金属科学
现在读
太阳系外行星序曲:詹姆斯·韦伯太空望远镜能带给我们什么?
金属科学
金属科学

太阳系外行星序曲:詹姆斯·韦伯太空望远镜能带给我们什么?

JWST标志性的六角形金色镜子使它能够收集广泛的红外光,这对于揭示系外行星的秘密是完美的。图片:NASA/Chris Gunn, CC BY 2.0

期待已久的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)发射终于在望。世界各地的天文学家预计,旗舰将收集大量的信息,从宇宙中最古老的星系到恒星和行星的诞生地。

“这真的是一个瑞士军刀望远镜,有着广泛的应用,”他说伊丽莎白马修斯是瑞士的天文学家天文学家。

jwst.,由14个国家的超过1,200人的团队建造,将在广泛的波长范围内收集红外(IR)光。这使得它非常适合学习外产上的,这在红外光谱中埋葬了大部分秘密。通过这种方式,在许多其他人中,JWST将建立在哈勃和斯皮策望远镜望远镜的遗产上,这两个人都曾经在我们对遥远的世界的理解中制造革命跨越子,尽管距离望远镜都没有旨在这样做。另一方面,JWST的乐器旨在考虑到外延网。

该天文台计划于今年年底推出,外延科学家长期以来一直计划首先要看什么。2020年,他们向望远镜的科学团队提交了提案,并在三月宣布了JWST的第一个观察周期的选择。(观察周期为1年,或8,760小时,观察时间。)超过20%在第一个观察周期期间的JWST的时间将致力于了解Exoplanets。

统一主题跨越外产观察计划?“一个词:多样性,”说斯特凡•佩尔蒂埃她是Université de Montréal的天文学博士生。“在科学案例、仪器和观测配置方面,所有基地都被覆盖。”

在公认的计划上的主要调查人员(PIS)和共同调查人员在过去的许多身份轴上也更多样化,而不是太空望远镜计划已经过去了。与最近一轮的哈勃建议相比,百分比较高PIS是女性并且他们是研究生将发出第一个JWST观察。

马修斯说,这是太空望远镜科学研究所团队辛勤工作的证明,“既要确保系外行星群体(成员)能够理解望远镜,并为它设计好的科学实验,也要确保这些科学实验的建议经过了仔细和公正的判断。”

安德鲁范德堡,威斯康星大学麦迪逊分校的天文学家说,“它太棒了(双匿名)同行评审,评审人员不知道谁写的提案,反之亦然——使有好想法的年轻科学家获得的时间在世界上最强大的天文台从第一天。”

开场白:一次试航

JWST承诺成为一个游戏更改器,了解如何以及哪些类型的行星形式以及什么使其居住,但对于第一个周期来说,望远镜的表现是如何衡量预期的。“审稿人非常想要一个强大的'Shakedown Cruise,'”说彼得高他是加州大学圣克鲁斯分校(University of California, Santa Cruz)的系外行星科学家。“有几项提案关注的是新的有趣的观察方法和科学案例,这些肯定会成为下一个周期中类似的、更大的、更详细的提案的试验场。”

所选的外延观察往往保持在望远镜的预期限制内。“JWST时间非常珍贵,所以对于第一个周期来说,可以理解的是,强调的是”安全“的重点,因为它们几乎保证产生了良好的结果,”Alexis Brandeker.他是斯德哥尔摩大学的天文学家。有些观察可能“有风险”,因为科学家们不确定他们会发现什么,但如果他们确实发现了什么,他们会好好看看。

在科学方面,观测目标行星的类型和正在进行的观测类型都是多种多样的。“这些包括测量矿物云光谱特征,作为探测系外行星云组成的一种方法,探索系外行星在凌日期间的黎明和黄昏分支的不对称性,绘制日食图,并了解哪些岩石系外行星拥有大气,”Gao说。

在目标行星方面,“在一些第一批被描述的系外行星(如HD 189733 b)和一些观测结果难以解释的怪异系外行星(如55 Cancri e)之间有一个很好的平衡,”他说丽莎Đặng他是蒙特利尔麦吉尔大学的物理学研究生。大多数选定的系外行星项目不是对大范围的行星进行有限的观测,而是寻求对一颗或几颗行星进行详细的观测。

在熟悉的场景中亮起

在这个第一个观察周期中,“我们正在经过过去已经观察到的很多已知的外产网,所以没有许多未探索的目标,”đặđặ说。“这是绝对的感觉,因为我们将是第一次在太空中使用这些乐器,我们真的不知道我们必须待处理的挑战。”

“有一些非常有趣的行星......我们已经有诱人的来自哈勃和Spitzer数据的瞥见,”汉娜赌福德是英国布里斯托大学的天体物理学家。例如,韦克斯福德将瞄准一个良好的研究,但仍然是神秘的,热的木星,高清209458 b。“我们目前从哈勃的数据告诉我们这种氛围中有一些东西,而且我的计划目的是证明它是由镁硅酸盐(玻璃)构成的云,”她说。

