Het is tijd voor de James Webb Space Telescope om de astronomie van exoplaneten naar de buitenste regionen te brengen. Europese onderzoekers hebben veel grondwerk verricht ter voorbereiding op dit moment.

Sinds de lancering op 25 december 2021 aan boord van een Ariane 5-raket uit Frans-Guyana en na 30 jaar in de maak, is de James Webb Space Telescope (JWST) het kerstcadeau voor astronomen dat blijft geven.

Zoals veel astronomen in Europa bereidt Pierre-Olivier Lagage, een astrofysicus bij de in Parijs gevestigde Franse Alternative Energies and Atomic Energy Commission (CEA), zich al jaren voor op JWST.

Een gezamenlijk project met NASA, de Canadian Space Agency (CSA) en de European Space Agency (ESA), JWST begon in juli 2022 zijn eerste beelden van de kosmos terug te stralen nadat hij op zijn uitkijkpunt op 1,5 miljoen kilometer van de aarde was aangekomen en zijn onderscheidend gigantisch zonnescherm.

Een waardige opvolger van de iconische Hubble-ruimtetelescoop, de JWST van 10 miljard euro heeft grote wetenschappelijke doelen. Deze omvatten de studie van het vroege heelal kort na de oerknal, sterrenstelsels en stervorming, zwarte gaten, ons eigen zonnestelsel en de zoektocht naar de bouwstenen van het leven in het heelal.

Wetenschappelijke goudmijn

"Een exoplaneet is een planeet die rond een andere ster dan de zon draait", zei Lagage.

Lagage is de hoofdonderzoeker van het door H2020 gefinancierde Exoplanet Atmosphere New Emission Transmission Spectra Analysis, of ExoplANETS A-project. Hij en zijn collega's ontwikkelden een datatool om de schat aan bestaande spectroscopische data van eerdere missies te benutten om exoplaneten te bestuderen.

Vanuit een staande start heeft de exoplaneetastronomie de afgelopen 20 jaar duizenden exoplaneten ontdekt. Nu biedt de spectroscopie-instrumentatie van JWST een ongekende mogelijkheid om exoplaneten te bestuderen op de chemische kenmerken van het leven in hun atmosfeer.

Spectroscopie van transiterende exoplaneten is een van de belangrijkste technieken in de astronomie van exoplaneten. Wanneer een in een baan om de aarde draaiende planeet voor zijn ster beweegt ten opzichte van de waarnemer, verandert het spectrum van licht van de ster wanneer deze door de atmosfeer van de planeet gaat. Wanneer de veranderingen in het licht worden gedetecteerd, geven ze de chemische samenstelling van de atmosfeer van de planeet aan en of het waarschijnlijk is dat het leven ondersteunt of niet.

De tool Exoplanets A maakt gebruik van data-analyse om astronomen in staat te stellen een breed scala aan exoplaneetatmosferen te karakteriseren. Astronomen die JWST gebruiken, zullen dit waarschijnlijk nuttig vinden om hun eigen waarnemingen te helpen door aan te geven welke informatie waarschijnlijk nuttig is en wat waarschijnlijk ruis is.

Een nadeel van spectroscopische waarnemingen is dat hoewel ze een goudmijn aan informatie zijn, het signaal wordt vermengd met veel ruis. Nutteloze informatie die geen verband houdt met de atmosfeer van de exoplaneet kan de waardevolle gegevens in de waarneming verdoezelen.

Systematische ruis

Dit komt omdat het signaal dat door de planetaire atmosfeer wordt gecreëerd klein is in vergelijking met de rest van het licht dat van de ster komt, aldus Lagege. "Dus je moet tools ontwikkelen om deze systematische ruis te verwijderen en het juiste signaal te krijgen", zei hij.

Het Exoplanets A-project gaat verder. Om de atmosfeer van een exoplaneet te modelleren, moet je ook een goed begrip hebben van zijn gastheerster. Om hierbij te helpen, creëerde het project een database met de eigenschappen van sterren met exoplaneten. Het is gemaakt met gearchiveerde gegevens van het ruimteobservatorium XMM-Newton en Gaia van de ESA.

JWST's eerste exoplaneetwaarnemingen waren van de hete gasreuzenplaneet WASP-39b, beschreven als een "hete Jupiter". Het draait om een ​​zonachtige ster op 700 lichtjaar afstand. Vorige maand deed JWST met behulp van spectroscopie de eerste bevestigde waarneming van koolstofdioxide op een exoplaneet.

