Onderzoekers zullen NASA's aankomende James Webb Space Telescope gebruiken om Beta Pictoris te bestuderen, een intrigerend jong planetenstelsel met minstens twee planeten, een wirwar van kleinere, rotsachtige lichamen, en een stoffige schijf. Hun doelen zijn onder meer het verkrijgen van een beter begrip van de structuren en eigenschappen van het stof om beter te kunnen interpreteren wat er in het systeem gebeurt. Aangezien het slechts ongeveer 63 lichtjaar verwijderd is en wemelt van het stof, het lijkt helder in infrarood licht - en dat betekent dat Webb veel informatie kan verzamelen.

Beta Pictoris is het doelwit van verschillende geplande Webb-observatieprogramma's, waaronder een onder leiding van Chris Stark van NASA's Goddard Space Flight Center en twee onder leiding van Christine Chen van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland. Het programma van Stark zal het systeem direct in beeld brengen nadat het het licht van de ster heeft geblokkeerd om een ​​hele reeks nieuwe details over het stof te verzamelen. Chen's programma's zullen spectra verzamelen, die licht verspreiden als een regenboog om te onthullen welke elementen aanwezig zijn. Alle drie de observatieprogramma's zullen kritische details toevoegen aan wat er bekend is over dit nabije systeem.

Eerst, een overzicht van wat we weten

Beta Pictoris is regelmatig onderzocht in radio, infrarood, en zichtbaar licht sinds de jaren 80. De ster zelf is twee keer zo zwaar als onze zon en een stuk heter, maar ook aanzienlijk jonger. (De zon is 4,6 miljard jaar oud, maar Beta Pictoris is ongeveer 20 miljoen jaar oud.) In dit stadium, de ster is stabiel en herbergt minstens twee planeten, die beide veel massiever zijn dan Jupiter. Maar dit planetenstelsel is opmerkelijk omdat hier de eerste exokometen (kometen in andere stelsels) werden ontdekt. Er zijn nogal wat lichamen die rond dit systeem ritselen!

Net als ons eigen zonnestelsel, Beta Pictoris heeft een puinschijf, waaronder kometen, asteroïden, rotsen van verschillende grootte, en veel stof in alle vormen die om de ster draaien. (Een puinschijf is veel jonger en kan massiever zijn dan de Kuipergordel van ons zonnestelsel, die begint in de buurt van de baan van Neptunus en waar veel kortperiodieke kometen vandaan komen.)

Deze buitenste ring van stof en puin is ook waar veel activiteit plaatsvindt. Kiezels en keien zouden tegen elkaar kunnen botsen en in veel kleinere stukken uiteenvallen, waardoor er veel stof naar buiten komt.

Dit planetenstelsel onder de loep nemen

Starks team zal Webb's coronagrafen gebruiken, die het licht van de ster blokkeren, om de vage delen van de puinschijf te observeren die het hele systeem omringen. "We weten dat er twee massieve planeten rond Beta Pictoris zijn, en verder is er een gordel van kleine lichamen die botsen en uiteenvallen, ' legde Stark uit. 'Maar wat zit er tussenin? In hoeverre lijkt dit systeem op ons zonnestelsel? Kunnen stof en waterijs van de buitenste gordel uiteindelijk in het binnenste gebied van het systeem terechtkomen? Dat zijn details die we kunnen helpen met Webb te plagen."

Met de beelden van Webb kunnen de onderzoekers bestuderen hoe de kleine stofkorrels interageren met planeten die in dat systeem aanwezig zijn. Plus, Webb zal al het fijne stof beschrijven dat van deze objecten stroomt, waardoor de onderzoekers de aanwezigheid van grotere rotsachtige lichamen konden afleiden en wat hun distributie in het systeem is. Ze zullen ook zorgvuldig beoordelen hoe het stof licht verstrooit en licht absorbeert en weer uitstraalt als het warm is, waardoor ze kunnen beperken waaruit het stof is gemaakt. Door de bijzonderheden van Beta Pictoris te catalogiseren, zullen de onderzoekers ook beoordelen hoe vergelijkbaar dit systeem is met ons zonnestelsel, helpt ons te begrijpen of de inhoud van ons zonnestelsel uniek is.

