Det bästa sättet att studera atmosfärerna i avlägsna världar med James Webb Space Telescope, planerad att lanseras i slutet av 2018, kommer att kombinera två av sina infraröda instrument, enligt ett team av astronomer.

"Vi ville veta vilken kombination av observationslägen (av Webb) som ger dig maximalt informationsinnehåll till lägsta kostnad, " säger Natasha Batalha, doktorand i astronomi och astrofysik och astrobiologi, Penn State, och ledande forskare i detta projekt.

"Informationsinnehåll är den totala mängd information vi kan få från en planets atmosfäriska spektrum, från temperatur och sammansättning av gasen - som vatten och koldioxid - till atmosfärstryck."

Batalha och Michael Line, assisterande professor, Skolan för geo- och rymdvetenskap, Arizona State University, utvecklat en matematisk modell för att förutsäga mängden information som olika Webb-instrument kan extrahera om en exoplanets atmosfär.

Deras modell förutspår att en kombination av två infraröda instrument – ​​Near Infrared Imager och Slitless Spectrograph (NIRISS) och G395-läget på Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) – kommer att ge det högsta informationsinnehållet om en exoplanets atmosfär.

NIRISS är en mångsidig kamera och spektrograf som kommer att observera infraröda våglängder liknande de som Hubble-teleskopet täcker. NIRIS, enligt Batalha och Line, bör kombineras med G395-läget på NIRSpec, som kommer att observera mål i längre infraröda våglängder med Webbs högsta upplösning.

Tre huvudegenskaper påverkar hur mycket information ett instrument kan extrahera - upplösning, maximal observerbar ljusstyrka, och våglängdsområde. Dessa bestämmer tillsammans den totala observerbara andelen av informationsinnehållet i en planets atmosfäriska spektrum.

Både NIRISS och NIRSpec kommer att observera nära-infraröda våglängder, det område av det elektromagnetiska spektrumet där stjärnorna som exoplaneter kretsar runt lyser starkast. NIRISS är redo att mäta en stark signatur av vatten och NIRSpec kan göra samma sak för metan och koldioxid, tre kemiska föreningar som ger en betydande mängd information om en atmosfär.

Batalha och Line testade var och en av tio troliga observationsmetoder på egen hand och i alla möjliga kombinationer med de andra metoderna för att avgöra vilken som skulle maximera det totala informationsinnehållet.

De hämtade informationen från en uppsättning simulerade planeter med temperaturer och sammansättningar som täcker intervallet av tidigare observerade exoplanetatmosfärer. Genom att jämföra det återtagbara informationsinnehållet i varje planets atmosfär, Batalha och Line fann att denna ena kombination av NIRISS- och NIRSpec-lägen ger mest information oavsett exoplanetens temperatur eller sammansättning. Forskarna publicerade dessa resultat i The Astronomical Journal .

"Vi kommer inte att veta en planets temperatur i förväg, " säger Batalha. "Om du ska göra ett skott i mörkret observation, du har störst chans att få den information du vill ha med denna kombination av instrument."

När en exoplanet korsar mellan sin värdstjärna och jordens teleskop, en del av stjärnans ljus passerar genom exoplanetens atmosfär. Exo-atmosfären lämnar sitt fingeravtryck i stjärnans ljus – planetens transmissionsspektrum – från vilket astronomer kan lära sig om exo-atmosfärens temperatur, kemisk sammansättning och struktur. Forskarnas analys av informationsinnehåll fokuserar på den information som kan hämtas från en planets transmissionsspektrum.

Även om Webb inte kommer att lanseras förrän i slutet av 2018, men astronomer planerar redan den första uppsättningen observationer de vill ha från teleskopet.

"Om vi ​​kan lägga en strategi nu, säger Batalha, "När den första cykeln av formella förslag kommer kan vi se till att vi väljer de bästa sätten för större förslag och inte slösar bort värdefull observationstid. På så sätt börjar alla på en jämn spelplan med vetenskapen."

Medan de lyfter fram två NIRISS- och NIRSpec-lägen som den bästa kombinationen för att observera de flesta exo-atmosfärer, Batalha och Line förklarar att de andra lägena fortfarande kommer att vara användbara för att observera olika egenskaper hos exo-atmosfärer som astronomerna inte har testat för, som moln, dis och atmosfärer som är tillräckligt varma för att avge sitt eget ljus.

"I framtiden, " Batalha säger, "det kommer att finnas en push för att karakterisera den första Earth 2.0. Om vi ​​inte spikar detta nu och behärskar konsten att karakterisera exo-atmosfärer, vi kommer aldrig att exakt karakterisera Earth 2.0."