Deze maand is het de derde verjaardag van de ontdekking van een opmerkelijk systeem van zeven planeten, bekend als TRAPPIST-1. Deze zeven rotsachtige, Werelden ter grootte van de aarde draaien om een ​​ultrakoele ster op 39 lichtjaar van de aarde. Drie van die planeten bevinden zich in de bewoonbare zone, wat betekent dat ze zich op de juiste omloopafstand bevinden om warm genoeg te zijn om vloeibaar water op hun oppervlak te laten bestaan. Na de lancering in 2021, NASA's James Webb-ruimtetelescoop zal die werelden observeren met als doel de eerste gedetailleerde nabij-infraroodstudie van de atmosfeer van een planeet in een bewoonbare zone te maken.

Om tekenen van een atmosfeer te vinden, astronomen zullen een techniek gebruiken die transmissiespectroscopie wordt genoemd. Ze observeren de gastster terwijl de planeet het gezicht van de ster kruist, doorvoer genoemd. Het licht van de ster filtert door de atmosfeer van de planeet, die een deel van het sterlicht absorbeert en veelbetekenende vingerafdrukken achterlaat in het spectrum van de ster.

Het vinden van een atmosfeer rond een rotsachtige exoplaneet - het woord dat wetenschappers gebruiken voor planeten buiten ons zonnestelsel - zal niet eenvoudig zijn. Hun atmosferen zijn compacter dan die van gasreuzen, terwijl hun kleinere omvang betekent dat ze minder van het licht van de ster onderscheppen. TRAPPIST-1 is een van de best beschikbare doelen voor Webb omdat de ster zelf ook vrij klein is, wat betekent dat de grootte van de planeten ten opzichte van de ster groter is.

"De atmosferen zijn moeilijker te detecteren, maar de beloning is hoger. Het zou heel opwindend zijn om de eerste detectie van een atmosfeer op een planeet ter grootte van de aarde te maken, " zei David Lafrenière van de Universiteit van Montreal, hoofdonderzoeker van een van de teams die TRAPPIST-1 onderzoeken.

Rode dwergsterren zoals TRAPPIST-1 hebben de neiging om gewelddadige uitbarstingen te hebben die de TRAPPIST-1-planeten onherbergzaam kunnen maken. Maar om te bepalen of ze een atmosfeer hebben, en als het zo is, waar ze van gemaakt zijn, is de volgende stap om erachter te komen of het leven zoals we het kennen zou kunnen overleven op deze verre werelden.

Een gecoördineerde inspanning

Meer dan één team van astronomen zal het TRAPPIST-1-systeem met Webb bestuderen. Ze zijn van plan een verscheidenheid aan instrumenten en observatiemodi te gebruiken om zoveel mogelijk details voor elke planeet in het systeem te achterhalen.

"Het is een gecoördineerde inspanning omdat geen enkel team alles kon doen wat we wilden doen met het TRAPPIST-1-systeem. De mate van samenwerking was echt spectaculair, " legde Nikole Lewis van de Cornell University uit, de hoofdonderzoeker van een van de teams.

"Met zeven planeten om uit te kiezen, we kunnen allemaal een stukje van de taart hebben, ", voegde Lafrenière eraan toe.

Het programma van Lafrenière richt zich op TRAPPIST-1d en -1f in een poging om niet alleen een atmosfeer te detecteren, maar bepaal de basissamenstelling ervan. Ze verwachten onderscheid te kunnen maken tussen een atmosfeer die wordt gedomineerd door waterdamp, of een die voornamelijk bestaat uit stikstof (zoals de aarde) of koolstofdioxide (zoals Mars en Venus).

Lewis' programma zal TRAPPIST-1e observeren met vergelijkbare doelen. TRAPPIST-1e is een van de planeten buiten ons zonnestelsel die het meest gemeen heeft met de aarde in termen van dichtheid en de hoeveelheid straling die het van zijn ster ontvangt. Dat maakt het een geweldige kandidaat voor bewoonbaarheid, maar wetenschappers moeten meer weten om erachter te komen.

Een grote verscheidenheid aan planeten

Hoewel de TRAPPIST-1-planeten bijzonder aantrekkelijk zijn vanuit het oogpunt van potentiële bewoonbaarheid, Het programma van Lafrenière zal zich richten op een verscheidenheid aan planeten - van rotsachtige tot mini-Neptunes tot gasreuzen ter grootte van Jupiter - op verschillende afstanden van hun sterren. Het doel is om meer te weten te komen over hoe, en waar, deze planeten vormen.

Vooral, astronomen blijven discussiëren over hoe gasvormige planeten heel dicht bij hun sterren kunnen worden gevonden. De meesten geloven dat zo'n planeet zich verder in de protoplanetaire schijf moet hebben gevormd - de schijf rond een ster waar planeten worden geboren - aangezien er ver van de ster meer materiaal beschikbaar is, en migreerde vervolgens naar binnen. Echter, andere wetenschappers theoretiseren dat zelfs grote gasreuzen zich relatief dicht bij hun ster kunnen vormen.

"Ook, misschien zijn ze verder weg gevormd, maar hoeveel verder weg?" vroeg Lewis.

Om het debat te informeren, astronomen zullen kijken naar de verhouding tussen koolstof en zuurstof in een assortiment van exoplaneten. Deze verhouding kan dienen als een tracer van waar een planeet is gevormd, omdat het varieert met de afstand tot de ster.

Weerkaarten

Naast het onderzoeken van planeten met behulp van transmissiespectroscopie, de teams zullen ook een techniek gebruiken die bekend staat als een fasecurve. Dit omvat het observeren van een planeet gedurende een hele baan, wat alleen praktisch is voor de heetste werelden met de kortste omlooptijden.

Een planeet die heel dichtbij zijn ster cirkelt, wordt getijde vergrendeld, wat betekent dat het altijd hetzelfde gezicht naar de ster toont, zoals de maan doet met de aarde. Als resultaat, verre waarnemers die naar de planeet kijken, zullen zien dat deze door verschillende fasen gaat, omdat verschillende kanten van de planeet zichtbaar zijn op verschillende punten in zijn baan.

Door de planeet op verschillende tijdstippen te meten, astronomen kunnen een kaart maken van de atmosferische temperatuur als functie van de lengtegraad. Deze techniek werd ontwikkeld door NASA's Spitzer Space Telescope, die in 2007 de eerste "weerkaart" van een exoplaneet maakte.

In aanvulling, door de eigen warmteafgifte van de planeet te observeren, astronomen kunnen de verticale structuur van de atmosfeer modelleren.

"Met een fasecurve, we een compleet 3D-model van de atmosfeer van een planeet kunnen bouwen, ’ legde Lafrenière uit.

Dit werk wordt uitgevoerd als onderdeel van een Webb Guaranteed Time Observations (GTO)-programma. Dit programma is ontworpen om wetenschappers te belonen die hebben geholpen bij het ontwikkelen van de belangrijkste hardware- en softwarecomponenten of technische en interdisciplinaire kennis voor het observatorium.