I april 2018, NASA lanserade Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Dess huvudsakliga mål är att lokalisera planeter i jordstorlek och större "superjordar" som kretsar kring närliggande stjärnor för vidare studier. Ett av de mest kraftfulla verktygen som kommer att undersöka atmosfären på vissa planeter som TESS upptäcker kommer att vara NASA:s rymdteleskop James Webb. Eftersom att observera små exoplaneter med tunna atmosfärer som jorden kommer att vara en utmaning för Webb, astronomer kommer att rikta in sig lättare, gasjätte exoplaneter först.

Några av Webbs första observationer av gasjättens exoplaneter kommer att genomföras genom Director's Discretionary Early Release Science-program. Det transiterande exoplanetprojektteamet vid Webbs vetenskapsverksamhetscenter planerar att genomföra tre olika typer av observationer som kommer att ge både ny vetenskaplig kunskap och en bättre förståelse av prestandan hos Webbs vetenskapsinstrument.

"Vi har två huvudmål. Det första är att få transiterande exoplanetdataset från Webb till det astronomiska samhället så snart som möjligt. Det andra är att göra stor vetenskap så att astronomer och allmänheten kan se hur kraftfullt detta observatorium är, " sa Jacob Bean från University of Chicago, en medföreståndare för det transiterande exoplanetprojektet.

"Vårt teams mål är att ge kritisk kunskap och insikter till det astronomiska samhället som kommer att hjälpa till att katalysera exoplanetforskning och göra det bästa av Webb under den begränsade tid vi har tillgänglig, " tillade Natalie Batalha från NASA Ames Research Center, projektets huvudutredare.

Transit—ett atmosfäriskt spektrum

När en planet korsar framför, eller transiter, dess värdstjärna, stjärnans ljus filtreras genom planetens atmosfär. Molekyler i atmosfären absorberar vissa våglängder, eller färger, av ljus. Genom att dela upp stjärnans ljus i ett regnbågsspektrum, astronomer kan upptäcka de sektionerna av saknat ljus och bestämma vilka molekyler som finns i planetens atmosfär.

För dessa observationer, projektgruppen valde WASP-79b, en planet i storleken Jupiter som ligger cirka 780 ljusår från jorden. Teamet förväntar sig att upptäcka och mäta mängden vatten, kolmonoxid, och koldioxid i WASP-79b. Webb kan också upptäcka nya molekyler som ännu inte setts i exoplanetatmosfärer.

Faskurva—En väderkarta

Planeter som kretsar mycket nära sina stjärnor tenderar att bli tidvattenlåsta. Ena sidan av planeten är permanent vänd mot stjärnan medan den andra sidan är vänd bort, precis som en sida av månen alltid är vänd mot jorden. När planeten är framför stjärnan, vi ser dess svalare baksida. Men när den kretsar runt stjärnan, mer och mer av den varma dagsidan kommer fram. Genom att observera en hel bana, astronomer kan observera dessa variationer (kallas en faskurva) och använda data för att kartlägga planetens temperatur, moln, och kemi som funktion av longitud.

Teamet kommer att observera en faskurva för den "heta Jupiter" känd som WASP-43b, som kretsar runt sin stjärna på mindre än 20 timmar. Genom att titta på ljusets olika våglängder, de kan prova atmosfären till olika djup och få en mer komplett bild av dess struktur. "Vi har redan sett dramatiska och oväntade variationer för denna planet med Hubble och Spitzer. Med Webb kommer vi att avslöja dessa variationer i betydligt större detalj för att förstå de fysiska processer som är ansvariga, sa Bean.

Eclipse—En planets glöd

Den största utmaningen när man observerar en exoplanet är att stjärnans ljus är mycket starkare, översvämma planetens svaga ljus. För att komma runt detta problem, en metod är att observera en transitplanet när den försvinner bakom stjärnan, inte när den korsar framför stjärnan. Genom att jämföra de två måtten, en tagen när både stjärna och planet är synliga, och den andra när bara stjärnan syns, astronomer kan beräkna hur mycket ljus som kommer från enbart planeten.

Denna teknik fungerar bäst för mycket heta planeter som lyser starkt i infrarött ljus. Teamet planerar att studera WASP-18b, en planet som är gräddad till en temperatur på nästan 4, 800 grader Fahrenheit (2, 900 K). Bland andra frågor, de hoppas kunna avgöra om planetens stratosfär existerar på grund av närvaron av titanoxid, vanadinoxid, eller någon annan molekyl.

Beboeliga planeter

I sista hand, astronomer vill använda Webb för att studera potentiellt beboeliga planeter. Särskilt, Webb kommer att rikta in sig på planeter som kretsar kring röda dvärgstjärnor eftersom dessa stjärnor är mindre och svagare, vilket gör det lättare att reta ut signalen från en kretsande planet. Röda dvärgar är också de vanligaste stjärnorna i vår galax.

"TESS borde lokalisera mer än ett dussin planeter som kretsar i de beboeliga zonerna av röda dvärgar, av vilka några faktiskt kan vara beboeliga. Vi vill lära oss om dessa planeter har atmosfärer och Webb kommer att vara den som berättar för oss, " sa Kevin Stevenson från Space Telescope Science Institute, en medrektor för projektet. "Resultaten kommer att räcka långt för att svara på frågan om huruvida förhållanden som är gynnsamma för liv är vanliga i vår galax."