2007年,天文学家利用斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)首次测量了一颗系外行星——热木星HD 189733 b的全球温度。借助JWST,天文学家计划绘制出这颗行星的热点(黄色)和冷点(蓝色)的2D和3D地图。Imahe: NASA / JPLCaltech / H。哈佛克努森(cfa)

加利福尼亚州帕萨迪纳州北美航空航天局喷气式推进实验室的行星科学家蒂芙尼卡塔里亚。是一部分这是五个项目之一学习HD 189733B,一个热Jupiter如此正常,它被称为规范。“这个星球是第一个用斯皮兹和哈勃空间望远镜观察到的大气层的壮观的外表网之一,但我们仍然有很多关于其氛围的性质,”她说。Kataria将制作星球的3D地图,以研究其风和温度模式,“这对大气中发生的物理过程表示了很多。”

NéstorEspinoza目标是热木星wasp - 63b,更具体地说,是它的日出和日落。的程序“旨在首次尝试探测一颗巨大的高温气体系外行星....清晨和傍晚的红外大气特征。它的方向是在3D中探索这些遥远的系外行星的大气结构。”埃斯皮诺萨是马里兰州巴尔的摩市太空望远镜科学研究所的天文学家。

许多较小的行星都是JWST将研究的热门行星,包括地球大小的熔岩世界55 Cancri e。Brandeker的计划将在发光,熔化的行星在其恒星后面穿过时,检查变化。“我们希望看到连续的eClipses是否显示了地球的相同或不同的面孔,”他说。假设轨道靠近其恒星的行星被锁定在一起,具有同样的半球总是面对明星。如果55个Cancri E旋转速度或慢于IT轨道,则“这种假设通常被视为理所当然,也可以针对其他行星质疑。这反过来又对如何重大影响行星被加热也就是说,一方对各方。”

另一个古老的最爱是次海王星GJ 1214 B,一个目标之一伊莱扎肯普顿s观察项目.“通过中红外透射光谱,加热排放和次要日食观测的组合,我们的目的是更清楚地了解这种神秘世界的大气成分和气溶胶特性,”她说。

马里兰大学帕克分校的系外行星天文学家肯普顿说:“与现有观测结果的重叠并不是主要的动力,因为我们预计JWST的表现会比现有的设备好得多。”“但当我们看到JWST的数据与之前的观测数据一致时,我们肯定会感到欣慰,这种一致的水平将帮助我们了解之前由哈勃和斯皮策等设备采集的所有数据。”

巨蟹座55号的表面可能是熔融的,正如这幅艺术家的插图所示。天文学家将利用JWST来更好地了解火星表面是如何升温的。图像:ESA/哈勃,M. Kornmesser, CC BY 4.0

最新的旧收藏夹很快就会被JWST研究是TRAPPIST-1系统,兴奋的天文学家和公众在被发现有七个可能的岩石地球大小的行星时。

总共八个不同的节目将介绍这些行星的大气性质。“有了这个程序说:“奥利维亚Lim是一名天文学博士生在UniversitédeMontreal和PI的计划,“我们希望至少确定行星是否具有氛围,并且如果他们进行宿主大气,我们希望检测分子的存在在那些大气中的[二氧化碳,水和臭氧]含量。这将是在太阳系之外寻找生活痕迹的重要一步。“

“JWST有一个小机会在Trappist-1行星上寻找生物照片,”麦克尔张说,“但告诉我们哪些分子主宰着大气层以及是否有云的机会非常有机。张是加州帕萨迪纳加州理工学院的天文学研究生。

行星情节曲折

有些系外行星不像其他系外行星那样适合这个盒子,天文学家真的希望JWST能帮助他们理解为什么会这样。Kataria领导程序来研究其中一个奇怪的,HD 80606 b。

“HD 80606 B是一个极端的热木星,这就是说些什么,因为热门队员非常极端开始!”卡塔里亚说。“这种木星大小的Exoplanet是在高度偏心,轨道,轨道上,在其111天的轨道上的助焊剂或加热超过800个变化。”

“大多数时间花在相对温和的距离上,”Brandeker补充道,“但每111天一次,几天内的明星非常紧密地擦拭[和]”闪光加热“。

HD 80606 B HD的闪光加热每111天体验一次,可能会产生强烈的风暴和意外的天气模式,JWST将监测。这些天气模式的计算机模型基于2007年闪光加热事件期间拍摄的Spitzer数据。(蓝色代表较冷的散装气氛,红色代表着温暖的风。)图片:NASA / JPLCALTECH / g。Laughlin(UCO / Lick Observatory)

