Planetaire systemen hebben miljoenen jaren nodig om zich te vormen, wat voor astronomen een hele uitdaging is. Hoe identificeer je in welke fase ze zich bevinden, of categoriseren? De beste aanpak is om naar veel voorbeelden te kijken en de gegevens die we hebben steeds aan te vullen - en NASA's aankomende James Webb Space Telescope zal in staat zijn om een ​​infraroodinventaris te leveren. Onderzoekers die Webb gebruiken, zullen 17 actief vormende planetaire systemen observeren. Deze specifieke systemen zijn eerder onderzocht door de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), de grootste radiotelescoop ter wereld, voor de schijfsubstructuren bij High Angular Resolution Project (DSHARP).

Webb zal spectra meten die moleculen in de binnenste regionen van deze protoplanetaire schijven kunnen onthullen, een aanvulling op de details die ALMA heeft verstrekt over de buitenste regionen van de schijven. Deze binnengebieden zijn waar rotsachtig, Aardachtige planeten kunnen zich beginnen te vormen, dat is een van de redenen waarom we meer willen weten over welke moleculen daar bestaan.

Een onderzoeksteam onder leiding van Colette Salyk van Vassar College in Poughkeepsie, New York, en Klaus Pontoppidan van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, zoek de details in infrarood licht. "Als je eenmaal overschakelt op infrarood licht, specifiek voor het assortiment van Webb in mid-infrarood licht, we zullen gevoelig zijn voor de meest voorkomende moleculen die gemeenschappelijke elementen dragen, " legde Pontoppidan uit.

Onderzoekers zullen de hoeveelheden water kunnen beoordelen, koolmonoxide, kooldioxide, methaan, en ammoniak - naast vele andere moleculen - in elke schijf. Kritisch, ze zullen de moleculen kunnen tellen die elementen bevatten die essentieel zijn voor het leven zoals wij dat kennen, inclusief zuurstof, koolstof, en stikstof. Hoe? Met spectroscopie:Webb zal al het uitgestraalde licht in het midden van elke protoplanetaire schijf vastleggen als een spectrum, die een gedetailleerd kleurenpatroon produceert op basis van de golflengten van het uitgestraalde licht. Omdat elk molecuul een uniek patroon op het spectrum afdrukt, onderzoekers kunnen identificeren welke moleculen er zijn en inventarissen maken van de inhoud in elke protoplanetaire schijf. De sterkte van deze patronen bevat ook informatie over de temperatuur en hoeveelheid van elk molecuul.

"De gegevens van Webb zullen ons ook helpen te identificeren waar de moleculen zich in het totale systeem bevinden, " zei Salyk. "Als ze heet zijn, dat betekent dat ze dichter bij de ster zijn. Als ze cooler zijn, ze kunnen verder weg zijn." Deze ruimtelijke informatie zal helpen bij het informeren van modellen die wetenschappers bouwen terwijl ze doorgaan met het onderzoeken van de gegevens van dit programma.

Weten wat zich in de binnenste regionen van de schijven bevindt, heeft ook andere voordelen. Heeft water, bijvoorbeeld, naar dit gebied gekomen, waar bewoonbare planeten zich kunnen vormen? "Een van de dingen die echt geweldig zijn aan planeten - verander de chemie een klein beetje en je kunt deze dramatisch verschillende werelden krijgen, " vervolgde Salyk. "Daarom zijn we geïnteresseerd in de chemie. We proberen erachter te komen hoe de materialen die aanvankelijk in een systeem werden gevonden, kunnen eindigen als verschillende soorten planeten."

Als dit klinkt als een belangrijke onderneming, maak je geen zorgen - het zal een inspanning van de gemeenschap zijn. Dit is een Webb Treasury-programma, wat betekent dat de gegevens worden vrijgegeven zodra ze naar alle astronomen zijn gebracht, zodat iedereen de gegevens onmiddellijk kan ophalen, begin te beoordelen wat er op elke schijf zit, en deel hun bevindingen.