Gevangen in een TRAPPIST-1

Het ESCAPE-project (Exploring Shortcuts for the Characterization of the Atmospheres of Planets like Earth) heeft ook gezocht naar snelkoppelingen om de atmosferen van aardachtige exoplaneten te karakteriseren.

Martin Turbet, een astrofysicus bij het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) en hoofdonderzoeker van het H2020-gefinancierde ESCAPE-project, zei dat hiervoor nieuwe observatietechnieken moesten worden onderzocht, met behulp van verschillende telescopen op de grond en in de ruimte.

De astronomen hebben bijvoorbeeld nieuwe methoden ontwikkeld om de dichtheid te berekenen van de planeten die rond TRAPPIST-1 draaien, een ultrakoele rode dwergster op ongeveer 40 lichtjaar van ons zonnestelsel.

Aanvankelijk ontdekt in 2000, werd later aangekondigd in 2017 dat de TRAPPIST-1-ster zeven kleine exoplaneten herbergt, die in dichte formatie cirkelen, waarvan er ten minste enkele bewoonbaar kunnen zijn.

Om de dichtheid van een planeet te berekenen, moet je de straal en massa weten. Het dimensioneren van de planeet kan worden gedaan met behulp van spectroscopische waarnemingen. Massa kan worden berekend door het effect van de zwaartekracht van de planeet op zijn moederster te observeren.

Exoplaneten wegen

"Dit is de klassieke manier om het gewicht van een planeet te meten," zei Turbet. "Maar in het geval van de TRAPPIST-1-planeten is de massa van de planeten zo klein dat de klassieke techniek niet werkt."

Het TRAPPIST-1-systeem is echter eigenaardig omdat de zeven planeten allemaal heel dicht bij elkaar draaien en sterke zwaartekracht op elkaar uitoefenen, zei hij.

Dit heeft invloed op hun banen en betekent dat ze niet op vaste tijdstippen voor hun gastheerster passeren of passeren.

Door de afwijkingen in deze transittijden te meten, konden de onderzoekers de sterkte van de zwaartekrachten tussen de planeten beoordelen en hun massa's evalueren, zei Turbet.

Dankzij deze techniek zeggen ze nu in staat te zijn de meest nauwkeurige voorspellingen te doen over het watergehalte van de zeven bekende planeten in het TRAPPIST-1-systeem.

De waarnemingen en berekeningen van massa, dichtheid en watergehalte zijn gemaakt met telescopen op de grond, zoals de SPECULOOS-telescoop van de European Southern Observatory (ESO) in Chili, ruimtetelescopen en nieuw theoretisch werk.

Turbet zei dat de JWST en de geplande Extremely Large Telescope (ELT) in staat zouden kunnen zijn om mogelijke tekenen van leven, ook wel biomarkers genoemd, in exoplaneetatmosferen te detecteren.

Hij waarschuwde echter dat deze "niet kunnen worden gebruikt als definitief bewijs dat er leven op de planeet is." Dit komt omdat recent werk heeft aangetoond dat biomarkers, zoals zuurstof, kunnen worden gevormd zonder leven.

Gereflecteerd sterrenlicht

Turbet en zijn collega's hebben ook een nieuwere spectroscopietechniek onderzocht, die bekend staat als gereflecteerde lichtspectroscopie. In plaats van te analyseren hoe het licht van een ster verandert als een planeet ervoor passeert, kijkt deze methode naar hoe het licht van de ster wordt gereflecteerd door de atmosfeer van de planeet.

De modellen van het watergehalte en de planetaire atmosferen zullen ook helpen bij waarnemingen van de JWST, zei Turbet. Ze zullen astronomen in staat stellen hun waarnemingen te plannen om het verzamelen van gegevens van oprecht belang te maximaliseren.

Dat gezegd hebbende, onderzoek naar exoplaneten gaat niet alleen over het zoeken naar buitenaards leven. Exoplaneten zouden ons volgens Lagage ook informatie kunnen verschaffen over de geschiedenis van de aarde en hoe de atmosfeer zich ontwikkelde.

"Waar ik het meest in geïnteresseerd ben, is de atmosfeer van exoplaneten ter grootte van de aarde en de aarde", zei hij. + Verder verkennen

Eerste exoplaneetfoto van James Webb Space Telescope onthuld