Forskare kommer att använda NASAs kommande rymdteleskop James Webb för att studera Beta Pictoris, ett spännande ungt planetsystem som har minst två planeter, ett virrvarr av mindre, steniga kroppar, och en dammig skiva. Deras mål är bland annat att få en bättre förståelse för dammets strukturer och egenskaper för att bättre tolka vad som händer i systemet. Eftersom det bara är cirka 63 ljusår bort och fullt av damm, det verkar ljust i infrarött ljus – och det betyder att det finns mycket information för Webb att samla in.

Beta Pictoris är målet för flera planerade Webb-observationsprogram, inklusive en ledd av Chris Stark från NASA:s Goddard Space Flight Center och två ledd av Christine Chen från Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland. Starks program kommer att avbilda systemet direkt efter att ha blockerat stjärnans ljus för att samla in en massa nya detaljer om dess damm. Chens program kommer att samla spektra, som sprider ljus som en regnbåge för att avslöja vilka element som finns. Alla tre observationsprogram kommer att lägga till kritiska detaljer till vad som är känt om detta närliggande system.

Först, en genomgång av vad vi vet

Beta Pictoris har regelbundet studerats i radio, infraröd, och synligt ljus sedan 1980-talet. Stjärnan i sig är dubbelt så massiv som vår sol och ganska mycket varmare, men också betydligt yngre. (Solen är 4,6 miljarder år gammal, men Beta Pictoris är ungefär 20 miljoner år gammal.) I detta skede, stjärnan är stabil och är värd för minst två planeter, som båda är mycket mer massiva än Jupiter. Men detta planetsystem är anmärkningsvärt eftersom det är där de första exokometerna (kometer i andra system) upptäcktes. Det finns en hel del kroppar som snurrar runt det här systemet!

Som vårt eget solsystem, Beta Pictoris har en skräpskiva, som inkluderar kometer, asteroider, stenar i olika storlekar, och massor av damm i alla former som kretsar runt stjärnan. (En skräpskiva är mycket yngre och kan vara mer massiv än vårt solsystems Kuiperbälte, som börjar nära Neptunus omloppsbana och är där många kortperiodiga kometer har sitt ursprung.)

Denna yttre ring av damm och skräp är också där mycket aktivitet sker. Småsten och stenblock kan kollidera och brytas i mycket mindre bitar – skicka ut mycket damm.

Granska detta planetsystem

Starks team kommer att använda Webbs koronagrafier, som blockerar stjärnans ljus, för att observera de svaga delarna av skräpskivan som omger hela systemet. "Vi vet att det finns två massiva planeter runt Beta Pictoris, och längre ut finns ett bälte av små kroppar som kolliderar och splittras, " förklarade Stark. "Men vad är det där emellan? Hur likt är detta system vårt solsystem? Kan damm och vattenis från det yttre bältet så småningom ta sig in i systemets inre del? Det är detaljer som vi kan hjälpa till med Webb."

Webbs bilder kommer att tillåta forskarna att studera hur de små dammkornen interagerar med planeter som finns i det systemet. Plus, Webb kommer att beskriva allt det fina damm som strömmar bort från dessa föremål, tillåta forskarna att sluta sig till förekomsten av större steniga kroppar och vad deras fördelning är i systemet. De kommer också noggrant att bedöma hur dammet sprider ljus och återabsorberar och avger ljus när det är varmt, så att de kan begränsa vad dammet är gjort av. Genom att katalogisera detaljerna för Beta Pictoris, forskarna kommer också att bedöma hur likt detta system är vårt solsystem, hjälper oss att förstå om innehållet i vårt solsystem är unikt.

Isabel Rebollido, en gruppmedlem och postdoktor vid STScI, bygger redan komplexa modeller av Beta Pictoris. Den första modellen kombinerar befintlig data om systemet, inklusive radio, nära infraröd, långt infraröd, och synligt ljus från både rymd- och markbaserade observatorier. I tid, hon kommer att lägga till Webbs bilder för att göra en mer fullständig analys.

Den andra modellen kommer bara att innehålla Webbs data – och kommer att vara den första de utforskar. "Är ljuset som Webb kommer att observera symmetriskt?" frågade Rebollido. "Eller finns det "guppar" av ljus här och där eftersom det finns en ansamling av damm? Webb är mycket känsligare än något annat rymdteleskop och ger oss en chans att leta efter dessa bevis, såväl som vattenånga där vi vet att det finns gas."

Damm som en dekoderring

Tänk på skräpskivan av Beta Pictoris som en mycket upptagen, elliptisk motorväg — utom en där det inte finns många trafikregler. Kollisioner mellan kometer och större stenar kan producera fina dammpartiklar som sedan sprids i hela systemet.

"Efter planeter, det mesta av massan i Beta Pictoris-systemet tros vara i mindre planetesimaler som vi inte direkt kan observera, Chen förklarade. "Lyckligtvis, vi kan observera det stoft som lämnas kvar när planetesimalerna kolliderar."

Detta stoft är där Chens team kommer att fokusera sin forskning. Hur ser de minsta dammkornen ut? Är de kompakta eller fluffiga? Vad är de gjorda av?

"Vi kommer att analysera Webbs spektra för att kartlägga platsen för damm och gas - och ta reda på vad deras detaljerade sammansättning är, " Chen förklarade. "Dammkorn är "fingeravtryck" av planetesimaler som vi inte kan se direkt och kan berätta för oss om vad dessa planetesimaler är gjorda av och hur de bildades." Till exempel, är planetesimalerna isrika som kometer i vårt solsystem? Finns det tecken på höghastighetskollisioner mellan steniga planetesimaler? Att tydligt analysera om korn i en region är mer solida eller fluffiga än en annan kommer att hjälpa forskarna att förstå vad som händer med dammet, och kartlägga de subtila skillnaderna i dammet i varje region.

"Jag ser fram emot att analysera Webbs data eftersom det kommer att ge utsökta detaljer, " lade Cicero X. Lu till, en gruppmedlem och en fjärdeårs Ph.D. student vid Johns Hopkins University i Baltimore. "Webb kommer att tillåta oss att identifiera fler element och precisera deras exakta strukturer."

Särskilt, det finns ett moln av kolmonoxid vid kanten av skivan som intresserar dessa forskare mycket. Den är asymmetrisk och har en oregelbunden, blobby sida. En teori är att kollisioner frigjorde damm och gas från större, isiga kroppar för att bilda detta moln. Webbs spektra kommer att hjälpa dem att bygga scenarier som förklarar dess ursprung.

Räckvidden för infraröd

Dessa forskningsprogram är bara möjliga eftersom Webb har designats för att ge skarpa, högupplösta detaljer i infrarött ljus. Observatoriet är specialiserat på att samla in infrarött ljus – som färdas genom gas och damm – både med bilder och spektra. Webb har också en annan fördel — dess position i rymden. Webb kommer inte att hindras av jordens atmosfär, som filtrerar bort vissa typer av ljus, inklusive flera infraröda våglängdsband. Detta observatorium kommer att tillåta forskare att samla in ett mer komplett utbud av infrarött ljus och data om Beta Pictoris för första gången.

Dessa studier kommer att genomföras som en del av Webb Guaranteed Time Observations (GTO) och General Observers (GO) program. GTO-programmen leds av forskare som hjälpte till att utveckla nyckelkomponenterna för hårdvara och mjukvara eller teknisk och tvärvetenskaplig kunskap för observatoriet. GO-program väljs ut konkurrenskraftigt med hjälp av ett dubbelt-anonymt granskningssystem, samma system som används för att fördela tid på Hubble Space Telescope.