Astronomer vil træne James Webb Telescopes højpræcisionsspektrografer på to spændende stenede exoplaneter

Med sine spejlsegmenter smukt justeret og dets videnskabelige instrumenter under kalibrering, er NASAs James Webb Space Telescope kun få uger væk fra fuld drift. Kort efter de første observationer er afsløret denne sommer, begynder Webbs dybdegående videnskab.

Blandt de undersøgelser, der er planlagt for det første år, er undersøgelser af to varme exoplaneter, der er klassificeret som "superjorde" for deres størrelse og klippesammensætning:den lava-dækkede 55 Cancri e og den luftløse LHS 3844 b. Forskere vil træne Webbs højpræcisionsspektrografer på disse planeter med henblik på at forstå den geologiske mangfoldighed af planeter på tværs af galaksen og udviklingen af ​​klippeplaneter som Jorden.

Super-hot super-earth 55 Cancri e

55 Cancri e kredser mindre end 1,5 millioner miles fra sin sollignende stjerne (en femogtyvendedel af afstanden mellem Merkur og solen), og fuldfører et kredsløb på mindre end 18 timer. Med overfladetemperaturer langt over smeltepunktet for typiske stendannende mineraler, menes dagsiden af ​​planeten at være dækket af oceaner af lava.

Planeter, der kredser så tæt på deres stjerne, antages at være tidevandslåste, med den ene side vendt mod stjernen hele tiden. Som følge heraf bør det varmeste sted på planeten være det, der vender mest direkte mod stjernen, og mængden af ​​varme, der kommer fra dagsiden, bør ikke ændre sig meget over tid.

Men dette ser ikke ud til at være tilfældet. Observationer af 55 Cancri e fra NASAs Spitzer-rumteleskop tyder på, at det varmeste område er forskudt fra den del, der vender mest direkte mod stjernen, mens den samlede mængde varme, der detekteres fra dagsiden, varierer.

Har 55 Cancri e en tyk atmosfære?

En forklaring på disse observationer er, at planeten har en dynamisk atmosfære, der flytter varme rundt. "55 Cancri e kunne have en tyk atmosfære domineret af ilt eller nitrogen," forklarede Renyu Hu fra NASAs Jet Propulsion Laboratory i det sydlige Californien, som leder et team, der vil bruge Webbs nær-infrarøde kamera (NIRCam) og Mid-Infrared Instrument (MIRI) ) for at fange det termiske emissionsspektrum fra dagsiden af ​​planeten. "Hvis den har en atmosfære, har [Webb] følsomheden og bølgelængdeområdet til at detektere den og bestemme, hvad den er lavet af," tilføjede Hu.

Eller regner det lava om aftenen på 55 Cancri e?

En anden spændende mulighed er dog, at 55 Cancri e ikke er tidevandslåst. I stedet kan det være som Merkur, der roterer tre gange for hver to kredsløb (det der er kendt som en 3:2-resonans). Som et resultat ville planeten have en dag-nat-cyklus.

"Det kunne forklare, hvorfor den varmeste del af planeten er forskudt," forklarede Alexis Brandeker, en forsker fra Stockholm Universitet, som leder et andet hold, der studerer planeten. "Ligesom på Jorden ville det tage tid for overfladen at varme op. Det varmeste tidspunkt på dagen ville være om eftermiddagen, ikke lige ved middagstid."

Brandekers team planlægger at teste denne hypotese ved hjælp af NIRCam til at måle den varme, der udsendes fra den oplyste side af 55 Cancri e under fire forskellige baner. Hvis planeten har en 3:2 resonans, vil de observere hver halvkugle to gange og burde være i stand til at detektere enhver forskel mellem halvkuglerne.

I dette scenarie ville overfladen varme op, smelte og endda fordampe i løbet af dagen og danne en meget tynd atmosfære, som Webb kunne opdage. Om aftenen ville dampen afkøle og kondensere og danne dråber af lava, der ville regne tilbage til overfladen og blive fast igen, når natten falder på.

Noget køligere superjordisk LHS 3844 b

Mens 55 Cancri e vil give indsigt i den eksotiske geologi i en verden dækket af lava, giver LHS 3844 b en unik mulighed for at analysere den faste sten på en exoplanetoverflade.

Ligesom 55 Cancri e kredser LHS 3844 b ekstremt tæt på sin stjerne og fuldfører en omdrejning på 11 timer. Men fordi dens stjerne er relativt lille og kølig, er planeten ikke varm nok til, at overfladen kan smeltes. Derudover indikerer Spitzer-observationer, at det er meget usandsynligt, at planeten har en væsentlig atmosfære.

Hvad er overfladen på LHS 3844 b lavet af?

Selvom vi ikke vil være i stand til at afbilde overfladen af ​​LHS 3844 b direkte med Webb, gør manglen på en slørende atmosfære det muligt at studere overfladen med spektroskopi.

"Det viser sig, at forskellige typer sten har forskellige spektre," forklarede Laura Kreidberg ved Max Planck Institute for Astronomy. "Du kan se med dine øjne, at granit er lysere i farven end basalt. Der er lignende forskelle i det infrarøde lys, som sten afgiver."

Kreidbergs team vil bruge MIRI til at fange det termiske emissionsspektrum på dagsiden af ​​LHS 3844 b og derefter sammenligne det med spektre af kendte bjergarter, såsom basalt og granit, for at bestemme dets sammensætning. Hvis planeten er vulkansk aktiv, kan spektret også afsløre tilstedeværelsen af ​​spormængder af vulkanske gasser.

Betydningen af ​​disse observationer går langt ud over blot to af de mere end 5.000 bekræftede exoplaneter i galaksen. "De vil give os fantastiske nye perspektiver på jordlignende planeter generelt, og hjælpe os med at lære, hvordan den tidlige Jord kunne have været, da det var varmt, som disse planeter er i dag," sagde Kreidberg.

Disse observationer af 55 Cancri e og LHS 3844 b vil blive udført som en del af Webbs Cycle 1 General Observers-program. General Observers-programmer blev udvalgt til konkurrence ved hjælp af et dobbelt-anonymt gennemgangssystem, det samme system, der blev brugt til at allokere tid på Hubble. + Udforsk yderligere

Lava eller ej, exoplanet 55 Cancri e har sandsynligvis atmosfære