沃德福德说,研究高清80606 B的气氛,真正帮助我们检查大气能源运输背后的纯物理学,这对所有世界都很重要。“

卡塔利亚也是程序制作一个不同的3D大气图,wasp - 121 b这是一颗温度极高的气体巨星,它的轨道离它的恒星非常近,以至于它的形状像一个足球。wasp - 121b是“超级膨胀”行星的一个例子:这些行星和木星差不多大,但质量要小得多,这使得它们的密度更接近棉花糖。佩尔蒂埃会看到在另一个超级粉扑上,WASP-127 B.他说:“我们希望更好地了解这个与我们太阳系中的任何东西都截然不同的星球上的碳预算。”

了解超级泡芙行星最重要的是什么?“基本上任何东西!”根据高,谁的程序之前所有描述超级膨胀大气的尝试都得到了没有特征的光谱,因此信息非常少。如果我们观察到的不是一条平坦的线,那么我们对这些神秘物体的了解将远远超过我们现在所知道的。这真的是一项调查事实的任务。”

M侏儒的惊人的咏叹调

M矮星是宇宙中最小也是最常见的恒星,天文学家发现它们拥有大量的行星。围绕这些恒星的岩石宜居行星更容易找到,使用两种最普遍的方法——透铁径向速度——但这些行星是否有大气层仍有争议。

“我觉得周期1观察将会告诉我们M矮星周围的岩质行星是否能够保持它们的大气层。系外行星的大气物理学在德国海德伯格的Max Planck天文学研究所。“这是关于生活中最有可能在宇宙中出现的最重要的问题之一。小星周围有很多这些小星球“ -超过1500众所周知,到目前为止 - “但他们在寿命上经历了更高的能量辐射,所以尚不知道它们是否可以保持其环境。没有气氛[是]生命的坏消息!“

在该图示中描绘的小岩石行星LHS 3844b已经证实没有大气,因此JWST将能够研究其表面组成。图片:NASA / JPLCALTECH / R。伤害,IPAC.

Kreidberg的观察计划都将针对围绕M矮人的岩石行星定位。“其中一个行星[LHS 3844 B.我们已经知道它没有大气层,所以这个项目的目标是研究这颗行星的表面组成——什么岩石的类型它是由 - 并搜索任何暗示的火山活性,这可能产生痕量的二氧化硫。“

Kreidberg也在看trappist-1 c它的温度非常接近金星。对于这颗行星,我正在寻找二氧化碳的吸收情况,以测试这颗行星是否有厚厚的类似金星的大气层,或者大气层是否已经消失了。”

“虽然我们已经建立了许多小型行星大气损失的模型,”高说,“这将是我们对这些理论的第一次真正的测试。”我们是否会发现,大多数具有特征的岩石行星实际上没有大气,而我们对它们的气候和宜居性的建模工作是徒劳的?或者我们会看到更多样化的大气状态?不管我们发现了什么,这些研究的结果都将是有趣的,对未来的周期有益的。”

小行星很大

大约一半的JWST的Exoplanet特定的观察时间将致力于将世界的小于海王星。“这告诉我毫无疑问,社区对小家伙绝对感兴趣,”高说。这些行星可能是岩石(如果它们足够小)或者可以有岩石冰核和厚厚的气氛。

大计划在娜塔莎Batalha和Johanna Teske领导的次海王星和超地地球大气中对我来说特别令人兴奋,因为它将为我们提供对我们太阳系中不存在的一类行星的系统调查,并且在以前没有容易观察肯普隆说,设施,““这一计划的潜力将更加了解小星球的大气压的洞察力非常高。”

小行星都是从尘埃和气体的集合开始的。一个未来星球的起始物质决定了它能吸收多少额外的气体,以及当它升温时能保留多少气体。以巨大的气体外壳结束的行星被称为“迷你海王星”,只有少量气体的行星被称为“超级地球”。图片来源:NASA/Ames研究中心/JPLCaltech/R伤害

张说:“这些行星太小了,目前的技术无法到达它们,所以JWST的任何发现都将是对我们所知的一个很大的改进。”“对于像gj367b这样的小行星,我的目标和55个cancri e,我们基本上不知道什么,所以我们将学到他们的第一件事。他们有大气吗?如果是这样,它们是二氧化碳,氧气或异国氧化硅和氧化硅的异国金属氛围吗?“

Espinoza之一项目将专注于超级地球K2-141 B,这个星球只比地球略大,略大,而且更热。“Depending on the properties of this exoplanet like the presence or not of an atmosphere, the flux change during its orbit around the star should give rise to very different signals, which will enable us to infer what this exoplanet’s exterior is made of,” said Espinoza.