Isabel Rebollido, een teamlid en postdoctoraal onderzoeker bij STScI, bouwt al complexe modellen van Beta Pictoris. Het eerste model combineert bestaande gegevens over het systeem, inclusief radio, bijna infrarood, ver-infrarood, en zichtbaar licht van zowel ruimte- als grondobservatoria. Op tijd, ze zal Webb's afbeeldingen toevoegen om een ​​volledigere analyse uit te voeren.

Het tweede model zal alleen gegevens van Webb bevatten en zal het eerste zijn dat ze onderzoeken. 'Is het licht dat Webb zal waarnemen symmetrisch?' vroeg Rebollido. "Of zijn er hier en daar 'bulten' van licht omdat er zich stof ophoopt? Webb is veel gevoeliger dan elke andere ruimtetelescoop en geeft ons de kans om naar dit bewijs te zoeken, evenals waterdamp waarvan we weten dat er gas is."

Stof als decoderring

Denk aan de puinschijf van Beta Pictoris als een zeer drukke, elliptische snelweg - behalve een waar er niet veel verkeersregels zijn. Botsingen tussen kometen en grotere rotsen kunnen fijne stofdeeltjes produceren die zich vervolgens door het systeem verspreiden.

"Na planeten, het grootste deel van de massa in het Beta Pictoris-systeem wordt verondersteld zich in kleinere planetesimalen te bevinden die we niet direct kunnen waarnemen, " legde Chen uit. "Gelukkig, we kunnen het stof observeren dat achterblijft wanneer planetesimalen botsen."

Dit stof is waar het team van Chen zijn onderzoek op zal richten. Hoe zien de kleinste stofkorrels eruit? Zijn ze compact of luchtig? Waar zijn ze van gemaakt?

"We zullen de spectra van Webb analyseren om de locaties van stof en gas in kaart te brengen - en erachter te komen wat hun gedetailleerde composities zijn, Chen legde uit. "Stofkorrels zijn 'vingerafdrukken' van planetesimalen die we niet direct kunnen zien en die ons kunnen vertellen waar deze planetesimalen van zijn gemaakt en hoe ze zijn gevormd." zijn de planetesimalen ijsrijk zoals kometen in ons zonnestelsel? Zijn er tekenen van botsingen met hoge snelheid tussen rotsachtige planetesimalen? Door duidelijk te analyseren of korrels in de ene regio vaster of donziger zijn dan in een andere, kunnen de onderzoekers begrijpen wat er met het stof gebeurt. en breng de subtiele verschillen in het stof in elke regio in kaart.

"Ik kijk er naar uit om de gegevens van Webb te analyseren, omdat het voortreffelijke details zal opleveren, " voegde Cicero X. Lu toe, een teamlid en een vierdejaars Ph.D. student aan de Johns Hopkins University in Baltimore. "Webb stelt ons in staat om meer elementen te identificeren en hun precieze structuren te bepalen."

Vooral, er is een wolk van koolmonoxide aan de rand van de schijf die deze onderzoekers enorm interesseert. Het is asymmetrisch en heeft een onregelmatige, bolle kant. Een theorie is dat bij botsingen stof en gas vrijkomen uit grotere, ijzige lichamen om deze wolk te vormen. De spectra van Webb zullen hen helpen scenario's te bouwen die de oorsprong ervan verklaren.

Het bereik van infrarood

Deze onderzoeksprogramma's zijn alleen mogelijk omdat Webb is ontworpen om scherpe, detail met hoge resolutie in infrarood licht. Het observatorium is gespecialiseerd in het verzamelen van infraroodlicht - dat door gas en stof reist - zowel met afbeeldingen als met spectra. Webb heeft ook nog een ander voordeel:zijn positie in de ruimte. Webb zal niet worden gehinderd door de atmosfeer van de aarde, die sommige soorten licht filtert, waaronder verschillende infrarode golflengtebanden. Met dit observatorium kunnen onderzoekers voor het eerst een completer scala aan infraroodlicht en gegevens over Beta Pictoris verzamelen.

Deze onderzoeken zullen worden uitgevoerd als onderdeel van de programma's Webb Guaranteed Time Observations (GTO) en General Observers (GO). De GTO-programma's worden geleid door wetenschappers die hebben bijgedragen aan de ontwikkeling van de belangrijkste hardware- en softwarecomponenten of technische en interdisciplinaire kennis voor het observatorium. GO-programma's worden competitief geselecteerd met behulp van een dubbel anoniem beoordelingssysteem, hetzelfde systeem dat wordt gebruikt om tijd toe te wijzen op de Hubble-ruimtetelescoop.