Wanneer NASA's James Webb Space Telescope in 2021 wordt gelanceerd, een van de meest verwachte bijdragen aan de astronomie zal de studie van exoplaneten zijn - planeten die rond verre sterren draaien. Een van de meest prangende vragen in de exoplaneetwetenschap is:kan een kleine, een rotsachtige exoplaneet die in een baan rond een rode dwergster draait, een atmosfeer vasthouden?

In een serie van vier artikelen in de Astrofysisch tijdschrift , een team van astronomen stelt een nieuwe methode voor om Webb te gebruiken om te bepalen of een rotsachtige exoplaneet een atmosfeer heeft. De techniek, wat inhoudt dat de temperatuur van de planeet wordt gemeten terwijl deze achter zijn ster passeert en dan weer in beeld komt, is aanzienlijk sneller dan meer traditionele methoden voor atmosferische detectie, zoals transmissiespectroscopie.

"We ontdekken dat Webb gemakkelijk de aanwezigheid of afwezigheid van een atmosfeer rond een dozijn bekende rotsachtige exoplaneten kan afleiden met minder dan 10 uur waarnemingstijd per planeet, " zei Jacob Bean van de Universiteit van Chicago, een co-auteur op drie van de artikelen.

Astronomen zijn om een ​​aantal redenen bijzonder geïnteresseerd in exoplaneten die rond rode dwergsterren draaien. deze sterren, die kleiner en koeler zijn dan de zon, zijn het meest voorkomende type ster in onze melkweg. Ook, omdat een rode dwerg klein is, een planeet die ervoor passeert, lijkt een groter deel van het licht van de ster te blokkeren dan wanneer de ster groter zou zijn, zoals onze zon. Dit maakt de planeet die rond een rode dwerg draait gemakkelijker te detecteren door middel van deze "transit"-techniek.

Rode dwergen produceren ook veel minder warmte dan onze zon, om te genieten van bewoonbare temperaturen, een planeet zou vrij dicht bij een rode dwergster moeten draaien. In feite, om in de bewoonbare zone te zijn - het gebied rond de ster waar vloeibaar water op het oppervlak van een planeet zou kunnen bestaan ​​- moet de planeet veel dichter bij de ster draaien dan Mercurius bij de zon. Als resultaat, het zal de ster vaker passeren, herhaalde observaties gemakkelijker te maken.

Maar een planeet die zo dicht bij een rode dwerg draait, wordt blootgesteld aan barre omstandigheden. Jonge rode dwergen zijn erg actief, enorme uitbarstingen en plasma-uitbarstingen uit te blazen. De ster zendt ook een sterke wind van geladen deeltjes uit. Al deze effecten kunnen mogelijk de atmosfeer van een planeet wegspoelen, een kale rots achterlatend.

"Atmosferisch verlies is de grootste existentiële bedreiging voor de bewoonbaarheid van planeten, ' zei Boon.

Een ander belangrijk kenmerk van exoplaneten die in een baan rond rode dwergen draaien, staat centraal in de nieuwe techniek:ze zullen naar verwachting getijde worden vergrendeld, wat betekent dat ze een permanente dagzijde en nachtzijde hebben. Als resultaat, we zien verschillende fasen van de planeet op verschillende punten in zijn baan. Wanneer het het gezicht van de ster kruist, we zien alleen de nachtzijde van de planeet. Maar wanneer het op het punt staat achter de ster over te steken (een gebeurtenis die bekend staat als een secundaire zonsverduistering), of komt net achter de ster vandaan, we kunnen de dagzijde observeren.

Als een rotsachtige exoplaneet geen atmosfeer heeft, zijn dagzijde zou erg heet zijn, net zoals we zien met de maan of Mercurius. Maar als een rotsachtige exoplaneet een atmosfeer heeft, de aanwezigheid van die atmosfeer zal naar verwachting de dagtemperatuur verlagen die Webb zou meten. Het zou dit op twee manieren kunnen doen. Een dichte atmosfeer zou door de wind warmte van de dagzijde naar de nachtzijde kunnen transporteren. Een dunnere atmosfeer kan nog steeds wolken bevatten, die een deel van het binnenkomende sterlicht weerkaatsen, waardoor de temperatuur aan de dagzijde van de planeet wordt verlaagd.

