Denna konstnärs koncept visar Europeiska rymdorganisationens rymdfarkost ARIEL på väg till Lagrange Point 2 (L2) - en gravitationsstabil, Solcentrerad bana - där den kommer att vara avskärmad från solen och ha fri sikt mot himlen. NASA:s JPL kommer att hantera uppdragets CASE-instrument. Kredit:ESA/STFC RAL Space/UCL/Europlanet-Science Office
NASA kommer att bidra med ett instrument till ett europeiskt rymduppdrag som kommer att utforska atmosfären hos hundratals planeter som kretsar runt stjärnor bortom vår sol, eller exoplaneter, för första gången.
Instrumentet, kallas Bidraget till ARIEL Spectroscopy of Exoplanets, eller CASE, lägger till vetenskaplig kapacitet till ESA:s (Europeiska rymdorganisationens) Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-undersökning, eller ARIEL, uppdrag.
Rymdfarkosten ARIEL med CASE ombord förväntas lanseras 2028. CASE kommer att hanteras av NASA:s Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien, med JPL-astrofysikern Mark Swain som huvudforskare.
"Jag är glad över att NASA kommer att samarbeta med ESA i detta historiska uppdrag för att driva fram höljet i vår förståelse av vad exoplaneternas atmosfärer är gjorda av, och hur dessa planeter bildas och utvecklas, sa Thomas Zurbuchen, biträdande administratör för NASA:s Science Mission Directorate i Washington. "Ju mer information vi har om exoplaneter, ju närmare vi kommer att förstå ursprunget till vårt solsystem, och främja vårt sökande efter jordliknande planeter någon annanstans."
Än så länge, forskare har hittat mer än 4, 000 bekräftade exoplaneter i Vintergatan. NASA:s pensionerade rymdteleskop Kepler och aktiva Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) är två observatorier som har bidragit till denna räkning. Dessa teleskop har upptäckt planeter genom att observera ljusstyrkan hos en stjärnas ljus dämpas när en planet korsar dess ansikte, en händelse som kallas "transit". ARIEL, bärväska, kommer att ta planetjakt genom transiter ett steg längre, genom att gräva djupare in i planeter som redan är kända för att existera.
ARIEL kommer att kunna se de kemiska fingeravtrycken, eller "spektra, " av en planets atmosfär i ljuset av dess stjärna. För att göra detta, rymdfarkosten kommer att observera stjärnljus som strömmar genom planeternas atmosfärer när de passerar framför sina stjärnor, samt ljus som sänds ut av planeternas atmosfärer precis innan och efter att de försvinner bakom sina stjärnor. Dessa fingeravtryck gör det möjligt för forskare att studera kompositionerna, temperaturer, och kemiska processer i atmosfären på planeterna ARIEL observerar.
Dessa kemiska fingeravtryck av exoplanetatmosfärer är extremt svaga. Att identifiera dem är en stor utmaning för astronomer, och kräver ett teleskop för att stirra på enskilda stjärnor under lång tid. Men många rymdobservatorier är mångsidiga, och måste dela upp sin tid mellan olika typer av vetenskapliga undersökningar. ARIEL kommer att vara den första rymdfarkost som helt ägnas åt att observera hundratals exoplanetatmosfärer, letar efter att identifiera deras innehåll, temperaturer och kemiska processer. Tillägget av CASE, som kommer att observera moln och dis, kommer att ge en mer heltäckande bild av exoplanetatmosfärerna ARIEL observerar.
Än så länge, teleskop har bara kunnat noggrant undersöka atmosfären hos en handfull exoplaneter för att bestämma deras kemi. ARIEL är mycket större, ett mer varierat urval kommer att göra det möjligt för forskare att se på dessa världar, inte bara som individuella exotiska föremål, men som befolkning, och upptäck nya trender i deras likheter och olikheter.
CASE-instrumentet kommer att vara känsligt för ljus vid nära-infraröda våglängder, som är osynlig för mänskliga ögon, samt synligt ljus. Detta kompletterar ARIELs andra instrument, kallas en infraröd spektrometer, som fungerar på längre våglängder. CASE kommer specifikt att titta på exoplaneternas moln och dis – för att avgöra hur vanliga de är, samt hur de påverkar sammansättningen och andra egenskaper hos planetariska atmosfärer. CASE kommer också att tillåta mätningar av varje planets albedo, mängden ljus planeten reflekterar.
Rymdfarkosten kommer att fokusera på exceptionellt heta planeter i vår galax, med temperaturer över 600 grader Fahrenheit (320 grader Celsius). Sådana planeter är mer benägna att passera sin stjärna än planeter som kretsar längre ut, och deras korta omloppsperioder ger fler möjligheter att observera transiter under en given tidsperiod. Fler transiter ger astronomer mer data, så att de kan avslöja det svaga kemiska fingeravtrycket från en planets atmosfär.
ARIELs heta planetbefolkning kommer att inkludera gasjättar som Jupiter, såväl som mindre gasformiga planeter som kallas mini-Neptunes och steniga världar större än vår planet som kallas super-jordar. Även om dessa planeter är för varma för att vara värd för liv som vi känner det, de kommer att berätta mycket om hur planeter och planetsystem bildas och utvecklas. Dessutom kommer de tekniker och insikter man lärt sig i att studera exoplaneter med ARIEL och CASE att vara användbara när forskare använder framtida teleskop för att se mot mindre, kallare, rockigare världar med förhållanden som mer liknar jordens.
CASE-instrumentet består av två detektorer och tillhörande elektronik som bidrar till ARIELs styrsystem. CASE drar fördel av samma detektorer och elektronik som NASA bidrar med till ESA:s Euclid-uppdrag, som kommer att undersöka djupa frågor om universums struktur och dess två största mysteriumkomponenter:mörk materia och mörk energi.
Rymdfarkosten ARIEL med CASE ombord kommer att vara i samma omloppsbana som NASA:s rymdteleskop James Webb, som förväntas lanseras 2021. Båda kommer att resa cirka 1 miljon miles (1,5 miljoner kilometer) från jorden till en speciell punkt för gravitationsstabilitet som kallas Lagrange Point 2. Denna plats gör att rymdfarkosten kan cirkla runt solen tillsammans med jorden, samtidigt som den använder lite bränsle för att behålla sin omloppsbana.
Även om Webb också kommer att kunna studera exoplanetatmosfärer, och dess instrument täcker ett liknande ljusområde som ARIEL, Webb kommer att inrikta sig på ett mindre urval av exoplaneter för att studera mer i detalj. Eftersom Webbs tid kommer att delas, delas med undersökningar av andra aspekter av universum, det kommer att ge detaljerad kunskap om särskilda exoplaneter snarare än att kartlägga hundratals. ARIEL kommer att lanseras flera år efter Webb, så det kommer att kunna dra nytta av lärdomar från Webb när det gäller att planera observationer och välja vilka planeter som ska studeras.
"Detta är en spännande tid för exoplanetvetenskap när vi ser mot nästa generation av rymdteleskop och instrument, sade Paul Hertz, chef för astrofysikavdelningen vid NASA:s högkvarter, Washington. "CASE lägger till en exceptionell uppsättning tekniker som hjälper oss att bättre förstå vår plats i galaxen."
CASE är en Astrophysics Explorers Mission of Opportunity, förvaltas av JPL. Astrophysics Explorers Program hanteras av NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, för Science Mission Directorate vid NASA:s högkvarter i Washington, DC.
