observere effekten af ​​planetens tyngdekraft på dens værtsstjerne.

Vægning af exoplaneter

"Dette er den klassiske måde at måle vægten af ​​en planet på," sagde Turbet. "Men i tilfældet med TRAPPIST-1 planeterne er massen af ​​planeterne så lille, at den klassiske teknik ikke virker."

Men TRAPPIST-1-systemet er ejendommeligt, fordi de syv planeter alle kredser meget tæt på hinanden og udøver stærke tyngdekræfter på hinanden, sagde han.

Dette påvirker deres baner og betyder, at de ikke passerer eller passerer foran deres værtsstjerne på faste tidspunkter.

Måling af afvigelserne i disse transittider gjorde det muligt for forskerne at vurdere styrken af ​​tyngdekraften mellem planeterne og evaluere deres masser, sagde Turbet.

Takket være denne teknik siger de, at de nu er i stand til at lave de hidtil mest nøjagtige forudsigelser af vandindholdet i de syv kendte planeter i TRAPPIST-1-systemet.

Observationerne og beregninger af masse, tæthed og vandindhold blev foretaget ved hjælp af jordbaserede teleskoper - såsom SPECULOOS-teleskopet ved European Southern Observatory (ESO) i Chile, rumteleskoper og nyt teoretisk arbejde.

Turbet sagde, at JWST og det planlagte Extremely Large Telescope (ELT) kunne være i stand til at opdage potentielle tegn på liv, kendt som biomarkører, i exoplanetatmosfærer.

Han advarede dog om, at disse "ikke kan bruges som et endegyldigt bevis på, at der er liv på planeten." Det skyldes, at nyere arbejde har vist, at biomarkører, såsom ilt, kan dannes uden liv.

Reflektet stjernelys

Turbet og hans kolleger har også undersøgt en nyere spektroskopiteknik, kendt som reflekteret lysspektroskopi. I stedet for at analysere, hvordan en stjernes lys ændrer sig, når en planet passerer foran den, ser denne metode på, hvordan lyset fra stjernen reflekteres af planetens atmosfære.

Modellerne for vandindhold og planetariske atmosfærer vil også hjælpe med observationer fra JWST, sagde Turbet. De vil gøre det muligt for astronomer at planlægge deres observationer for at maksimere indsamlingen af ​​data af ægte interesse.

Når det er sagt, handler exoplanetforskning ikke kun om at lede efter fremmed liv. Exoplaneter kunne også give os oplysninger om Jordens historie, og hvordan dens atmosfære udviklede sig, ifølge Lagage.

"Det, jeg er mest interesseret i, er atmosfæren af ​​superjordiske og jordstore exoplaneter," sagde han. + Udforsk yderligere

Det første exoplanetbillede fra James Webb Space Telescope afsløret