Den här illustrationen visar en konstnärs intryck av WASP-39b, en het, pösig gasjätteplanet, kan se ut, baserat på tillgängliga data. Kredit:NASA, ESA, CSA och J. Olmsted (STScI)
Det är dags för rymdteleskopet James Webb att ta exoplanetastronomin till de yttre delarna. Europeiska forskare har gjort mycket grundarbete för att förbereda sig för detta ögonblick.
Sedan uppskjutningen den 25 december 2021 ombord på en Ariane 5-raket från Franska Guyana och efter 30 år på väg, är James Webb Space Telescope (JWST) juldagspresenten till astronomer som fortsätter att ge.
Precis som många astronomer i Europa har Pierre-Olivier Lagage, en astrofysiker vid Paris-baserade franska kommissionen för alternativ energi och atomenergi (CEA), förberett sig för JWST i flera år.
Ett gemensamt projekt med NASA, Canadian Space Agency (CSA) och European Space Agency (ESA), började JWST att skicka tillbaka sina första bilder av kosmos i juli 2022 efter att ha anlänt till dess utsiktspunkt 1,5 miljoner kilometer från jorden och vecklat ut sin särskiljande jätte solskydd.
En värdig efterträdare till det ikoniska rymdteleskopet Hubble, JWST för 10 miljarder euro har stora vetenskapliga mål. Dessa inkluderar studiet av det tidiga universum strax efter Big Bang, galaxer och stjärnbildning, svarta hål, vårt eget solsystem och sökandet efter livets byggstenar i universum.
Vetenskaplig guldgruva
"En exoplanet är en planet som kretsar kring en annan stjärna än solen," sa Lagage.
Lagage är huvudutredaren för det H2020-finansierade Exoplanet Atmosphere New Emission Transmission Spectra Analysis, eller ExoplANETS A-projektet. Han och hans kollegor utvecklade ett dataverktyg för att utnyttja rikedomen av befintliga spektroskopiska data från tidigare uppdrag för att studera exoplaneter.
Från en stående start har exoplanetastronomi upptäckt tusentals exoplaneter under de senaste 20 åren. Nu erbjuder JWST:s spektroskopiinstrumentering en oöverträffad möjlighet att studera exoplaneter för kemiska signaturer av liv i deras atmosfär.
Spektroskopi av transiterande exoplaneter är en av huvudteknikerna inom exoplanetastronomi. När en kretsande planet rör sig framför sin stjärna i förhållande till observatören ändras ljusspektrumet från stjärnan när den passerar genom planetens atmosfär. När förändringarna i ljuset upptäcks indikerar de den kemiska sammansättningen av planetens atmosfär och om den sannolikt kommer att stödja liv eller inte.
Exoplanets A-verktyget använder dataanalys för att göra det möjligt för astronomer att karakterisera ett brett spektrum av exoplanetatmosfärer. Astronomer som använder JWST kommer sannolikt att tycka att detta är användbart för att hjälpa sina egna observationer genom att indikera vilken information som sannolikt kommer att vara användbar och vad som sannolikt är buller.
En nackdel med spektroskopiska observationer är att även om de är en guldgruva av information blandas signalen med mycket brus. Värdelös information som inte är relaterad till exoplanetens atmosfär kan skymma de värdefulla uppgifterna i observationen.
Systematiskt brus
Detta beror på att signalen som skapas av planetatmosfären är liten jämfört med resten av ljuset som kommer från stjärnan, enligt Lagage. "Så du måste utveckla verktyg för att ta bort detta systematiska brus och få rätt signal," sa han.
Exoplanets A-projektet går längre. För att modellera atmosfären hos en exoplanet måste du också ha en god förståelse för dess värdstjärna. För att hjälpa till med detta skapade projektet en databas över egenskaperna hos stjärnor med exoplaneter. Den gjordes med arkiverade data från ESA:s XMM-Newton och Gaia rymdobservatorium.
JWST:s första exoplanetobservationer var av het gasjätteplaneten WASP-39b, beskriven som en "het Jupiter." Den kretsar runt en solliknande stjärna 700 ljusår bort. Förra månaden, med hjälp av spektroskopi, gjorde JWST den första bekräftade observationen av koldioxid i en exoplanet.
