Links: Hierdie is 'n beeld van die ster HR 8799 geneem deur Hubble se Near Infrared Camera and Multi-Object Spectrometer (NICMOS) in 1998. 'n Masker binne die kamera (koronagraaf) blokkeer die meeste van die lig van die ster. Sterrekundiges het ook sagteware gebruik om meer sterlig digitaal af te trek. Nietemin oorheers die verstrooide lig van HR 8799 die beeld en verberg vier dowwe planete wat later uit grondgebaseerde waarnemings ontdek is. Regs: ’n Herontleding van NICMOS-data in 2011 het drie van die eksoplanete ontbloot, wat nie in die 1998-beelde gesien is nie. Webb sal die planete se atmosfeer ondersoek by infrarooi golflengtes wat sterrekundiges selde gebruik het om verre wêrelde af te beeld. Krediet: NASA, ESA en R. Soummer (STScI)
NASA se Webb om jong eksoplanete op die rand te bestudeer
Webb sal die buitenste gebied van eksoplanetêre stelsels ondersoek, bekende planete ondersoek en nuwe wêrelde soek.
Alhoewel meer as 4,000 XNUMX planete rondom ander sterre ontdek is, verteenwoordig hulle nie die wye diversiteit van moontlike uitheemse wêrelde nie. Die meeste van die eksoplanete wat tot dusver bespeur is, is sogenaamde "ster huggers": hulle wentel so naby aan hul gasheersterre dat hulle 'n wentelbaan in dae of weke voltooi. Dit is die maklikste om te vind met huidige opsporingstegnieke.
Maar daar is 'n uitgestrekte, meestal onbekende landskap om vir eksoplanete in meer verre wentelbane te jag. Sterrekundiges het eers hierdie grens begin verken. Die planete is ver genoeg van hul sterre af dat teleskope wat met maskers toegerus is om 'n ster se verblindende glans uit te sluit, die planete direk kan sien. Die maklikste planete om raak te sien is warm, nuutgevormde wêrelde. Hulle is jonk genoeg dat hulle steeds in infrarooi lig gloei met die hitte van hul vorming.
Hierdie buitenste ryk van eksoplanetêre stelsels is 'n ideale jagveld vir NASAse komende James Webb Space Telescope. Webb sal die atmosfeer van nabygeleë bekende eksoplanete, soos HR 8799 en 51 Eridani b, by infrarooi golflengtes ondersoek. Webb sal ook jag vir ander verre wêrelde—moontlik tot Saturn-grootte—aan die buitewyke van planetêre stelsels wat nie met grondgebaseerde teleskope opgespoor kan word nie.
Hierdie skema wys die posisies van die vier eksoplanete wat ver weg van die nabygeleë ster HR 8799 wentel. Die bane lyk verleng as gevolg van 'n effense kanteling van die bane se vlak relatief tot ons siglyn. Die grootte van die HR 8799 planetêre stelsel is vergelykbaar met ons sonnestelsel, soos aangedui deur die wentelbaan van Neptunus, getoon op skaal. Krediet: NASA, ESA en R. Soummer (STScI)
Voordat planete rondom ander sterre vir die eerste keer in die 1990's ontdek is, het hierdie verafgeleë eksotiese wêrelde slegs in die verbeelding van wetenskapfiksieskrywers geleef.
Maar selfs hul kreatiewe denke kon nie die verskeidenheid wêrelde wat sterrekundiges ontbloot het, bedink het nie. Baie van hierdie wêrelde, genoem eksoplanete, verskil hemelsbreed van ons sonnestelsel se familie van planete. Hulle wissel van ster-omhelsende "warm Jupiters" tot oorgroot rotsagtige planete wat "superaarde" genoem word. Ons heelal is blykbaar vreemder as fiksie.
Dit is nie maklik om hierdie verre wêrelde te sien nie, want hulle verdwaal in die glans van hul gasheersterre. Om hulle te probeer opspoor, is soos om te beur om 'n vuurvliegie langs 'n vuurtoring se briljante baken te sien sweef.
