James Webb rymdteleskopets mellaninfraröda instrument (MIRI) kommer att leverera otroligt rik information om molekylerna som finns i de inre skivorna i fortfarande bildade planetsystem (kända som protoplanetära skivor). Detta simulerade spektrum, som producerar ett detaljerat mönster av färger baserat på våglängderna av ljus som emitteras, hjälper forskare att inventera varje molekyl. Detta spektrum visar hur mycket av gaserna som metan, ammoniak, och koldioxid finns. De flesta av de oidentifierade funktionerna är vatten. Eftersom spektra vimlar av detaljer, de kommer att hjälpa astronomer att dra slutsatser om systemets innehåll när planeter bildas. Kredit:NASA, ESA, CSA, L. Hustak (STScI)
Planetsystem tar miljontals år att bilda, vilket innebär en ganska stor utmaning för astronomer. Hur identifierar du vilket stadium de befinner sig i, eller kategorisera dem? Det bästa tillvägagångssättet är att titta på massor av exempel och fortsätta att lägga till data vi har – och NASA:s kommande James Webb rymdteleskop kommer att kunna tillhandahålla en infraröd inventering. Forskare som använder Webb kommer att observera 17 aktivt bilda planetsystem. Dessa speciella system har tidigare undersökts av Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), det största radioteleskopet i världen, för Disk Substructures at High Angular Resolution Project (DSHARP).
Webb kommer att mäta spektra som kan avslöja molekyler i de inre regionerna av dessa protoplanetära skivor, kompletterar informationen som ALMA har tillhandahållit om skivornas yttre regioner. Dessa inre regioner är där steniga, Jordliknande planeter kan börja bildas, vilket är en anledning till att vi vill veta mer om vilka molekyler som finns där.
En forskargrupp ledd av Colette Salyk från Vassar College i Poughkeepsie, New York, och Klaus Pontoppidan från Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland, leta efter detaljer som finns i infrarött ljus. "När du byter till infrarött ljus, specifikt till Webbs sortiment inom mellaninfrarött ljus, vi kommer att vara känsliga för de mest förekommande molekylerna som bär gemensamma grundämnen, " förklarade Pontoppidan.
Forskare kommer att kunna bedöma mängden vatten, kolmonoxid, koldioxid, metan, och ammoniak – bland många andra molekyler – i varje skiva. Kritiskt sett, de kommer att kunna räkna molekylerna som innehåller element som är väsentliga för livet som vi känner det, inklusive syre, kol, och kväve. Hur? Med spektroskopi:Webb kommer att fånga allt ljus som emitteras i mitten av varje protoplanetär skiva som ett spektrum, som producerar ett detaljerat mönster av färger baserat på våglängderna av ljus som emitteras. Eftersom varje molekyl präglar ett unikt mönster på spektrumet, forskare kan identifiera vilka molekyler som finns där och skapa inventeringar av innehållet inom varje protoplanetarisk skiva. Styrkan hos dessa mönster bär också information om temperaturen och mängden av varje molekyl.
"Webbs data kommer också att hjälpa oss att identifiera var molekylerna finns inom det övergripande systemet, " sa Salyk. "Om de är heta, det innebär att de är närmare stjärnan. Om de är coolare, de kan vara längre bort." Denna rumsliga information kommer att hjälpa till att informera modeller som forskare bygger när de fortsätter att undersöka detta programs data.
Att veta vad som finns i de inre delarna av skivorna har också andra fördelar. Har vatten, till exempel, tog sig till detta område, var kan det bildas beboeliga planeter? "En av de saker som verkligen är fantastiska med planeter - ändra kemin bara lite och du kan få dessa dramatiskt olika världar, " fortsatte Salyk. "Det är därför vi är intresserade av kemin. Vi försöker ta reda på hur de material som ursprungligen hittades i ett system kan sluta som olika typer av planeter."
Om detta låter som ett betydande åtagande, oroa dig inte – det kommer att bli en samhällsinsats. Detta är ett Webb Treasury-program, vilket innebär att informationen släpps så snart den förs till alla astronomer, tillåter alla att omedelbart hämta data, börja bedöma vad som är vad på varje disk, och dela med sig av sina resultat.
"Webbs infraröda data kommer att studeras intensivt, " tillade medutredare Ke Zhang vid University of Wisconsin–Madison. "Vi vill att hela forskarsamhället ska kunna närma sig data från olika vinklar."
Varför närundersökningen?
Låt oss ta ett steg tillbaka, att se skogen för träden. Föreställ dig att du är på en forskningsbåt utanför kusten i en avlägsen terräng. Detta är den bredaste uppfattningen. Om du skulle landa och gå av, du kan börja räkna hur många träd det finns och hur många av varje trädslag. Du kan börja identifiera specifika insekter och fåglar och matcha ljuden du hörde offshore till de rop du hör under trädtopparna. Denna detaljerade katalogisering är mycket lik vad Webb kommer att ge forskare möjlighet att göra - men byta träd och djur mot kemiska element.
De protoplanetära skivorna i detta program är mycket ljusa och relativt nära jorden, vilket gör dem till utmärkta mål att studera. Det är därför de undersöktes av ALMA. Det är också därför som forskare studerade dem med NASA:s Spitzer Space Telescope. Dessa föremål har bara studerats på djupet sedan 2003, vilket gör detta till ett relativt nyare forskningsfält. Det finns mycket som Webb kan lägga till vad vi vet.
Teleskopets Mid-Infrared Instrument (MIRI) ger många fördelar. Webbs placering i rymden gör att den kan fånga hela spektrumet av mellaninfrarött ljus (Jordens atmosfär filtrerar bort det). Plus, dess data kommer att ha hög upplösning, som kommer att avslöja många fler linjer och vickningar i spektra som forskarna kan använda för att reta ut specifika molekyler.
Forskarna var också selektiva om vilka typer av stjärnor som valts för dessa observationer. Detta prov inkluderar stjärnor som är ungefär hälften av solens massa till ungefär två gånger solens massa. Varför? Målet är att hjälpa forskare att lära sig mer om system som kan likna våra egna när de bildades. "Med detta prov, vi kan börja avgöra om det finns några gemensamma drag mellan skivornas egenskaper och deras inre kemi, " fortsatte Zhang. "Så slutligen, vi vill kunna förutsäga vilka typer av system som är mer benägna att generera beboeliga planeter."
Börjar svara på stora frågor
Det här programmet kan också hjälpa forskare att börja svara på några klassiska frågor:Antas formerna av några av de mest förekommande elementen som finns i protoplanetära skivor, som kol, kväve, och syre, "ärvt" från de interstellära molnen som bildade dem? Eller förändras den exakta blandningen av kemikalier över tiden? "Vi tror att vi kan komma till några av dessa svar genom att göra inventeringar med Webb, " förklarade Pontoppidan. "Det är uppenbarligen ett enormt arbete att göra - och kan inte göras bara med dessa data - men jag tror att vi kommer att göra några stora framsteg."
Att tänka ännu bredare på de otroligt rika spektra som Webb kommer att ge, Salyk lade till, "Jag hoppas att vi kommer att se saker som överraskar oss och sedan börja studera dessa otroliga upptäckter."
Denna forskning kommer att utföras som en del av Webb General Observer (GO) program, som är konkurrenskraftigt utvalda med hjälp av ett dubbelt-anonymt granskningssystem, samma system som används för att allokera tid på Hubble Space Telescope.