"Webb's infraroodgegevens zullen intensief worden bestudeerd, " voegde mede-onderzoeker Ke Zhang van de Universiteit van Wisconsin-Madison toe. "We willen dat de hele onderzoeksgemeenschap de gegevens vanuit verschillende hoeken kan benaderen."

Waarom het close-up onderzoek?

Laten we een stap terug doen, om door de bomen het bos te zien. Stel je voor dat je op een onderzoeksboot voor de kust van een ver land zit. Dit is de meest brede weergave. Als je zou landen en van boord gaan, je zou kunnen beginnen met tellen hoeveel bomen er zijn en hoeveel van elke boomsoort. Je zou kunnen beginnen met het identificeren van specifieke insecten en vogels en de geluiden die je offshore hoorde afstemmen op de geluiden die je onder de boomtoppen hoort. Deze gedetailleerde catalogisering lijkt erg op wat Webb onderzoekers zal machtigen om te doen, maar verwissel bomen en dieren voor chemische elementen.

De protoplanetaire schijven in dit programma zijn erg helder en relatief dicht bij de aarde, waardoor ze uitstekende doelen zijn om te studeren. Daarom werden ze ondervraagd door ALMA. Het is ook de reden waarom onderzoekers ze bestudeerden met NASA's Spitzer Space Telescope. Deze objecten zijn pas sinds 2003 grondig bestudeerd, waardoor dit een relatief nieuwer onderzoeksgebied is. Er is veel dat Webb kan toevoegen aan wat we weten.

Het Mid-Infrared Instrument (MIRI) van de telescoop biedt veel voordelen. De locatie van Webb in de ruimte betekent dat het het volledige bereik van midden-infrarood licht kan opvangen (de atmosfeer van de aarde filtert het uit). Plus, de gegevens hebben een hoge resolutie, die veel meer lijnen en kronkels in de spectra zal onthullen die de onderzoekers kunnen gebruiken om specifieke moleculen uit te plagen.

De onderzoekers waren ook selectief over de soorten sterren die voor deze waarnemingen werden gekozen. Dit monster omvat sterren die ongeveer de helft van de massa van de zon hebben tot ongeveer twee keer de massa van de zon. Waarom? Het doel is om onderzoekers te helpen meer te weten te komen over systemen die kunnen lijken op de onze toen ze gevormd werden. "Met dit monster we kunnen beginnen te bepalen of er gemeenschappelijke kenmerken zijn tussen de eigenschappen van de schijven en hun innerlijke chemie, " ging Zhang verder. "Uiteindelijk, we willen kunnen voorspellen welke soorten systemen meer kans hebben om bewoonbare planeten te genereren."

Beginnen met het beantwoorden van grote vragen

Dit programma kan onderzoekers ook helpen om enkele klassieke vragen te beantwoorden:zijn de vormen die worden aangenomen door enkele van de meest voorkomende elementen die worden gevonden in protoplanetaire schijven, zoals koolstof, stikstof, en zuurstof, "geërfd" van de interstellaire wolken die ze hebben gevormd? Of verandert de precieze mix van chemicaliën in de loop van de tijd? "We denken dat we sommige van die antwoorden kunnen krijgen door inventarisaties te maken met Webb, Pontoppidan legde uit. "Het is duidelijk een enorme hoeveelheid werk om te doen - en kan niet alleen met deze gegevens worden gedaan - maar ik denk dat we grote vooruitgang zullen boeken."

Nog breder denkend over de ongelooflijk rijke spectra die Webb zal bieden, Salyk heeft toegevoegd, "Ik hoop dat we dingen zullen zien die ons verrassen en dan die toevallige ontdekkingen gaan bestuderen."

Dit onderzoek zal worden uitgevoerd als onderdeel van Webb General Observer (GO)-programma's, die competitief worden geselecteerd met behulp van een dubbel-anoniem beoordelingssysteem, hetzelfde systeem dat wordt gebruikt om tijd toe te wijzen op de Hubble-ruimtetelescoop.