Beyond Local: The James Webb Space Telescope brengt de atmosferen van exoplaneten in kaart

Dit artikel door Louis Philip ColumbusEn Universiteit van Montréal Oorspronkelijk te zien in The Conversation en hier gepost met toestemming.

Exoplaneten, planeten die om andere sterren dan de zon draaien, bevinden zich op zeer grote afstanden van de aarde. Onze dichtstbijzijnde exoplaneet, Proxima Centauri b, is bijvoorbeeld 4,2 lichtjaar verwijderd, of 265.000 keer de afstand tussen de aarde en de zon.

Met het blote oog verschijnen de planeten in het zonnestelsel als lichtpuntjes. Met een telescoop steken deze punten echter uit de sterren en onthullen ze structuren zoals de Grote Rode Vlek van Jupiter, de ringen van Saturnus of de ijskappen van Mars.

Hoewel dergelijke verschijnselen op exoplaneten worden verwacht, verhindert hun afstand tot de aarde ons om hun oppervlak direct te bepalen. Er zijn echter manieren om meer te weten te komen over de structuur van hun atmosfeer en deze in kaart te brengen.

Ik ben een PhD-student in astrofysica aan de Universiteit van Montreal. Mijn werk houdt verband met de karakterisering van de atmosferen van exoplaneten. Meer specifiek richt mijn onderzoek zich op het ontwikkelen van tools om de atmosferen van exoplaneten in kaart te brengen met behulp van observaties van de James Webb Space Telescope.

De telescoop, die op 25 december 2021 werd gelanceerd, zal naar verwachting een revolutie teweegbrengen op het gebied van exoplaneetwetenschap.

Detectie en karakterisering van exoplaneten

Afgezien van enkele speciale gevallen waarin het licht van een planeet direct kan worden waargenomen, worden de meeste exoplaneten gedetecteerd met behulp van indirecte methoden. Een indirecte methode is om het effect van het bestaan ​​van de planeet op het licht van de ster te observeren.

De transitmethode heeft geleid tot het grootste aantal ontdekkingen van exoplaneten. Een transit vindt plaats wanneer een exoplaneet, in onze ogen, voor zijn moederster passeert. Tijdens de transit neemt het licht van de ster af omdat de planeet het oppervlak gedeeltelijk verduistert.

Licht is verdeeld in een spectrum van golflengten die overeenkomen met verschillende kleuren. Wanneer transits op verschillende golflengten worden waargenomen, is het mogelijk om de samenstelling van de atmosfeer van een exoplaneet te meten. Watermoleculen absorberen bijvoorbeeld sterk licht in infrarode golflengten, waardoor de planeet groter lijkt, omdat de atmosfeer een groter deel van het licht van de ster blokkeert. Op een vergelijkbare manier is het ook mogelijk om de temperatuur van de atmosfeer te meten en de aanwezigheid van wolken te detecteren.

Bovendien kan een transiterende planeet achter zijn ster passeren. Dit fenomeen, waarbij alleen licht van een ster wordt waargenomen, wordt een secundaire zonsverduistering genoemd. Door dit te observeren, is het mogelijk om alleen het licht dat van de planeet komt te isoleren en zo aanvullende informatie over zijn atmosfeer te verkrijgen.

De transitmethode is gevoeliger voor de aanwezigheid van wolken, terwijl de secundaire eclipsmethode meer informatie geeft over de temperatuur van de atmosfeer.

Over het algemeen wordt de atmosfeer van een exoplaneet bij analyse als een eendimensionaal object beschouwd. Dat wil zeggen, de samenstelling en temperatuur verschillen alleen met het hoogteverschil en niet met de locatie in de lengte- en breedtegraad. Om deze drie dimensies tegelijkertijd in rekening te brengen, zijn complexe modellen en een hoge mate van nauwkeurigheid van observatie vereist. Als u echter alleen al aan de hoogte denkt, kan dit leiden tot ongeldige benaderingen. Op aarde is de temperatuur op de evenaar bijvoorbeeld veel hoger dan op de polen.

