• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • NASA:s Webb-teleskop för att studera unga exoplaneter på kanten

    Till vänster:Det här är en bild av stjärnan HR 8799 tagen av Hubbles Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) 1998. En mask inuti kameran (koronagraf) blockerar det mesta av ljuset från stjärnan. Astronomer använde också programvara för att digitalt subtrahera mer stjärnljus. Ändå, spritt ljus från HR 8799 dominerar bilden, skymmer fyra svaga planeter som senare upptäckts från markbaserade observationer. Höger:En omanalys av NICMOS-data 2011 avslöjade tre av exoplaneterna, som inte syntes på 1998 års bilder. Webb kommer att undersöka planeternas atmosfärer vid infraröda våglängder som astronomer sällan har använt för att avbilda avlägsna världar. Kredit:NASA, ESA, och R. Soummer (STScI)

    Innan planeter runt andra stjärnor först upptäcktes på 1990-talet, dessa vidsträckta exotiska världar levde bara i science fiction-författares fantasi.

    Men inte ens deras kreativa sinnen kunde ha föreställt sig den mångfald av världar astronomer har avslöjat. Många av dessa världar, kallade exoplaneter, är väldigt olika från vårt solsystems familj av planeter. De sträcker sig från stjärnkramande "heta Jupiters" till överdimensionerade stenplaneter som kallas "superjordar". Vårt universum är tydligen konstigare än fiktion.

    Att se dessa avlägsna världar är inte lätt eftersom de går vilse i bländningen från sina värdstjärnor. Att försöka upptäcka dem är som att anstränga sig för att se en eldfluga sväva bredvid en fyrs lysande fyr.

    Det är därför astronomer har identifierat de flesta av de mer än 4, 000 exoplaneter som hittills hittats med hjälp av indirekta tekniker, till exempel genom en stjärnas lätta vinkling eller dess oväntade nedtoning när en planet passerar framför den, blockerar en del av stjärnljuset.

    Dessa tekniker fungerar bäst, dock, för planeter som kretsar nära sina stjärnor, där astronomer kan upptäcka förändringar under veckor eller till och med dagar när planeten fullbordar sin bana om banan. Men att bara hitta stjärnskummande planeter ger inte astronomerna en heltäckande bild av alla möjliga världar i stjärnsystem.

    Detta schema visar positionerna för de fyra exoplaneterna som kretsar långt bort från den närliggande stjärnan HR 8799. Banorna verkar långsträckta på grund av en liten lutning av omloppsplanet i förhållande till vår siktlinje. Storleken på planetsystemet HR 8799 är jämförbar med vårt solsystem, som indikeras av Neptunus omloppsbana, visas i skala. Kredit:NASA, ESA, och R. Soummer (STScI)

    En annan teknik som forskare använder i jakten på exoplaneter, som är planeter som kretsar runt andra stjärnor, är en som fokuserar på planeter som är längre bort från en stjärnas bländande bländning. Forskare har upptäckt unga exoplaneter som är så varma att de lyser i infrarött ljus med hjälp av specialiserade bildtekniker som blockerar bländningen från stjärnan. På det här sättet, vissa exoplaneter kan direkt ses och studeras.

    NASA:s kommande rymdteleskop James Webb kommer att hjälpa astronomer att söka längre in i denna djärva nya gräns. Webb, som vissa markbaserade teleskop, är utrustad med speciella optiska system som kallas coronagraphs, som använder masker designade för att blockera så mycket stjärnljus som möjligt för att studera svaga exoplaneter och för att avslöja nya världar.

    Två mål tidigt i Webbs uppdrag är planetsystemen 51 Eridani och HR 8799. Av några dussin direkt avbildade planeter, astronomer planerar att använda Webb för att i detalj analysera de system som är närmast jorden och som har planeter på bredast avstånd från sina stjärnor. Det betyder att de verkar tillräckligt långt borta från en stjärnas bländning för att direkt observeras. HR 8799-systemet ligger 133 ljusår och 51 Eridani 96 ljusår från jorden.