Fångad i en TRAPPIST-1
Projektet ESCAPE (Exploring Shortcuts for the Characterization of the Atmospheres of Planets similar to Earth) har också letat efter genvägar för att hjälpa till att karakterisera atmosfären hos jordliknande exoplaneter.
Martin Turbet, en astrofysiker vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (CNRS) och huvudutredare för det H2020-finansierade ESCAPE-projektet, sa att detta krävde att man utforskade nya observationstekniker med olika mark- och rymdbaserade teleskop.
Till exempel har astronomerna utvecklat nya metoder för att beräkna tätheten hos planeterna som kretsar kring TRAPPIST-1, en ultrasval röd dvärgstjärna cirka 40 ljusår från vårt solsystem.
Den här bilden visar exoplaneten HIP 65426 b i olika band av infrarött ljus, sett från rymdteleskopet James Webb. Kredit:NASA/ESA/CSA, A Carter (UCSC), ERS 1386-teamet och A. Pagan (STScI)
Upptäcktes ursprungligen 2000, och tillkännagavs senare 2017 att TRAPPIST-1-stjärnan är värd för sju små exoplaneter som kretsar i tät formation, av vilka åtminstone några kan vara beboeliga.
För att beräkna en planets densitet måste du känna till dess radie och massa. Att dimensionera planeten kan göras med hjälp av spektroskopiska observationer. Massan kan beräknas genom att observera effekten av planetens gravitationskraft på dess värdstjärna.
Vägning av exoplaneter
"Detta är det klassiska sättet att mäta vikten på en planet," sa Turbet. "Men i fallet med TRAPPIST-1-planeterna är planeternas massa så liten att den klassiska tekniken inte fungerar."
Men TRAPPIST-1-systemet är märkligt eftersom de sju planeterna alla kretsar väldigt nära varandra och utövar starka gravitationskrafter på varandra, sa han.
Detta påverkar deras banor och innebär att de inte passerar, eller passerar, framför sin värdstjärna vid bestämda tidpunkter.
Att mäta avvikelserna i dessa transittider gjorde det möjligt för forskarna att bedöma styrkan hos gravitationskrafterna mellan planeterna och utvärdera deras massor, sa Turbet.
Tack vare denna teknik säger de att de nu kan göra de mest exakta förutsägelserna hittills av vatteninnehållet i de sju kända planeterna i TRAPPIST-1-systemet.
Observationerna och beräkningarna av massa, densitet och vatteninnehåll gjordes med hjälp av markbaserade teleskop – som SPECULOOS-teleskopet vid European Southern Observatory (ESO) i Chile, rymdteleskop och nya teoretiska arbeten.
Turbet sa att JWST och det planerade Extremely Large Telescope (ELT) skulle kunna upptäcka potentiella tecken på liv, kända som biomarkörer, i exoplanetatmosfärer.
Han varnade dock för att dessa "inte kan användas som definitivt bevis på att det finns liv på planeten." Detta beror på att nyare arbeten har visat att biomarkörer, som syre, kan bildas utan liv.
Reflekterat stjärnljus
Turbet och hans kollegor har också undersökt en nyare spektroskopiteknik, känd som reflekterat ljusspektroskopi. Istället för att analysera hur en stjärnas ljus förändras när en planet passerar framför den, tittar denna metod på hur ljus från stjärnan reflekteras av planetens atmosfär.
Modellerna av vatteninnehåll och planetariska atmosfärer kommer också att hjälpa observationer från JWST, sa Turbet. De kommer att göra det möjligt för astronomer att planera sina observationer för att maximera insamlingen av data av genuint intresse.
Med det sagt handlar exoplanetforskning inte bara om att leta efter främmande liv. Exoplaneter kan också ge oss information om jordens historia och hur dess atmosfär utvecklades, enligt Lagage.
"Vad jag är mest intresserad av är atmosfären hos superjorden och exoplaneter i jordstorlek," sa han. + Utforska vidare