"Als je een sfeer toevoegt, je gaat de temperatuur van de dagzijde verlagen. Dus als we iets coolers zien dan kale rots, we zouden hieruit afleiden dat het waarschijnlijk een teken is van een atmosfeer, " verklaarde Daniel Koll van het Massachusetts Institute of Technology (MIT), de hoofdauteur van twee van de artikelen.

Webb is bij uitstek geschikt voor het maken van deze metingen omdat het een veel grotere spiegel heeft dan andere telescopen zoals NASA's Hubble- of Spitzer-ruimtetelescopen, waardoor het meer licht kan verzamelen, en het kan zich richten op de juiste infraroodgolflengten.

De berekeningen van het team laten zien dat Webb in staat zou moeten zijn om de hittesignatuur van de atmosfeer van een planeet te detecteren in een tot twee secundaire zonsverduisteringen - slechts een paar uur observatietijd. In tegenstelling tot, het detecteren van een atmosfeer door middel van spectroscopische waarnemingen zou typisch acht of meer transits vereisen voor dezelfde planeten.

Transmissie spectroscopie, die sterrenlicht bestudeert dat door de atmosfeer van de planeet wordt gefilterd, ook last heeft van storing door bewolking of nevel, die de moleculaire handtekeningen van de atmosfeer kunnen maskeren. In dat geval is de spectrale plot, in plaats van uitgesproken absorptielijnen te vertonen als gevolg van moleculen, zou in wezen vlak zijn.

"Bij transmissiespectroscopie, als je een vlakke lijn krijgt, het zegt je niets. De platte lijn zou kunnen betekenen dat het universum vol dode planeten is die geen atmosfeer hebben. of dat het universum vol is met planeten met een hele reeks uiteenlopende, interessante sferen, maar ze zien er allemaal hetzelfde uit voor ons omdat ze bewolkt zijn, " zei Eliza Kempton van de Universiteit van Maryland, een co-auteur op drie van de artikelen.

"Exoplaneet-atmosferen zonder wolken en nevelen zijn als eenhoorns - we hebben ze alleen nog niet gezien, en misschien bestaan ​​ze helemaal niet, " voegde ze eraan toe.

Het team benadrukte dat een koeler dan verwachte dagtemperatuur een belangrijke aanwijzing zou zijn, maar het zou niet absoluut bevestigen dat er een atmosfeer bestaat. Eventuele resterende twijfels over de aanwezigheid van een atmosfeer kunnen worden uitgesloten met vervolgonderzoek met behulp van andere methoden, zoals transmissiespectroscopie.

De ware kracht van de nieuwe techniek zal zijn om te bepalen welk deel van de rotsachtige exoplaneten waarschijnlijk een atmosfeer heeft. Het afgelopen jaar zijn ongeveer een dozijn exoplaneten ontdekt die goede kandidaten zijn voor deze methode. Tegen de tijd dat Webb operationeel is, zullen er waarschijnlijk meer worden gevonden.

"De Transiting Exoplanet Survey Satellite, of TESS, is het vinden van stapels van deze planeten, ’, aldus Kempton.

De secundaire eclipsmethode heeft één belangrijke beperking:deze werkt het beste op planeten die te heet zijn om zich in de bewoonbare zone te bevinden. Echter, het bepalen of deze hete planeten al dan niet gastheeratmosferen hebben, heeft belangrijke implicaties voor planeten in de bewoonbare zone.

"Als hete planeten een atmosfeer kunnen vasthouden, koelere zouden minstens net zo goed moeten kunnen, ' zei Kol.

De James Webb Space Telescope wordt 's werelds belangrijkste ruimtewetenschappelijke observatorium wanneer hij in 2021 wordt gelanceerd. Webb zal mysteries in ons zonnestelsel oplossen, verder kijken naar verre werelden rond andere sterren, en onderzoek de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal project onder leiding van NASA met zijn partners, ESA (European Space Agency) en de Canadian Space Agency.