    Webbs planetariska mål

    Två observationsprogram tidigt i Webbs uppdrag kombinerar de spektroskopiska kapaciteterna hos Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) och avbildning av Near Infrared Camera (NIRCam) och Mid-Infrared Instrument (MIRI) för att studera de fyra jätteplaneterna i HR 8799-systemet. I ett tredje program, forskare kommer att använda NIRCam för att analysera jätteplaneten i 51 Eridani.

    Denna upptäcktsbild av en extrasolär planet i Jupiterstorlek som kretsar kring den närliggande stjärnan 51 Eridani togs i nära infrarött ljus 2014 av Gemini Planet Imager. Den ljusa centrala stjärnan är gömd bakom en mask i mitten av bilden för att möjliggöra upptäckten av exoplaneten, vilket är 1 miljon gånger svagare än 51 Eridani. Exoplaneten är i utkanten av planetsystemet 11 miljarder miles från sin stjärna. Webb kommer att undersöka planetens atmosfär vid infraröda våglängder som astronomer sällan har använt för att avbilda avlägsna världar. Kredit:International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA, J. Rameau (University of Montreal), och C. Marois (National Research Council of Canada Herzberg

    De fyra jätteplaneterna i HR 8799-systemet är var och en ungefär 10 Jupitermassor. De kretsar mer än 14 miljarder miles från en stjärna som är något mer massiv än solen. Jätteplaneten i 51 Eridani är dubbelt så stor som Jupiter och kretsar omkring 11 miljarder miles från en solliknande stjärna. Båda planetsystemen har banor som är orienterade vända mot jorden. Denna orientering ger astronomer en unik möjlighet att få ett fågelperspektiv ovanpå systemen, som att titta på de koncentriska ringarna på ett bågskyttemål.

    Många exoplaneter som finns i deras stjärnors yttre banor skiljer sig mycket från planeterna i vårt solsystem. De flesta av de exoplaneter som upptäckts i denna yttre region, inklusive de i HR 8799, är mellan fem och 10 Jupitermassor, vilket gör dem till de mest massiva planeterna som hittills hittats.

    Dessa yttre exoplaneter är relativt unga, från tiotals miljoner till hundratals miljoner år gamla – mycket yngre än vårt solsystems 4,5 miljarder år. Så de lyser fortfarande av värme från sin formation. Bilderna av dessa exoplaneter är i huvudsak babybilder, avslöjar planeter i sin ungdom.

    Webb kommer att sondera in i det mellaninfraröda, ett våglängdsområde som astronomer sällan använt tidigare för att avbilda avlägsna världar. Detta infraröda "fönster" är svårt att observera från marken på grund av termisk emission från och absorption i jordens atmosfär.

    "Webbs starka sida är det ohämmade ljuset som kommer genom rymden i det mellaninfraröda området, " sa Klaus Hodapp från University of Hawaii i Hilo, ledande utredare för NIRSpec-observationerna av HR 8799-systemet. "Jordens atmosfär är ganska svår att arbeta igenom. De stora absorptionsmolekylerna i vår egen atmosfär hindrar oss från att se intressanta egenskaper hos planeter."

    Det mellaninfraröda "är den region där Webb verkligen kommer att ge avgörande bidrag till att förstå vad som är de specifika molekylerna, vilka egenskaper har atmosfären som vi hoppas hitta som vi egentligen inte får bara av den kortare, nära-infraröda våglängder, " sa Charles Beichman från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, ledande utredare för NIRCam- och MIRI-observationerna av HR 8799-systemet. "Vi kommer att bygga på vad de markbaserade observatorierna har gjort, men målet är att utöka det på ett sätt som skulle vara omöjligt utan Webb."

    Den här videon visar fyra Jupiter-stora exoplaneter som kretsar runt miljarder mil bort från sin stjärna i det närliggande HR 8799-systemet. Planetsystemet är orienterat med framsidan mot jorden, ger astronomer en unik fågelperspektiv över planeternas rörelse. Exoplaneterna kretsar så långt bort från sin stjärna att det tar allt från decennier till århundraden att slutföra en bana. Videon består av sju bilder av systemet tagna under en sjuårsperiod med W.M. Keck Observatory på Mauna Kea, Hawaii. Kecks koronagraf blockerar det mesta av stjärnljuset så att de mycket svagare och mindre exoplaneterna kan ses. Kredit:Jason Wang (Caltech) och Christian Marois (NRC Herzberg)

    Hur bildas planeter?

