الفلك

هل يستطيع تلسكوب جيمس ويب الفضائي اكتشاف الإشارات الحيوية على الكواكب الخارجية؟

هل يستطيع تلسكوب جيمس ويب الفضائي اكتشاف الإشارات الحيوية على الكواكب الخارجية؟

سيوفر لنا تلسكوب جيمس ويب الفضائي (JWST) المقرر إطلاقه في عام 2018 رؤية أفضل للكواكب الخارجية ، ولكن هل سيكون كافيًا لاكتشاف علامات الحياة على بعض هذه العوالم على الأقل؟

ستوفر الإجابة الجيدة تقديرًا لقدرات تلسكوب جيمس ويب الفضائي للكشف عن بيانات الغلاف الجوي ذات الصلة بوجود الحياة.

ستشمل الإجابة المفضلة أيضًا تحليلًا لما يتطلبه الأمر ليقول بمستوى لائق من الثقة بأن الحياة كانت موجودة على كوكب خارج المجموعة الشمسية وما إذا كان JWST سيكون قادرًا على ذلك أم لا.


بناءً على ما أفهمه ، يجب أن يكون جيمس ويب ، إذا استخدم بالاقتران مع ظل نجم ناجح (يجري تطويره في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا) ، قادرًا على اكتشاف الكواكب القريبة التي تدور حول النجوم القريبة. ومع ذلك ، فإن الحصول على أطياف جيدة في الغلاف الجوي لهذه الكواكب مباشرة (من انبعاث الأشعة تحت الحمراء للكوكب الأسود) أمر غير محتمل. ما يجب أن نأمله هو أن يجد TESS ، الذي من المفترض أن يصعد في عام 2017 ، بعض النجوم القريبة مع الكواكب العابرة. بعد ذلك ، سيتمكن جيمس ويب من البحث عن خطوط امتصاص الغلاف الجوي من الضوء النجمي الذي يمر عبر الغلاف الجوي للكوكب أثناء العبور. قد تظل هذه الطريقة مقصورة على الكواكب الكبيرة (بحجم كوكب المشتري). في الوضع المثالي (على سبيل المثال ، بالنظر إلى خطوط الامتصاص للأرض الفائقة) ، هناك العديد من "الإشارات الحيوية" ، ولكن من الأسهل اكتشاف خط الأوزون في الأشعة تحت الحمراء. في حد ذاته ، لن يكون هذا دليلًا ، على الرغم من الحاجة إلى وجود مصدر دائم لتجديد O2 في الغلاف الجوي للحفاظ على O3. إذا تم العثور على الميثان أيضًا ، فيمكننا أن نشعر بالحماس الشديد لأن الميثان والأكسجين لا يتعايشان جيدًا.


قد يكشف تلسكوب الفضاء التالي التابع لناسا عن تفاصيل حول كواكب TRAPPIST-1 ، لكن هناك مشكلة واحدة

ال تلسكوب جيمس ويب الفضائي يمكن لـ (Webb) جمع معلومات مهمة حول الغلاف الجوي للكواكب في نظام الكواكب TRAPPIST-1وجدت دراسة جديدة أن العائق الأكبر قد يكون السحب.

إن البحث عن الحياة والعوالم التي يمكن أن تدعم الحياة نظريًا كما نعرفها هنا على الأرض يعتمد على قدرة البشر على استكشاف ودراسة أركان الكون البعيدة عن الوطن. ويب ، التي من المقرر إطلاقها في عام 2021، له أربعة أهداف رئيسية: اكتشاف الضوء من النجوم والمجرات الأولى التي تشكلت في الكون ، ودراسة أنظمة الكواكب ، وفحص تكوين النجوم وأنظمة الكواكب ، والتحقيق في أصول الحياة. يأمل العلماء أنه من خلال السعي وراء هذه الأهداف ، يمكن للتلسكوب أيضًا أن يعزز البحث عن الحياة.

يهتم العلماء بشكل خاص بنظام TRAPPIST-1 لأنه ، على الرغم من المحاكاة في الدراسات السابقة لقد أظهروا ذلك من المحتمل أن تكون معظم العوالم الموجودة في هذا النظام غير صالحة للسكن ، ويمكن أن يستضيف one & mdash TRAPPIST-1e & mdash المياه السائلة ويكون قادرًا على دعم الحياة كما نعرفها.

أجرى الباحثون في هذه الدراسة الجديدة عمليات محاكاة باستخدام نظام TRAPPIST-1 و [مدش] وهو نظام كوكبي يبعد 39 سنة ضوئية يحتوي على سبعة كواكب خارجية مؤكدة تدور حول نجم فائق البرودة و [مدش] كأرض اختبار لقدرات التلسكوب المحتملة. وجدوا من الناحية النظرية ، يمكن لـ Webb اكتشاف أجواء جميع العوالم السبعة في النظام في أقل من 10 مرات عبور ، أو يمر أمام نجمه المضيف.

وجد الفريق ، بقيادة Jacob Lustig-Yaeger ، طالب الدكتوراه في علم الفلك بجامعة واشنطن ، أن التلسكوب يمكنه القيام بذلك باستخدام أداة على متن الطائرة تسمى الطيف تحت الأحمر القريب.

يكتشف علماء الفلك ويدرسون الكواكب الخارجية مثل تلك الموجودة في TRAPPIST-1 من خلال رصدها عندما تعبر نجمها. من خلال دراسة الضوء الذي يمر عبر الغلاف الجوي للكوكب أثناء مروره بنجمه ، يمكن للعلماء اكتشاف الاختلافات في اللون وطول الموجة التي تنشأ عندما يمر الضوء عبر غازات مختلفة في الغلاف الجوي للكوكب.