Dit is hoekom sterrekundiges die meeste van die meer as 4,000 XNUMX eksoplanete wat tot dusver gevind is, geïdentifiseer het deur indirekte tegnieke te gebruik, soos deur 'n ster se effense swaai of sy onverwagte verduistering as 'n planeet voor hom verbybeweeg en sommige van die sterlig blokkeer.
Hierdie tegnieke werk egter die beste vir planete wat naby hul sterre wentel, waar sterrekundiges veranderinge oor weke of selfs dae kan bespeur terwyl die planeet sy renbaanbaan voltooi. Maar om net sterre-vlugplanete te vind, gee sterrekundiges nie 'n omvattende beeld van al die moontlike wêrelde in sterstelsels nie.
Hierdie ontdekkingsbeeld van 'n Jupiter-grootte buitesolêre planeet wat om die nabygeleë ster 51 Eridani wentel, is in 2014 in naby-infrarooi lig geneem deur die Gemini Planet Imager. Die helder sentrale ster is versteek agter 'n masker in die middel van die beeld om die opsporing van die eksoplaneet moontlik te maak, wat 1 miljoen keer dowwer is as 51 Eridani. Die eksoplaneet is aan die buitewyke van die planetêre stelsel 11 miljard myl van sy ster af. Webb sal die planeet se atmosfeer ondersoek op infrarooi golflengtes wat sterrekundiges selde gebruik het om verre wêrelde af te beeld. Krediet: International Gemini Observatory/NOIRLab/NSF/AURA, J. Rameau (Universiteit van Montreal), en C. Marois (Nasionale Navorsingsraad van Kanada Herzberg)
Nog 'n tegniek wat navorsers gebruik in die soektog na eksoplanete, wat planete is wat om ander sterre wentel, is een wat fokus op planete wat verder weg is van 'n ster se verblindende glans. Wetenskaplikes, wat gespesialiseerde beeldtegnieke gebruik wat die glans van die ster uitsluit, het jong eksoplanete ontdek wat so warm is dat hulle in infrarooi lig gloei. Op hierdie manier kan sommige eksoplanete direk gesien en bestudeer word.
NASA se komende James Webb-ruimteteleskoop sal sterrekundiges help om verder na hierdie gewaagde nuwe grens te soek. Webb, soos sommige grondgebaseerde teleskope, is toegerus met spesiale optiese stelsels genaamd koronagrawe, wat maskers gebruik wat ontwerp is om soveel sterlig as moontlik uit te sluit om dowwe eksoplanete te bestudeer en nuwe wêrelde te ontbloot.
Twee teikens vroeg in Webb se missie is die planetêre stelsels 51 Eridani en HR 8799. Uit die paar dosyn direk afgebeelde planete beplan sterrekundiges om Webb te gebruik om die stelsels wat die naaste aan die aarde is en planete op die wydste afstand van hul sterre. Dit beteken dat hulle ver genoeg weg van 'n ster se glans verskyn om direk waargeneem te word. Die HR 8799-stelsel is 133 ligjare en 51 Eridani 96 ligjare van die aarde af.
Webb se planetêre teikens
Twee waarnemingsprogramme vroeg in Webb se missie kombineer die spektroskopiese vermoëns van die Near Infrared Spectrograph (NIRSpec ) en die beelding van die Near Infrared Camera (NIRCam) en Mid-Infrared Instrument (MIRI) om die vier reusagtige planete in die HR 8799-stelsel te bestudeer. In ’n derde program sal navorsers NIRCam gebruik om die reusagtige planeet in 51 Eridani te ontleed.
Die vier reusagtige planete in die HR 8799-stelsel is elk ongeveer 10 Jupiter massas. Hulle wentel meer as 14 miljard myl van 'n ster wat effens meer massief is as die Son. Die reusagtige planeet in 51 Eridani is twee keer die massa van Jupiter en wentel sowat 11 miljard myl van 'n sonagtige ster af. Albei planetêre stelsels het wentelbane wat gesig na die Aarde gerig is. Hierdie oriëntasie gee sterrekundiges 'n unieke geleentheid om 'n voëlvlug uitsig bo-op die stelsels te kry, soos om na die konsentriese ringe op 'n boogskietteiken te kyk.