如果K2-141 B确实有气氛,它可能不是它开始的那个。Lisađặng旨在了解。岩石行星像那个“被认为失去任何原始气息一样热,而是可以维持一个薄岩蒸汽气氛[那个]从地幔中排出的岩石蒸汽气氛,”她说。气氛是否粘在或下雨?“和我们的观察我们希望探测到大气成分的分子特征,并获得该行星的大气和表面地图。”

行星和磁盘的民谣

JWST的发现不仅仅是建立在哈勃和斯皮策而且也是由地面的观察者,如Atacama大毫米/亚颌骨阵列(ALMA)。这些观察结果将探讨行星的出生地:年轻恒星周围的灰尘和天然气。“在过去十年中,我们已经得到了华丽的图像从智利的ALMA干涉仪上观测到大量精细尺度的结构,追踪行星形成盘中的卵石。ilse克莉斯他是夏洛茨维尔弗吉尼亚大学的天文学家。“其中一些结构可能会追踪行星的信息,因此,看到JWST揭示的东西将是非常令人兴奋的,无论是在磁盘中的模式,甚至是驱动——原行星——本身!”

马修斯补充说:“如果JWST能够在这些磁盘中成功检测行星,那将是我们对行星如何与磁盘互动的理解的重要确认。”如果磁盘中没有出现行星,则天​​文学家将不得不重新思考如何,以及行星形状磁盘。

与JWST的一些第一个观察结果将寻求张开行星形成的磁盘如何分配它们的水和其他对生命至关重要的材料。这位艺术家的插图显示了行星成型盘中可能存在的水冰。图片:A. Angelich(Nrao / Aui / NSF)/ Alma(ESO / Naoj / Nrao),CC Boy 4.0

克利夫斯将学习行星形成圆盘,了解他们如何引起可居住的行星。“居住的行星有多常见?水的可用性是一个自然的开始,但我们没有关于存在多少水或在磁盘中分配水的巨大观测限制。我们期待着在附近的磁盘中映射水冰,这种磁盘发生在一系列背景星星面前。“如果星光通过有冰的磁盘的一部分,则冰将在光上印记光谱信号。克利夫斯说,有了这么多背景星,他们不仅可以说冰是否存在,还可以在哪里说。

然而,世界上很适合生活的气息超出了水的存在,而且Melissa McClure.三个观察程序会寻找它们。We’ll “trace how the elemental building blocks of life—like carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, and sulfur—evolve between molecular clouds, where they freeze out on dust grains as ices, and protoplanetary disks, where these ices are incorporated into forming planetesimals and, ultimately, planets,” she said. “I think that within a few years we will have an understanding of how much water terrestrial planets typically have and whether they inherited that water from their birth locations in their disks or if cometary delivery was necessary.” McClure is an assistant professor and a Veni Laureate at Leiden Observatory in the Netherlands.

A可能是JWST观察能力的低估分量是日冕仪这将允许直接成像系外行星系统,这意味着望远镜将看到行星本身发出的光。再加上JWST的红外功能,该望远镜将能够观测到比目前可能观测到的更古老和更冷的行星。这是马修斯的目标.“Eps Indi Ab与太阳系的年龄相似,与它的恒星的距离也类似于木星与太阳的距离。因为JWST能够比地球上的望远镜更深入地拍摄红外图像,因为古老的行星在这些非常长的波长上更亮,我们的项目提供了一个独特的机会来研究太阳系外真正的类木行星,”她说。

有时行星在他们的明星的消亡中幸存下来,就像这样的情况WD 1856 + 534 b这是一颗气态巨行星,围绕着一颗慢慢冷却的恒星尸体(也被称为白矮星)运行。在这种情况下,地球的生存就成了一个谜。“这颗行星的轨道距离白矮星足够近,以至于它在白矮星死亡之前不可能在那里运行。那么它是如何到达那里的呢?安德鲁·范德伯格问道程序将瞄准这个系统。

通向第二幕的桥梁

一旦“Shakedown Cruise”完成,Hannah Wakeford希望看到JWST用于学习更多世界的木星,土星和海王星的大小。“我们可以了解我们甚至无法从我们自己的太阳系巨人行星中获得,”她说,“所以在我看来,这是一个低风险,高奖励情景。”

在Vanderburg的愿望清单:“瓦解的行星.这些将是行星内部组合物的巨大探针,所以我希望我们将来会对他们观察。“

克利夫斯称第一阶段是“一个很好的起点”。但我有一种感觉,最有趣的下一个项目是那些我们还没有预料到的项目,所以我真的很期待JWST的头几年,与数据打交道,找到那些意想不到的谜题。”

埃斯皮诺萨表示同意。他说:“我几乎确信,这些特征将会出现在数据中,而我们可能无法马上解释这些特征。”“因此,JWST进行的第一次系外行星观测将是对已知的未知....的一次飞跃就像我最喜欢的一个摇滚乐队的专辑标题所说的,‘期待意想不到的事情。’”

本文最初发表于Eos并已在这里重新发布cc by-nc-nd 3.0许可证。

滚动到顶部