De beste manier om de atmosfeer van verre werelden te bestuderen met de James Webb Space Telescope, gepland voor lancering eind 2018, zal twee van zijn infraroodinstrumenten combineren, volgens een team van astronomen.

"We wilden weten met welke combinatie van observatiemodi (van Webb) u de maximale informatie-inhoud krijgt voor de minimale kosten, " zegt Natasha Batalha, afgestudeerde student astronomie en astrofysica en astrobiologie, Penn staat, en hoofdwetenschapper bij dit project.

"Informatie-inhoud is de totale hoeveelheid informatie die we kunnen krijgen van het atmosferische spectrum van een planeet, van temperatuur en samenstelling van het gas, zoals water en koolstofdioxide, tot atmosferische druk."

Batalha en Michael Line, assistent professor, School voor aard- en ruimtewetenschap, Staatsuniversiteit van Arizona, ontwikkelde een wiskundig model om de hoeveelheid informatie te voorspellen die verschillende Webb-instrumenten zouden kunnen extraheren over de atmosfeer van een exoplaneet.

Hun model voorspelt dat het gebruik van een combinatie van twee infraroodinstrumenten - de Near Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) en de G395-modus op de Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) - de hoogste informatie-inhoud over de atmosfeer van een exoplaneet zal opleveren.

NIRISS is een veelzijdige camera en spectrograaf die infrarode golflengten zal waarnemen die vergelijkbaar zijn met die van de Hubble-telescoopafdekkingen. NIRIS, volgens Batalha en Line, moet worden gecombineerd met de G395-modus op NIRSpec, die doelen zal observeren in langere infraroodgolflengten met de hoogste resolutie van Webb.

Drie hoofdkenmerken zijn van invloed op de hoeveelheid informatie die een instrument kan extraheren:resolutie, maximaal waarneembare helderheid, en golflengtebereik. Deze gecombineerd bepalen de totale waarneembare fractie van de informatie-inhoud van het atmosferische spectrum van een planeet.

Zowel NIRISS als NIRSpec zullen nabij-infrarode golflengten waarnemen, het gebied van het elektromagnetische spectrum waarin de sterren waar exoplaneten omheen draaien het helderst schijnen. NIRISS staat klaar om een ​​sterke signatuur van water te meten en NIRSpec kan hetzelfde doen voor methaan en koolstofdioxide, drie chemische verbindingen die een aanzienlijke hoeveelheid informatie over een atmosfeer verschaffen.

Batalha en Line testten elk van de tien waarschijnlijke observatiemethoden afzonderlijk en in elke mogelijke combinatie met de andere methoden om te bepalen welke de totale informatie-inhoud zou maximaliseren.

Ze haalden de informatie op van een reeks gesimuleerde planeten met temperaturen en samenstellingen die het bereik van eerder waargenomen exoplaneetatmosferen bestrijken. Door de opvraagbare informatie-inhoud in de atmosfeer van elke planeet te vergelijken, Batalha en Line ontdekten dat deze ene combinatie van NIRISS- en NIRSpec-modi de meeste informatie geeft, ongeacht de temperatuur of samenstelling van de exoplaneet. De onderzoekers publiceerden deze resultaten in Het astronomische tijdschrift .

"We zullen de temperatuur van een planeet niet van tevoren weten, " zegt Batalha. "Als je een schot in het donker gaat observeren, met deze combinatie van instrumenten heb je de grootste kans om de informatie te krijgen die je wilt."

Terwijl een exoplaneet tussen zijn gastheerster en de telescopen van de aarde kruist, een deel van het licht van de ster gaat door de atmosfeer van de exoplaneet. De exo-atmosfeer laat zijn vingerafdruk achter in het licht van de ster - het transmissiespectrum van de planeet - waaruit astronomen kunnen leren over de temperatuur van de exo-atmosfeer, chemische samenstelling en structuur. De informatie-inhoudanalyse van de onderzoekers richt zich op de informatie die kan worden opgehaald uit het transmissiespectrum van een planeet.

Hoewel Webb pas eind 2018 wordt gelanceerd, maar astronomen zijn al bezig met het plannen van de eerste reeks waarnemingen die ze van de telescoop zouden willen hebben.

"Als we nu een strategie kunnen bedenken, " zegt Batalha, "tegen de tijd dat de eerste cyclus van formele voorstellen rondkomt, kunnen we ervoor zorgen dat we de beste modi kiezen voor grotere voorstellen en geen kostbare observatietijd verspillen. Op deze manier begint iedereen op een gelijk speelveld met de wetenschap."

Hoewel ze twee NIRISS- en NIRSpec-modi benadrukken als de beste combinatie voor het observeren van de meeste exo-atmosferen, Batalha en Line leggen uit dat de andere modi nog steeds nuttig zullen zijn om verschillende kenmerken van exo-atmosferen waar te nemen waar de astronomen niet op hebben getest, als wolken, nevel en atmosferen die heet genoeg zijn om hun eigen licht uit te stralen.

"In de toekomst, ' zegt Batalha, "Er zal een duw zijn om de eerste Earth 2.0 te karakteriseren. Als we dit nu niet vastleggen en de kunst beheersen om exo-atmosferen te karakteriseren, we zullen Earth 2.0 nooit nauwkeurig karakteriseren."