Baie eksoplanete wat in die buitenste bane van hul sterre gevind word, verskil hemelsbreed van ons sonnestelselplanete. Die meeste van die eksoplanete wat in hierdie buitenste streek ontdek is, insluitend dié in HR 8799, is tussen 5 en 10 Jupitermassas, wat hulle die massiefste planete maak wat tot nog toe gevind is.
Hierdie buitenste eksoplanete is relatief jonk, van tienmiljoene tot honderdmiljoene jare oud—baie jonger as ons sonnestelsel se 4.5 miljard jaar. Hulle gloei dus steeds met hitte van hul formasie. Die beelde van hierdie eksoplanete is in wese babaprente, wat planete in hul jeug onthul.
Hierdie video wys vier Jupiter-grootte eksoplanete wat miljarde kilometers weg van hul ster wentel in die nabygeleë HR 8799-stelsel. Die planetêre stelsel is gesig-op na die Aarde georiënteer, wat sterrekundiges 'n unieke voëlvlug-aansig van die planete se beweging gee. Die eksoplanete wentel so ver van hul ster af dat dit enigsins van dekades tot eeue neem om ’n wentelbaan te voltooi. Die video bestaan uit sewe beelde van die stelsel wat oor 'n tydperk van sewe jaar geneem is met die WM Keck-sterrewag op Mauna Kea, Hawaii. Keck se koronagraaf blokkeer die meeste van die sterlig sodat die baie dowwer en kleiner eksoplanete gesien kan word. Krediet: Jason Wang (Caltech) en Christian Marois (NRC Herzberg)
Webb sal ondersoek na die middel-infrarooi, 'n golflengtereeks wat sterrekundiges selde voorheen gebruik het om verre wêrelde af te beeld. Hierdie infrarooi “venster” is moeilik om van die grond af waar te neem as gevolg van termiese vrystelling van—en absorpsie in—Aarde se atmosfeer.
"Webb se sterk punt is die ongeremde lig wat deur die ruimte in die middel-infrarooi reeks kom," sê Klaus Hodapp van die Universiteit van Hawaii in Hilo, hoofondersoeker van die NIRSpec-waarnemings van die HR 8799-stelsel. “Die aarde se atmosfeer is redelik moeilik om deur te werk. Die belangrikste absorpsiemolekules in ons eie atmosfeer verhoed ons om interessante kenmerke in planete te sien.”
Die middel-infrarooi “is die streek waar Webb werklik belangrike bydraes sal lewer om te verstaan wat die spesifieke molekules is, wat die eienskappe is van die atmosfeer wat ons hoop om te vind wat ons nie regtig van die korter, naby-infrarooi kry nie. golflengtes,” het Charles Beichman van NASA se Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Kalifornië, hoofondersoeker van die NIRCam- en MIRI-waarnemings van die HR 8799-stelsel gesê. "Ons sal voortbou op wat die grondgebaseerde sterrewagte gedoen het, maar die doel is om daarop uit te brei op 'n manier wat onmoontlik sou wees sonder Webb."
Hoe vorm planete?
Een van die navorsers se hoofdoelwitte in albei stelsels is om Webb te gebruik om te help bepaal hoe die eksoplanete gevorm het. Is hulle geskep deur 'n opbou van materiaal in die skyf wat die ster omring, verryk in swaar elemente soos koolstof, net soos Jupiter waarskynlik gedoen het? Of het hulle gevorm deur die ineenstorting van 'n waterstofwolk, soos 'n ster, en kleiner geword onder die meedoënlose aantrekkingskrag van swaartekrag?
Atmosferiese grimering kan leidrade verskaf oor 'n planeet se geboorte. "Een van die dinge wat ons graag wil verstaan, is die verhouding van die elemente wat in die vorming van hierdie planete ingegaan het," het Beichman gesê. “Veral koolstof teenoor suurstof vertel jou baie oor waar die gas vandaan kom wat die planeet gevorm het. Het dit gekom van 'n skyf wat baie van die swaarder elemente opgehoop het of het dit van die interstellêre medium gekom? So dit is wat ons die koolstof-tot-suurstof-verhouding noem wat nogal aanduidend is van vormingsmeganismes.”