    Ett av forskarnas främsta mål i båda systemen är att använda Webb för att avgöra hur exoplaneterna bildades. Om de skapades genom en uppbyggnad av material i skivan som omger stjärnan, berikad med tunga grundämnen som kol, precis som Jupiter förmodligen gjorde? Eller, bildades de från kollapsen av ett vätemoln, som en stjärna, och bli mindre under gravitationens obevekliga dragkraft?

    Atmosfärisk makeup kan ge ledtrådar till en planets födelse. "En av de saker vi skulle vilja förstå är förhållandet mellan de element som har gått till bildandet av dessa planeter, " sa Beichman. "I synnerhet, kol kontra syre säger en hel del om var gasen som bildade planeten kommer ifrån. Kom det från en skiva som samlade mycket av de tyngre elementen eller kom det från det interstellära mediet? Så det är vad vi kallar kol-till-syre-förhållandet som är ganska indikativt på bildningsmekanismer."

    För att svara på dessa frågor, forskarna kommer att använda Webb för att undersöka djupare in i exoplaneternas atmosfärer. NIRCam, till exempel, kommer att mäta atmosfäriska fingeravtryck av element som metan. Den kommer också att titta på molnfunktioner och temperaturerna på dessa planeter. "Vi har redan mycket information om dessa nära-infraröda våglängder från markbaserade anläggningar, " sa Marshall Perrin från Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland, ledande utredare för NIRCam-observationer av 51 Eridani f. "Men data från Webb kommer att vara mycket mer exakt, mycket känsligare. Vi kommer att ha en mer komplett uppsättning våglängder, inklusive att fylla i luckor där du inte kan få de våglängderna från marken."

    Astronomerna kommer också att använda Webb och dess enastående känslighet för att jaga efter mindre massiva planeter långt från deras stjärna. "Från markbaserade observationer, vi vet att dessa massiva planeter är relativt sällsynta, ", sa Perrin. "Men vi vet också att för de inre delarna av systemen, Planeter med lägre massa är dramatiskt vanligare än planeter med större massa. Så frågan är, stämmer det också för dessa ytterligare separationer?" tillade Beichman, "Webbs verksamhet i rymdens kalla miljö tillåter ett sökande efter svagare, mindre planeter, omöjligt att upptäcka från marken."

    Den här videon visar en exoplanet i storleken Jupiter som kretsar långt borta - ungefär 11 miljarder miles - från en närliggande, Solliknande stjärna, 51 Eridani. Planetsystemet är orienterat med framsidan mot jorden, ger astronomer en unik fågelperspektiv över planetens rörelse. Videon består av fem bilder tagna under fyra år med Gemini South Telescopes Gemini Planet Imager, i Chile. Tvillingarnas koronagraf blockerar det mesta av stjärnljuset så att den mycket svagare och mindre exoplaneten kan ses. Kredit:Jason Wang (Caltech)/Gemini Planet Imager Exoplanet Survey

    Ett annat mål är att förstå hur de otaliga planetsystem som hittills upptäckts skapades.

    "Jag tror att det vi hittar är att det finns en enorm mångfald i solsystem, ", sa Perrin. "Du har system där du har dessa heta Jupiter-planeter i mycket nära banor. Du har system där du inte har det. Du har system där du har en planet med 10 Jupitermassa och sådana där du inte har något större än flera jordar. Vi vill i slutändan förstå hur mångfalden av planetsystembildning beror på stjärnans miljö, stjärnans massa, alla möjliga andra saker och så småningom genom dessa studier på befolkningsnivå, vi hoppas kunna sätta vårt eget solsystem i ett sammanhang."

    NIRSpec-spektroskopiska observationer av HR 8799 och NIRCam-observationer av 51 Eridani är en del av programmet Guaranteed Time Observations som kommer att genomföras kort efter Webbs lansering senare i år. NIRCam- och MIRI-observationerna av HR 8799 är ett samarbete mellan två instrumentteam och är också en del av programmet Guaranteed Time Observations.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com