Medan vi nu känner till tusentals exoplaneter – planeter runt andra stjärnor – är den stora majoriteten av vår kunskap indirekt. Det är, forskare har faktiskt inte tagit många bilder av exoplaneter, och på grund av gränserna för nuvarande teknik, vi kan bara se dessa världar som ljuspunkter. Dock, antalet exoplaneter som har avbildats direkt växer över tiden. När NASA:s rymdteleskop James Webb lanseras 2021, det kommer att öppna ett nytt fönster på dessa exoplaneter, observera dem i våglängder där de aldrig har setts förut och få nya insikter om deras natur.

Exoplaneter är nära mycket ljusare stjärnor, så deras ljus överväldigas i allmänhet av ljuset från värdstjärnorna. Astronomer hittar vanligtvis en exoplanet genom att sluta sig till dess närvaro baserat på dämpningen av dess värdstjärnas ljus när planeten passerar framför stjärnan - en händelse som kallas "transit". Ibland drar en planet i sin stjärna, får stjärnan att vingla något.

I några få fall, forskare har tagit bilder av exoplaneter med hjälp av instrument som kallas koronagrafer. Dessa enheter blockerar stjärnans bländning på ungefär samma sätt som du kan använda din hand för att blockera solens ljus. Dock, att hitta exoplaneter med denna teknik har visat sig vara mycket svårt. Allt det kommer att förändras med Webbs känslighet. Dess inbyggda koronagrafer kommer att tillåta forskare att se exoplaneter vid infraröda våglängder som de aldrig har sett dem i förut.

Webbs unika egenskaper

Koronagrafier har något viktigt gemensamt med förmörkelser. Under en förmörkelse, månen blockerar solens ljus, så att vi kan se stjärnor som normalt skulle överväldigas av solens bländning. Astronomer drog fördel av detta under 1919 års förmörkelse, För 100 år sedan den 29 maj, för att testa Albert Einsteins allmänna relativitetsteori. Liknande, en koronagraf fungerar som en "konstgjord förmörkelse" för att blockera ljuset från en stjärna, så att planeter som annars skulle gå förlorade i stjärnans bländning kan ses.

"De flesta planeter som vi har upptäckt hittills är ungefär 10, 000 till 1 miljon gånger svagare än deras värdstjärna, " förklarade Sasha Hinkley från University of Exeter. Hinkley är huvudforskaren på ett av Webbs första observationsprogram för att studera exoplaneter och exoplanetära system.

"Det finns, ingen tvekan, en population av planeter som är svagare än så, som har högre kontrastförhållanden, och är möjligen längre bort från sina stjärnor, " sa Hinkley. "Med Webb, vi kommer att kunna se planeter som är mer som 10 miljoner, eller optimistiskt, 100 miljoner gånger svagare." För att observera deras mål, teamet kommer att använda högkontrastbilder, som urskiljer denna stora skillnad i ljusstyrka mellan planeten och stjärnan.

Webb kommer att ha förmågan att observera sina mål i det mellaninfraröda, som är osynligt för det mänskliga ögat, men med en känslighet som är vida överlägsen något annat observatorium som någonsin byggts. Detta betyder att Webb kommer att vara känslig för en klass av planeter som ännu inte upptäckts. Specifikt, Saturnusliknande planeter vid mycket breda omloppsavstånd från sin värdstjärna kan vara inom räckhåll för Webb.

"Vårt program tittar på unga, nybildade planeter och de system de lever i, " förklarade co-rektor utredare Beth Biller vid University of Edinburgh. "Webb kommer att tillåta oss att göra detta i mycket mer detalj och vid våglängder som vi aldrig har utforskat tidigare. Så det kommer att vara viktigt för att förstå hur dessa objekt bildas, och hur dessa system är."

Testar vattnet

Teamets observationer kommer att vara en del av Director's Discretionary-Early Release Science-program, som ger tid till utvalda projekt tidigt i teleskopets uppdrag. Detta program låter det astronomiska samhället snabbt lära sig hur man bäst använder Webbs kapacitet, samtidigt som det ger robust vetenskap.

