Med sina spegelsegment vackert inriktade och dess vetenskapliga instrument som genomgår kalibrering, är NASAs James Webb rymdteleskop bara några veckor från full drift. Strax efter att de första observationerna avslöjats i sommar kommer Webbs djupgående vetenskap att börja.

Bland de undersökningar som planeras för det första året finns studier av två heta exoplaneter klassade som "superjordar" för sin storlek och steniga sammansättning:den lavatäckta 55 Cancri e och den luftlösa LHS 3844 b. Forskare kommer att träna Webbs högprecisionsspektrografer på dessa planeter i syfte att förstå den geologiska mångfalden av planeter över hela galaxen och utvecklingen av steniga planeter som jorden.

Superhet superjord 55 Cancri e

55 Cancri e kretsar mindre än 1,5 miljoner miles från sin solliknande stjärna (en tjugofemtedel av avståndet mellan Merkurius och solen), och slutför en krets på mindre än 18 timmar. Med yttemperaturer långt över smältpunkten för typiska stenbildande mineral, tros dagsidan av planeten vara täckt av hav av lava.

Planeter som kretsar så nära sin stjärna antas vara tidvattenlåsta, med ena sidan vänd mot stjärnan hela tiden. Som ett resultat bör den hetaste platsen på planeten vara den som är mest direkt vänd mot stjärnan, och mängden värme som kommer från dagsidan bör inte förändras mycket över tiden.

Men detta verkar inte vara fallet. Observationer av 55 Cancri e från NASA:s Spitzer Space Telescope tyder på att den hetaste regionen är förskjuten från den del som är mest direkt vänd mot stjärnan, medan den totala mängden värme som detekteras från dagsidan varierar.

Har 55 Cancri e en tjock atmosfär?

En förklaring till dessa observationer är att planeten har en dynamisk atmosfär som flyttar runt värme. "55 Cancri e kan ha en tjock atmosfär som domineras av syre eller kväve," förklarade Renyu Hu från NASA:s Jet Propulsion Laboratory i södra Kalifornien, som leder ett team som kommer att använda Webbs Near-Infrared Camera (NIRCam) och Mid-Infrared Instrument (MIRI) ) för att fånga det termiska emissionsspektrumet för planetens dagsida. "Om den har en atmosfär har [Webb] känsligheten och våglängdsområdet för att upptäcka den och bestämma vad den är gjord av," tillade Hu.

Eller regnar det lava på kvällen på 55 Cancri e?

En annan spännande möjlighet är dock att 55 Cancri e inte är tidvattenlåst. Istället kan det vara som Merkurius, som roterar tre gånger för varannan omlopp (det som är känt som en 3:2-resonans). Som ett resultat skulle planeten ha en dag-natt-cykel.

"Det kan förklara varför den hetaste delen av planeten förskjuts", förklarade Alexis Brandeker, en forskare från Stockholms universitet som leder ett annat team som studerar planeten. "Precis som på jorden skulle det ta tid för ytan att värmas upp. Den varmaste tiden på dagen skulle vara på eftermiddagen, inte precis vid middagstid."

Brandekers team planerar att testa denna hypotes med hjälp av NIRCam för att mäta värmen som avges från den upplysta sidan av 55 Cancri e under fyra olika banor. Om planeten har en 3:2-resonans kommer de att observera varje halvklot två gånger och bör kunna upptäcka eventuella skillnader mellan hemisfärerna.

I det här scenariot skulle ytan värmas upp, smälta och till och med förångas under dagen och bilda en mycket tunn atmosfär som Webb kunde upptäcka. På kvällen skulle ångan svalna och kondensera för att bilda droppar av lava som skulle regna tillbaka till ytan och bli fast igen när natten faller.

Något svalare superjordisk LHS 3844 b

Medan 55 Cancri e kommer att ge inblick i den exotiska geologin i en värld täckt av lava, ger LHS 3844 b en unik möjlighet att analysera den fasta stenen på en exoplanetyta.

Liksom 55 Cancri e kretsar LHS 3844 b extremt nära sin stjärna och fullbordar ett varv på 11 timmar. Men eftersom dess stjärna är relativt liten och sval är planeten inte tillräckligt varm för att ytan ska smälta. Dessutom indikerar Spitzer-observationer att planeten är mycket osannolik att ha en betydande atmosfär.

Vad är ytan på LHS 3844 b gjord av?

Även om vi inte kommer att kunna avbilda ytan på LHS 3844 b direkt med Webb, gör avsaknaden av en döljande atmosfär det möjligt att studera ytan med spektroskopi.

"Det visar sig att olika typer av berg har olika spektra", förklarade Laura Kreidberg vid Max Planck Institute for Astronomy. "Du kan se med dina ögon att granit är ljusare till färgen än basalt. Det finns liknande skillnader i det infraröda ljuset som stenar avger."

Kreidbergs team kommer att använda MIRI för att fånga det termiska emissionsspektrumet för dagsidan av LHS 3844 b, och sedan jämföra det med spektra av kända bergarter, som basalt och granit, för att bestämma dess sammansättning. Om planeten är vulkaniskt aktiv kan spektrumet också avslöja närvaron av spårmängder av vulkaniska gaser.

Vikten av dessa observationer går långt utöver bara två av de mer än 5 000 bekräftade exoplaneterna i galaxen. "De kommer att ge oss fantastiska nya perspektiv på jordliknande planeter i allmänhet, och hjälpa oss att lära oss hur den tidiga jorden kan ha sett ut när det var varmt som dessa planeter är idag", sa Kreidberg.

Dessa observationer av 55 Cancri e och LHS 3844 b kommer att utföras som en del av Webbs Cycle 1 General Observers-program. General Observers-program valdes ut konkurrenskraftigt med ett dubbelt-anonymt granskningssystem, samma system som användes för att tilldela tid på Hubble. + Utforska vidare

Lava eller inte, exoplanet 55 Cancri e har sannolikt atmosfär