El telescopio espacial James Webb se lanzará a finales de 2018, y estará preparado para responder preguntas fundamentales sobre el comienzo del universo, el nacimiento de estrellas y galaxias, y el origen de la vida. Crédito:NASA / Desiree Stove
La mejor manera de estudiar las atmósferas de mundos distantes con el telescopio espacial James Webb, programado para lanzarse a finales de 2018, combinará dos de sus instrumentos infrarrojos, según un equipo de astrónomos.
"Queríamos saber qué combinación de modos de observación (de Webb) le brinda el máximo contenido de información por el mínimo costo, "dice Natasha Batalha, estudiante de posgrado en astronomía y astrofísica y astrobiología, Penn State, y científico principal de este proyecto.
"El contenido de información es la cantidad total de información que podemos obtener del espectro atmosférico de un planeta, desde la temperatura y la composición del gas, como el agua y el dióxido de carbono, hasta las presiones atmosféricas ".
Batalha y Michael Line, profesor asistente, Escuela de Ciencias de la Tierra y el Espacio, Universidad del estado de Arizona, desarrolló un modelo matemático para predecir la cantidad de información que diferentes instrumentos de Webb podrían extraer sobre la atmósfera de un exoplaneta.
Su modelo predice que el uso de una combinación de dos instrumentos infrarrojos, el generador de imágenes de infrarrojo cercano y el espectrógrafo sin rendija (NIRISS) y el modo G395 en el espectrógrafo de infrarrojo cercano (NIRSpec), proporcionará el mayor contenido de información sobre la atmósfera de un exoplaneta.
NIRISS es una cámara y espectrógrafo versátil que observará longitudes de onda infrarrojas similares a las que cubre el telescopio Hubble. NIRISS, según Batalha y Line, debe combinarse con el modo G395 en NIRSpec, que observará objetivos en longitudes de onda infrarrojas más largas con la resolución más alta de Webb.
Tres características principales afectan la cantidad de información que puede extraer un instrumento:resolución, brillo máximo observable, y rango de longitud de onda. Estos combinados determinan la fracción observable total del contenido de información del espectro atmosférico de un planeta.
Tanto NIRISS como NIRSpec observarán longitudes de onda del infrarrojo cercano, la región del espectro electromagnético en la que las estrellas que orbitan alrededor de los exoplanetas brillan con mayor intensidad. NIRISS está preparado para medir una firma fuerte de agua y NIRSpec puede hacer lo mismo con el metano y el dióxido de carbono. tres compuestos químicos que proporcionan una cantidad sustancial de información sobre una atmósfera.
La atmósfera de un planeta absorbe longitudes de onda específicas de la luz de la estrella que revelan la composición química de la atmósfera. Crédito:NASA, ESA, y A. Feild (STScI)
Batalha y Line probaron cada uno de los diez métodos de observación probables por sí solo y en todas las combinaciones posibles con los otros métodos para determinar cuál maximizaría el contenido total de información.
Recuperaron la información de un conjunto de planetas simulados con temperaturas y composiciones que cubren el rango de atmósferas de exoplanetas previamente observadas. Al comparar el contenido de información recuperable en la atmósfera de cada planeta, Batalha y Line descubrieron que esta combinación de los modos NIRISS y NIRSpec brinda la mayor cantidad de información independientemente de la temperatura o composición del exoplaneta. Los investigadores publicaron estos resultados en El diario astronómico .
"No sabremos la temperatura de un planeta de antemano, "dice Batalha." Si vas a hacer un tiro en la observación oscura, tiene la mayor posibilidad de obtener la información que desea con esta combinación de instrumentos ".
Cuando un exoplaneta cruza entre su estrella anfitriona y los telescopios de la Tierra, parte de la luz de la estrella atraviesa la atmósfera del exoplaneta. La exo-atmósfera deja su huella digital en la luz de la estrella, el espectro de transmisión del planeta, del cual los astrónomos pueden aprender sobre la temperatura de la exo-atmósfera. composición química y estructura. El análisis del contenido de la información de los investigadores se centra en la información recuperable del espectro de transmisión de un planeta.
Si bien Webb no se lanzará hasta finales de 2018, pero los astrónomos ya están planeando el primer conjunto de observaciones que les gustaría del telescopio.
"Si podemos crear una estrategia ahora, "dice Batalha, "Para cuando llegue el primer ciclo de propuestas formales, podemos asegurarnos de que estamos eligiendo los mejores modos para propuestas más grandes y no perder un tiempo valioso de observación. De esta manera, todos comienzan en igualdad de condiciones con la ciencia".
Si bien destacan dos modos NIRISS y NIRSpec como la mejor combinación para observar la mayoría de atmósferas exóticas, Batalha y Line explican que los otros modos seguirán siendo útiles para observar diferentes características de exo-atmósferas que los astrónomos no han probado. como nubes, neblina y atmósferas lo suficientemente calientes como para emitir su propia luz.
"En el futuro, "Batalha dice, "Habrá un impulso para caracterizar la primera Tierra 2.0. Si no concretamos esto ahora y dominamos el arte de caracterizar exo-atmósferas, nunca caracterizaremos con precisión la Tierra 2.0 ".