"Med vårt ERS-program, vi kommer verkligen att "testa vattnet" för att få en förståelse för hur Webb presterar, " sa Hinkley. "Vi behöver verkligen den bästa förståelsen för instrumenten, av stabiliteten, det mest effektiva sättet att efterbehandla data. Våra observationer kommer att berätta för vårt samhälle det mest effektiva sättet att använda Webb."

Målen

Hinkleys team kommer att använda alla fyra av Webbs instrument för att observera tre mål:En nyligen upptäckt exoplanet; ett föremål som antingen är en exoplanet eller en brun dvärg; och en väl studerad ring av damm och planetesimaler som kretsar kring en ung stjärna.

• Exoplanet HIP 65426b:Denna nyupptäckta, direkt avbildad exoplanet har en massa mellan sex och 12 gånger Jupiters massa och kretsar kring en stjärna som är varmare än och ungefär dubbelt så massiv som vår sol. Exoplaneten är ungefär 92 gånger längre från sin stjärna än jorden är från solen. Den stora separationen mellan den här unga planeten och dess stjärna innebär att lagets observationer kommer att påverkas mycket mindre av värdstjärnans ljusa bländning. Hinkley och hans team planerar att använda Webbs fullständiga svit av koronagrafier för att se detta mål.
• Planetarisk följeslagare VHS 1256b:Ett föremål någonstans runt planetens/bruna dvärggränsen, VHS 1256b är också vitt skild från sin röda dvärgvärdstjärna - ungefär 100 gånger avståndet som jorden är från solen. På grund av dess breda separation, observationer av detta objekt är mycket mindre sannolikt att påverkas av oönskat ljus från värdstjärnan. Förutom bilder med hög kontrast, teamet förväntar sig att få ett av de första "okorrupta" spektra av en planetliknande kropp vid våglängder där dessa objekt aldrig tidigare har studerats.
• Circumstellar skräpskiva:I mer än 20 år, forskare har studerat en ring av damm och planetesimals som kretsar kring en ung stjärna som heter HR 4796A, som är ungefär dubbelt så massiv som vår egen sol. Astronomer tror att de flesta planetsystem förmodligen såg ut som HR 4796A och dess skräpring vid deras tidigaste åldrar, vilket gör detta till ett särskilt intressant mål att studera. Teamet kommer att använda högkontrastavbildningen av Webbs koronagrafer för att se skivan i olika våglängder. Deras mål är att se om skivans strukturer ser olika ut från våglängd till våglängd.

Planera programmet

För att planera detta Early Release Science-program, Hinkley ställde så många medlemmar av det astronomiska samfundet som möjligt den enkla frågan:Om du vill planera en undersökning för att söka efter exoplaneter, vilka frågor behöver du svar på för att planera dina undersökningar?

"Vad vi kom fram till var en uppsättning observationer som vi tror kommer att [att] svara på dessa frågor. Vi kommer att berätta för samhället att det är så här Webb presterar i det här läget, det här är den typen av känslighet vi får, och det är den sortens kontrast vi uppnår. Och vi måste snabbt vända på det och informera samhället så att de verkligen kan förbereda sina förslag, riktigt snabbt."

Teamet är glada över att se sina mål i våglängder som aldrig tidigare upptäckts, och att dela med sig av sin kunskap. Enligt Biller, "Vi kunde se för flera år sedan att för några av de planeter vi redan har upptäckt, Webb skulle verkligen förändras."

Rymdteleskopet James Webb kommer att vara världens främsta rymdforskningsobservatorium när det lanseras 2021. Webb kommer att lösa mysterier i vårt solsystem, se bortom till avlägsna världar runt andra stjärnor, och undersöka de mystiska strukturerna och ursprunget till vårt universum och vår plats i det. Webb är ett internationellt program som leds av NASA med sina partners, ESA (European Space Agency) och Canadian Space Agency.