När NASA:s rymdteleskop James Webb lanseras 2021, ett av dess mest efterlängtade bidrag till astronomi kommer att vara studiet av exoplaneter - planeter som kretsar kring avlägsna stjärnor. Bland de mest angelägna frågorna inom exoplanetvetenskap är:Kan en liten, stenig exoplanet som kretsar nära en röd dvärgstjärna håller fast i en atmosfär?

I en serie om fyra tidningar i Astrofysisk tidskrift , ett team av astronomer föreslår en ny metod för att använda Webb för att avgöra om en stenig exoplanet har en atmosfär. Tekniken, som innebär att man mäter planetens temperatur när den passerar bakom sin stjärna och sedan kommer tillbaka till synen, är betydligt snabbare än mer traditionella metoder för atmosfärisk detektion som transmissionsspektroskopi.

"Vi finner att Webb lätt kunde sluta sig till närvaron eller frånvaron av en atmosfär runt ett dussin kända steniga exoplaneter med mindre än 10 timmars observationstid per planet, " sa Jacob Bean från University of Chicago, medförfattare på tre av tidningarna.

Astronomer är särskilt intresserade av exoplaneter som kretsar kring röda dvärgstjärnor av ett antal anledningar. Dessa stjärnor, som är mindre och kallare än solen, är den vanligaste typen av stjärna i vår galax. Också, eftersom en röd dvärg är liten, en planet som passerar framför den verkar blockera en större del av stjärnans ljus än om stjärnan vore större, som vår sol. Detta gör planeten som kretsar kring en röd dvärg lättare att upptäcka genom denna "transitteknik".

Röda dvärgar producerar också mycket mindre värme än vår sol, så att njuta av beboeliga temperaturer, en planet skulle behöva kretsa ganska nära en röd dvärgstjärna. Faktiskt, för att vara i den beboeliga zonen – området runt stjärnan där flytande vatten kan finnas på en planets yta – måste planeten kretsa mycket närmare stjärnan än Merkurius är solen. Som ett resultat, det kommer att passera stjärnan oftare, gör upprepade observationer lättare.

Men en planet som kretsar så nära en röd dvärg utsätts för svåra förhållanden. Unga röda dvärgar är mycket aktiva, sprängning ut enorma bloss och plasmautbrott. Stjärnan avger också en stark vind av laddade partiklar. Alla dessa effekter skulle potentiellt kunna rensa bort en planets atmosfär, lämnar efter sig en kal sten.

"Atmosfärisk förlust är det största existentiella hotet mot planeternas beboelighet, sa Bean.

En annan viktig egenskap hos exoplaneter som kretsar nära röda dvärgar är central för den nya tekniken:de förväntas vara tidvattenlåsta, vilket innebär att de har en permanent dag- och nattsida. Som ett resultat, vi ser olika faser av planeten vid olika punkter i dess omloppsbana. När den korsar stjärnans ansikte, vi ser bara planetens nattsida. Men när den är på väg att korsa bakom stjärnan (en händelse känd som en sekundär förmörkelse), eller bara dyker upp bakom stjärnan, vi kan observera dagen.

Om en stenig exoplanet saknar atmosfär, dess dagsida skulle vara mycket varm, precis som vi ser med Månen eller Merkurius. Men om en stenig exoplanet har en atmosfär, närvaron av den atmosfären förväntas sänka dagtemperaturen som Webb skulle mäta. Det skulle kunna göra detta på två sätt. En tjock atmosfär kunde transportera värme från dagsidan till nattsidan genom vindar. En tunnare atmosfär kan fortfarande vara värd för moln, som reflekterar en del av det inkommande stjärnljuset och därigenom sänker temperaturen på planetens dagssida.

"När du lägger till en atmosfär, du kommer att sänka temperaturen på dagen. Så om vi ser något coolare än bar rock, vi skulle dra slutsatsen att det troligen är ett tecken på en atmosfär, " förklarade Daniel Koll från Massachusetts Institute of Technology (MIT), huvudförfattaren på två av tidningarna.

Webb är idealiskt lämpad för att göra dessa mätningar eftersom den har en mycket större spegel än andra teleskop som NASA:s Hubble eller Spitzer rymdteleskop, vilket gör att den samlar in mer ljus, och den kan rikta in sig på lämpliga infraröda våglängder.

Teamets beräkningar visar att Webb borde kunna upptäcka värmesignaturen hos en planets atmosfär i en till två sekundära förmörkelser - bara några timmars observationstid. I kontrast, att detektera en atmosfär genom spektroskopiska observationer skulle vanligtvis kräva åtta eller fler transiter för samma planeter.

Transmissionsspektroskopi, som studerar stjärnljus som filtrerats genom planetens atmosfär, lider också av störningar på grund av moln eller dis, som kan maskera atmosfärens molekylära signaturer. I så fall spektraldiagrammet, snarare än att visa uttalade absorptionslinjer på grund av molekyler, skulle vara i huvudsak platt.

"I transmissionsspektroskopi, om du får en platt linje, det säger dig ingenting. Den platta linjen kan betyda att universum är fullt av döda planeter som inte har någon atmosfär, eller att universum är fullt av planeter som har en hel rad olika, intressanta atmosfärer, men de ser alla likadana ut för oss eftersom de är molniga, sa Eliza Kempton från University of Maryland, medförfattare på tre av tidningarna.

"Exoplanetatmosfärer utan moln och dis är som enhörningar - vi har bara inte sett dem ännu, och de kanske inte existerar alls, " tillade hon.

Teamet betonade att en svalare dagtemperatur än förväntat skulle vara en viktig ledtråd, men det skulle inte absolut bekräfta att det finns en atmosfär. Eventuella återstående tvivel om närvaron av en atmosfär kan uteslutas med uppföljningsstudier med andra metoder som transmissionsspektroskopi.

Den nya teknikens verkliga styrka kommer att vara att bestämma vilken del av steniga exoplaneter som sannolikt har en atmosfär. Ungefär ett dussin exoplaneter som är goda kandidater för denna metod upptäcktes under det senaste året. Fler kommer sannolikt att hittas när Webb är i drift.

"The Transiting Exoplanet Survey Satellite, eller TESS, hittar högar av dessa planeter, sa Kempton.

Den sekundära förmörkelsemetoden har en viktig begränsning:den fungerar bäst på planeter som är för varma för att ligga i den beboeliga zonen. Dock, att avgöra huruvida dessa heta planeter värd atmosfärer har viktiga konsekvenser för planeter i beboelig zon.

"Om heta planeter kan hålla fast i en atmosfär, svalare borde kunna minst lika bra, sa Koll.

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 projekt som leds av NASA med sina partners, ESA (European Space Agency) och Canadian Space Agency.