Voordat planeten rond andere sterren voor het eerst werden ontdekt in de jaren negentig, deze verre exotische werelden leefden alleen in de verbeelding van sciencefictionschrijvers.

Maar zelfs hun creatieve geest had zich niet kunnen voorstellen welke verscheidenheid aan werelden astronomen hebben ontdekt. Veel van deze werelden, exoplaneten genoemd, zijn enorm verschillend van de planetenfamilie van ons zonnestelsel. Ze variëren van steromhullende "hete Jupiters" tot grote rotsachtige planeten die "superaarde" worden genoemd. Ons universum is blijkbaar vreemder dan fictie.

Het is niet gemakkelijk om deze verre werelden te zien, omdat ze verdwalen in de schittering van hun gastheersterren. Ze proberen te detecteren is als je inspannen om een ​​vuurvlieg te zien zweven naast het schitterende baken van een vuurtoren.

Daarom hebben astronomen de meeste van de meer dan vier geïdentificeerd, 000 exoplaneten tot nu toe gevonden met behulp van indirecte technieken, zoals door het lichte wiebelen van een ster of het onverwachte dimmen als een planeet ervoor passeert, het blokkeren van een deel van het sterrenlicht.

Deze technieken werken het beste, echter, voor planeten die dicht bij hun sterren draaien, waar astronomen veranderingen gedurende weken of zelfs dagen kunnen detecteren wanneer de planeet zijn baan rond het circuit voltooit. Maar het vinden van alleen sterrenskimmende planeten geeft astronomen geen alomvattend beeld van alle mogelijke werelden in sterrenstelsels.

Een andere techniek die onderzoekers gebruiken bij de jacht op exoplaneten, dat zijn planeten die om andere sterren draaien, is er een die zich richt op planeten die verder verwijderd zijn van de verblindende schittering van een ster. Wetenschappers hebben jonge exoplaneten ontdekt die zo heet zijn dat ze gloeien in infrarood licht met behulp van gespecialiseerde beeldvormingstechnieken die de schittering van de ster blokkeren. Op deze manier, sommige exoplaneten kunnen direct worden gezien en bestudeerd.

NASA's aankomende James Webb Space Telescope zal astronomen helpen om verder in deze gewaagde nieuwe grens te tasten. Webb, zoals sommige telescopen op de grond, is uitgerust met speciale optische systemen, coronagrafen genaamd, die maskers gebruiken die zijn ontworpen om zoveel mogelijk sterlicht te blokkeren om zwakke exoplaneten te bestuderen en nieuwe werelden te ontdekken.

Twee doelen in het begin van Webb's missie zijn de planetenstelsels 51 Eridani en HR 8799. Van de enkele tientallen direct in beeld gebrachte planeten, astronomen zijn van plan Webb te gebruiken om in detail de systemen te analyseren die zich het dichtst bij de aarde bevinden en planeten hebben op de grootste afstand van hun sterren. Dit betekent dat ze ver genoeg weg lijken van de schittering van een ster om direct te kunnen worden waargenomen. Het HR 8799-systeem bevindt zich op 133 lichtjaar en 51 Eridani op 96 lichtjaar van de aarde.

Webb's planetaire doelen

Twee observatieprogramma's aan het begin van Webb's missie combineren de spectroscopische mogelijkheden van de Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) en de beeldvorming van de Near Infrared Camera (NIRCam) en Mid-Infrared Instrument (MIRI) om de vier reuzenplaneten in het HR 8799-systeem te bestuderen. In een derde programma onderzoekers zullen NIRCam gebruiken om de gigantische planeet in 51 Eridani te analyseren.

De vier reuzenplaneten in het HR 8799-systeem zijn elk ongeveer 10 Jupiter-massa's. Ze cirkelen meer dan 14 miljard mijl van een ster die iets massiever is dan de zon. De gigantische planeet in 51 Eridani is tweemaal de massa van Jupiter en draait ongeveer 18 miljard mijl van een zonachtige ster. Beide planetenstelsels hebben banen die met hun gezicht naar de aarde zijn gericht. Deze oriëntatie geeft astronomen een unieke kans om in vogelvlucht boven op de systemen te kijken, alsof je naar de concentrische ringen op een boogschietdoel kijkt.

Veel exoplaneten die in de buitenste banen van hun sterren worden gevonden, verschillen enorm van de planeten van ons zonnestelsel. De meeste exoplaneten die in dit buitenste gebied zijn ontdekt, inclusief die in HR 8799, zijn tussen de vijf en tien Jupiter-massa's, waardoor ze de meest massieve planeten zijn die ooit zijn gevonden.

Deze buitenste exoplaneten zijn relatief jong, van tientallen miljoenen tot honderden miljoenen jaren oud - veel jonger dan de 4,5 miljard jaar van ons zonnestelsel. Dus ze gloeien nog steeds van de warmte van hun formatie. De afbeeldingen van deze exoplaneten zijn in wezen babyfoto's, het onthullen van planeten in hun jeugd.