Hierdie video wys 'n Jupiter-grootte exoplanet wentel ver weg—sowat 11 miljard myl—van ’n nabygeleë, sonagtige ster, 51 Eridani. Die planetêre stelsel is gesig-op na die aarde georiënteer, wat sterrekundiges 'n unieke voëlvlug-aansig van die planeet se beweging gee. Die video bestaan uit vyf beelde wat oor vier jaar geneem is met die Gemini Suid-teleskoop se Gemini Planet Imager, in Chili. Tweeling se koronagraaf blokkeer die meeste van die sterlig sodat die baie dowwer en kleiner eksoplaneet gesien kan word. Krediet: Jason Wang (Caltech)/Gemini Planet Imager Exoplanet Survey
Om hierdie vrae te beantwoord, sal die navorsers Webb gebruik om dieper in die eksoplanete se atmosfeer te ondersoek. NIRCam sal byvoorbeeld die atmosferiese vingerafdrukke van elemente soos metaan meet. Dit sal ook kyk na wolkkenmerke en die temperature van hierdie planete. "Ons het reeds baie inligting oor hierdie naby-infrarooi golflengtes vanaf grondgebaseerde fasiliteite," sê Marshall Perrin van die Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, hoofondersoeker van NIRCam-waarnemings van 51 Eridani b. “Maar die data van Webb sal baie meer presies, baie meer sensitief wees. Ons sal ’n meer volledige stel golflengtes hê, insluitend om gapings in te vul waar jy nie daardie golflengtes van die grond af kan kry nie.”
Die sterrekundiges sal ook Webb en sy uitstekende sensitiwiteit gebruik om te jag vir minder massiewe planete ver van hul ster. "Uit grondgebaseerde waarnemings weet ons dat hierdie massiewe planete relatief skaars is," het Perrin gesê. “Maar ons weet ook dat laer-massa-planete vir die binneste dele van stelsels dramaties meer algemeen is as planete met groter massa. Die vraag is dus, geld dit ook vir hierdie verdere skeidings?” Beichman het bygevoeg, "Webb se werking in die koue omgewing van die ruimte laat 'n Soek vir dowwer, kleiner planete, onmoontlik om van die grond af te bespeur.”
Nog 'n doelwit is om te verstaan hoe die talle planetêre stelsels wat tot dusver ontdek is, geskep is.
"Ek dink wat ons vind, is dat daar 'n groot diversiteit in sonnestelsels is," het Perrin gesê. “Jy het stelsels waar jy hierdie warm Jupiter-planete in baie nabye wentelbane het. Jy het stelsels waar jy dit nie het nie. Jy het stelsels waar jy 'n 10-Jupiter-massa planeet het en een waarin jy niks meer massief as verskeie Aarde het nie. Ons wil uiteindelik verstaan hoe die diversiteit van planetêre stelselvorming afhang van die omgewing van die ster, die massa van die ster, allerhande ander dinge en uiteindelik deur hierdie bevolkingsvlakstudies hoop ons om ons eie sonnestelsel in konteks te plaas .”
Die NIRSpec-spektroskopiese waarnemings van HR 8799 en die NIRCam-waarnemings van 51 Eridani is deel van die Guaranteed Time Observations-programme wat kort ná Webb se bekendstelling later vanjaar uitgevoer sal word. Die NIRCam- en MIRI-waarnemings van HR 8799 is 'n samewerking van twee instrumentspanne en is ook deel van die Guaranteed Time Observations-program.
Die James Webb-ruimteteleskoop sal die wêreld se voorste ruimtewetenskap-sterrewag wees wanneer dit in 2021 gelanseer word. Webb sal raaisels in ons sonnestelsel oplos, verder kyk na verre wêrelde rondom ander sterre, en die geheimsinnige strukture en oorsprong van ons heelal en ons plek ondersoek daarin. Webb is 'n internasionale program wat deur NASA saam met sy vennote, ESA (European Space Agency) en die Kanadese Ruimte-agentskap, gelei word.