Sommige exoplaneten hebben ook een sterke ruimtelijke variabiliteit in hun atmosferen. Hete Jupiter, even groot als Jupiter, draait heel dicht bij zijn moederster en kan daardoor temperaturen van enkele duizenden graden Celsius bereiken.

Bovendien draaien deze planeten met dezelfde snelheid als hun ster om zichzelf heen. Dit betekent dat op deze planeten de dag en het jaar even lang zijn. Op dezelfde manier dat we vanaf de aarde slechts één kant van de maan kunnen zien, is slechts één kant van hete Jupiter constant naar zijn ster gericht. Dit fenomeen kan leiden tot een aanzienlijk temperatuurverschil tussen de dagzijde, die wordt verlicht door de ster, en de nachtzijde, die altijd in het donker wordt gehouden.

Toewijzingsmethoden

Hoewel het onmogelijk is om het oppervlak van een exoplaneet rechtstreeks waar te nemen, is het mogelijk om de ruimtelijke variabiliteit van de atmosfeer te meten met behulp van twee methoden: fasecurveanalyse en secundaire eclipskartering.

De fasecurve is het contrast van licht van een stellair planetenstelsel tijdens de omwentelingsperiode. Omdat de planeet tijdens zijn baan om zichzelf draait, zijn respectievelijk verschillende delen van zijn atmosfeer voor ons zichtbaar. Met dit signaal is het mogelijk om de intensiteit van het door de planeet uitgezonden licht in zijn lengtegraad in kaart te brengen. In het geval van hete Jupiters, waarvan de dagzijde over het algemeen heter is, is de maximale hoeveelheid licht afkomstig van de planeet nabij de secundaire zonsverduistering. Evenzo bevindt de minimumcurve zich in de buurt van de doorvoer, waar de nachtzijde wordt waargenomen.

Bij secundaire eclipskaarten wordt de dagzijde van een exoplaneet bepaald. Terwijl de planeet vanuit ons zicht in en uit zijn ster beweegt, zijn delen ervan verborgen, waardoor we het licht kunnen isoleren dat wordt uitgestraald door een specifiek deel van zijn atmosfeer. Door individueel de hoeveelheid licht te meten die door elke sectie wordt uitgestraald, kan vervolgens de dagzijde van de atmosfeer worden bepaald ten opzichte van de lengte- en breedtegraad.

De James Webb-ruimtetelescoop arriveert

Tot op heden is fasecurve-analyse toegepast op veel planeten met behulp van ruimtetelescopen, waaronder de ruimtetelescopen Hubble, Kepler en TESS. Secundaire eclipskartering werd toegepast op een enkele exoplaneet, Hot Jupiter HD189733 b, uit waarnemingen met de Spitzer Space Telescope. Deze waarnemingen worden echter meestal op één golflengte gedaan en geven geen volledig beeld van atmosferische processen die op deze exoplaneten aan het werk zijn.

Met een spiegel van 6,5 meter, vergeleken met Hubble’s 2,4 meter spiegel, zal de Webb-telescoop ongekend nauwkeurige waarnemingen leveren over een breed scala aan golflengten. Vier instrumenten, waaronder de Canadese NIRISS (Near Infrared Imager and Slit Spectrometer), zullen de atmosfeer van verschillende exoplaneten in het infrarood bewaken en karakteriseren.

Met behulp van de Webb-telescoop zal het mogelijk zijn om de voor ons beschikbare karteringsmethoden toe te passen om het driedimensionale contrast van de atmosferen van exoplaneten te meten. Met deze metingen kunnen we onze kennis van atmosferische processen verdiepen.

Naarmate de technologie en hulpmiddelen zich blijven ontwikkelen, kan het in de toekomst misschien zelfs mogelijk zijn om een ​​aardachtige exoplaneet in kaart te brengen.

Louis Philip ColumbusPromovendus in astrofysica Universiteit van Montréal

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van Gesprek Onder een Creative Commons-licentie. Lees de origineel artikel.