Webb onderzoekt het midden-infrarood, een golflengtebereik dat astronomen nog maar zelden hebben gebruikt om verre werelden in beeld te brengen. Dit infrarode "venster" is moeilijk waarneembaar vanaf de grond vanwege de thermische emissie van en absorptie in de aardatmosfeer.

"Het sterke punt van Webb is het ongeremde licht dat door de ruimte komt in het midden-infraroodbereik, " zei Klaus Hodapp van de Universiteit van Hawaï in Hilo, hoofdonderzoeker van de NIRSpec-waarnemingen van het HR 8799-systeem. "De atmosfeer van de aarde is vrij moeilijk om doorheen te werken. De belangrijkste absorptiemoleculen in onze eigen atmosfeer voorkomen dat we interessante functies in planeten zien."

Het midden-infrarood "is de regio waar Webb echt baanbrekende bijdragen zal leveren om te begrijpen wat de specifieke moleculen zijn, wat zijn de eigenschappen van de atmosfeer die we hopen te vinden die we niet echt alleen uit de kortere, nabij-infrarode golflengten, " zei Charles Beichman van NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië, hoofdonderzoeker van de NIRCam- en MIRI-waarnemingen van het HR 8799-systeem. "We zullen voortbouwen op wat de observatoria op de grond hebben gedaan, maar het doel is om dat uit te breiden op een manier die zonder Webb onmogelijk zou zijn."

Hoe ontstaan ​​planeten?

Een van de belangrijkste doelen van de onderzoekers in beide systemen is om Webb te gebruiken om te helpen bepalen hoe de exoplaneten zijn gevormd. Waren ze gemaakt door een opeenhoping van materiaal in de schijf rond de ster, verrijkt met zware elementen zoals koolstof, net zoals Jupiter waarschijnlijk deed? Of, zijn ze gevormd door het instorten van een waterstofwolk, als een ster, en kleiner worden onder de meedogenloze aantrekkingskracht van de zwaartekracht?

Atmosferische make-up kan aanwijzingen geven voor de geboorte van een planeet. "Een van de dingen die we willen begrijpen, is de verhouding van de elementen die in de vorming van deze planeten zijn gegaan, "Zei Beichman. "In het bijzonder, koolstof versus zuurstof vertelt je heel veel over waar het gas vandaan komt dat de planeet heeft gevormd. Kwam het van een schijf die veel van de zwaardere elementen heeft samengesmolten of kwam het van het interstellaire medium? Dus het is wat we de koolstof-zuurstofverhouding noemen die behoorlijk indicatief is voor vormingsmechanismen."

Om deze vragen te beantwoorden, de onderzoekers zullen Webb gebruiken om dieper in de atmosfeer van de exoplaneten te tasten. NIRCam, bijvoorbeeld, zal de atmosferische vingerafdrukken van elementen zoals methaan meten. Het zal ook kijken naar wolkenkenmerken en de temperaturen van deze planeten. "We hebben al veel informatie op deze nabij-infrarode golflengten van grondgebonden faciliteiten, " zei Marshall Perrin van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, hoofdonderzoeker van NIRCam-waarnemingen van 51 Eridani b. "Maar de gegevens van Webb zullen veel nauwkeuriger zijn, veel gevoeliger. We hebben een completere reeks golflengten, inclusief het opvullen van gaten waar je die golflengten niet van de grond kunt krijgen."

De astronomen zullen ook Webb en zijn buitengewone gevoeligheid gebruiken om te jagen op minder massieve planeten ver van hun ster. "Van waarnemingen op de grond, we weten dat deze massieve planeten relatief zeldzaam zijn, "Zei Perrin. "Maar we weten ook dat voor de binnenste delen van systemen, planeten met een lagere massa komen veel vaker voor dan planeten met een grotere massa. Dus de vraag is, geldt het ook voor deze verdere scheidingen?" Beichman voegde eraan toe:"Webb's operatie in de koude omgeving van de ruimte maakt een zoektocht naar zwakkere, kleinere planeten, vanaf de grond niet te zien."

Een ander doel is te begrijpen hoe de talloze planetenstelsels die tot nu toe zijn ontdekt, zijn ontstaan.

"Ik denk dat we ontdekken dat er een enorme diversiteit is in zonnestelsels, "Zei Perrin. "Je hebt systemen waarin je deze hete Jupiter-planeten in zeer nauwe banen hebt. Je hebt systemen waar je dat niet hebt. Je hebt systemen met een planeet met een massa van 10 Jupiter en systemen waarin je niets meer hebt dan meerdere aardes. We willen uiteindelijk begrijpen hoe de diversiteit van de vorming van planetenstelsels afhangt van de omgeving van de ster, de massa van de ster, allerlei andere dingen en uiteindelijk door deze studies op populatieniveau, we hopen ons eigen zonnestelsel in context te plaatsen."

De NIRSpec-spectroscopische waarnemingen van HR 8799 en de NIRCam-waarnemingen van 51 Eridani maken deel uit van de Guaranteed Time Observations-programma's die kort na de lancering van Webb later dit jaar zullen worden uitgevoerd. De NIRCam- en MIRI-observaties van HR 8799 zijn een samenwerking van twee instrumentteams en maken ook deel uit van het Guaranteed Time Observations-programma.