Ny forskning från astronomer vid University of Washington använder det spännande planetsystemet TRAPPIST-1 som ett slags laboratorium för att modellera inte planeterna själva, men hur det kommande rymdteleskopet James Webb kan upptäcka och studera deras atmosfärer, på vägen mot att leta efter liv bortom jorden.

Studien, ledd av Jacob Lustig-Yaeger, en UW doktorand i astronomi, finner att James Webb-teleskopet, planeras att lanseras 2021, kanske kan lära sig viktig information om atmosfären i TRAPPIST-1-världarna även under dess första verksamhetsår, om inte - som en gammal låt säger - moln kommer i vägen.

"Webb-teleskopet har byggts, och vi har en idé om hur det kommer att fungera, " sa Lustig-Yaeger. "Vi använde datormodellering för att bestämma det mest effektiva sättet att använda teleskopet för att svara på den mest grundläggande frågan vi vill ställa, vilket är:Finns det ens atmosfärer på dessa planeter, eller inte?"

Hans papper, "Detekterbarheten och karakteriseringen av TRAPPIST-1 Exoplanet Atmospheres med JWST, " publicerades online i juni i Astronomisk tidskrift .

TRAPPIST-1-systemet, 39 ljusår – eller cirka 235 biljoner miles – bort i konstellationen Vattumannen, intresserar astronomer på grund av dess sju kretsande steniga, eller jordliknande, planeter. Tre av dessa världar är i stjärnans beboeliga zon - det där rymden runt en stjärna som är precis lagom för att tillåta flytande vatten på ytan av en stenig planet, på så sätt ge livet en chans.

Stjärnan, TRAPPIST-1, var mycket varmare när det bildades än det är nu, som skulle ha utsatt alla sju planeterna för havet, is och atmosfärisk förlust i det förflutna.

"Det finns en stor fråga på området just nu om dessa planeter ens har atmosfärer, speciellt de innersta planeterna, " sa Lustig-Yaeger. "När vi har bekräftat att det finns atmosfärer, vad kan vi då lära oss om varje planets atmosfär - molekylerna som utgör den?"

Med tanke på hur han föreslår att rymdteleskopet James Webb kan söka, det kan lära sig mycket på ganska kort tid, denna tidning finner.

Astronomer upptäcker exoplaneter när de passerar framför eller "transiterar" sin värdstjärna, vilket resulterar i en mätbar dämpning av stjärnljuset. Planeter närmare sin stjärna passerar oftare och är därför något lättare att studera. När en planet passerar sin stjärna, lite av stjärnans ljus passerar genom planetens atmosfär, med vilken astronomer kan lära sig om atmosfärens molekylära sammansättning.

Lustig-Yaeger sa att astronomer kan se små skillnader i planetens storlek när de ser i olika färger, eller våglängder, av ljus.

"Detta händer eftersom gaserna i planetens atmosfär absorberar ljus endast i mycket specifika färger. Eftersom varje gas har ett unikt "spektralt fingeravtryck, ' vi kan identifiera dem och börja pussla ihop sammansättningen av exoplanetens atmosfär."

Lustig-Yaeger sa att lagets modellering indikerar att James Webb-teleskopet, med hjälp av ett mångsidigt verktyg ombord som kallas Near-Infrared Spectrograph, kunde upptäcka atmosfären för alla sju TRAPPIST-1-planeter i 10 eller färre transiter – om de har molnfria atmosfärer. Och vi vet naturligtvis inte om de har moln eller inte.

Om TRAPPIST-1-planeterna har tjocka, globalt omslutande moln som Venus gör, att detektera atmosfärer kan ta upp till 30 transiter.

"Men det är fortfarande ett uppnåeligt mål, " sa han. "Det betyder att även i fallet med realistiska höghöjdsmoln, James Webb-teleskopet kommer fortfarande att kunna upptäcka närvaron av atmosfärer - vilket innan vår tidning inte var känt."

Många steniga exoplaneter har upptäckts de senaste åren, men astronomer har ännu inte upptäckt deras atmosfärer. Modelleringen i denna studie, Lustig-Yaeger sa, "visar att för detta TRAPPIST-1-system, att upptäcka markbundna exoplanetatmosfärer är vid horisonten med James Webb Space Telescope - kanske långt inom dess primära femåriga uppdrag."

Teamet fann att Webb-teleskopet kanske kan upptäcka tecken på att TRAPPIST-1-planeterna förlorade stora mängder vatten tidigare, när stjärnan var mycket hetare. Detta kan lämna tillfällen där abiotiskt producerat syre – inte representativt för liv – fyller en exoplanetatmosfär, vilket skulle kunna ge en sorts "falsk positiv" för livet. Om detta är fallet med TRAPPIST-1 planeter, Webb-teleskopet kanske också kan upptäcka dessa.

Lustig-Yaegers medförfattare, både med UW, är astronomiprofessor Victoria Meadows, som också är huvudutredare för det UW-baserade Virtual Planetary Laboratory; och astronomidoktoranden Andrew Lincowski. Arbetet följer, till viss del, om tidigare arbete av Lincowski som modellerar möjliga klimat för de sju TRAPPIST-1-världarna.

"Genom att göra denna studie, vi har tittat på:Vilka är de bästa scenarierna för rymdteleskopet James Webb? Vad kommer den att kunna göra? För det kommer definitivt att hittas fler planeter i jordstorlek innan den lanseras 2021."

Forskningen finansierades av ett anslag från NASA Astrobiology Programs Virtual Planetary Laboratory-team, som en del av forskningssamordningsnätverket Nexus for Exoplanet System Science (NExSS).

Lustig-Yaeger tillade:"Det är svårt att i teorin föreställa sig ett planetsystem som är bättre lämpat för James Webb än TRAPPIST-1."