"نظرًا لأن كل غاز له" بصمة طيفية "فريدة ، يمكننا تحديدها والبدء في تجميع تكوين الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية ،" Lustig-Yaeger قال في بيان.

يهتم العلماء بشكل خاص بنظام TRAPPIST-1 لأنه ، على الرغم من المحاكاة في الدراسات السابقة لقد أظهروا ذلك من المحتمل أن تكون معظم العوالم الموجودة في هذا النظام غير صالحة للسكن ، ويمكن أن يستضيف one & mdash TRAPPIST-1e & mdash المياه السائلة ويكون قادرًا على دعم الحياة كما نعرفها.

ومع ذلك ، وجد الفريق أنه على الرغم من أن ويب يمكنه اكتشاف ودراسة الغلاف الجوي لجميع الكواكب في TRAPPIST-1 خلال السنة الأولى من تشغيل التلسكوب ، إلا أنه سيتم إعاقته بشكل كبير بسبب السحب. "وجدنا أن التحليل الطيفي للإرسال باستخدام المنشور الطيفي للأشعة تحت الحمراء القريبة هو الأمثل لاكتشاف الغلاف الجوي الأرضي الذي يحتوي على ثاني أكسيد الكربون ، ويحتمل أن يكون ذلك في أقل من 10 عمليات عبور لجميع كواكب TRAPPIST-1 السبعة ، إذا كانت تفتقر إلى الهباء الجوي على ارتفاعات عالية ،" أو السحب ، ملخص الدراسة تنص على.

في حين قد يستغرق Webb أقل من 10 مرات عبور لاكتشاف الغلاف الجوي في عالم خالٍ من السحابة في النظام ، فقد يستغرق التلسكوب أكثر من 30 عملية عبور للعثور على كوكب محاط بسحب كثيفة ، وفقًا للبيان. ولكن على الرغم من أن السحب (التي قد تكون موجودة أو غير موجودة في عوالم TRAPPIST-1) قد تمثل تحديًا ، إلا أنها ليست حاجزًا كاملاً.

وقال Lustig-Yaeger في نفس البيان: "حتى في حالة السحب الواقعية على ارتفاعات عالية ، سيظل تلسكوب جيمس ويب قادرًا على اكتشاف وجود الغلاف الجوي و [مدش] الذي لم يكن معروفًا قبل ورقتنا".

لا يزال يتعين على العلماء تأكيد أي من الكواكب في TRAPPIST-1 ، إن وجدت ، لها غلاف جوي. يمكن لـ Webb التحقق من وجود أي أجواء وحتى تحليل تركيباتها.

قال Lustig-Yaeger: "هناك سؤال كبير في هذا المجال في الوقت الحالي: ما إذا كانت هذه الكواكب لها غلاف جوي ، خاصة الكواكب الأعمق". "بمجرد أن نتأكد من وجود أغلفة جوية ، فما الذي يمكن أن نتعلمه عن الغلاف الجوي لكل كوكب و mdash الجزيئات التي تتكون منه؟"


طريقة جديدة لاكتشاف الغلاف الجوي على الكواكب الخارجية الصخرية باستخدام تلسكوب ويب الفضائي

يُظهر انطباع هذا الفنان كوكبًا خارجيًا صخريًا مع جو غائم وهادئ يدور حول نجم قزم أحمر. حدد علماء الفلك طريقة جديدة يمكن أن تسمح لـ Webb باكتشاف الغلاف الجوي لكوكب خارج المجموعة الشمسية في غضون ساعات قليلة من وقت المراقبة. الائتمان: L. Hustak و J. Olmsted (STScI)

عندما يتم إطلاق تلسكوب جيمس ويب الفضائي التابع لناسا في عام 2021 ، ستكون إحدى أكثر مساهماته المتوقعة في علم الفلك هي دراسة الكواكب الخارجية - الكواكب التي تدور حول نجوم بعيدة. من بين الأسئلة الأكثر إلحاحًا في علم الكواكب الخارجية: هل يمكن لكوكب خارجي صخري صغير يدور بالقرب من نجم قزم أحمر أن يحتفظ بالغلاف الجوي؟

في سلسلة من أربع ورقات في مجلة الفيزياء الفلكيةيقترح فريق من علماء الفلك طريقة جديدة لاستخدام Webb لتحديد ما إذا كان كوكب خارجي صخري له غلاف جوي. هذه التقنية ، التي تتضمن قياس درجة حرارة الكوكب أثناء مروره خلف نجمه ثم العودة للعرض ، أسرع بكثير من الطرق التقليدية للكشف عن الغلاف الجوي مثل التحليل الطيفي للإرسال.

قال جاكوب بين من جامعة شيكاغو ، وهو مؤلف مشارك في ثلاثة من أوراق.

يهتم علماء الفلك بشكل خاص بالكواكب الخارجية التي تدور حول النجوم القزمة الحمراء لعدد من الأسباب. هذه النجوم ، الأصغر والأبرد من الشمس ، هي أكثر أنواع النجوم شيوعًا في مجرتنا. أيضًا ، نظرًا لأن القزم الأحمر صغير ، فإن الكوكب الذي يمر أمامه سيبدو وكأنه يحجب جزءًا أكبر من ضوء النجم # 8217s مما لو كان النجم أكبر ، مثل شمسنا. هذا يجعل من السهل اكتشاف الكوكب الذي يدور حول قزم أحمر من خلال هذه التقنية & # 8220transit & # 8221.

تنتج الأقزام الحمراء أيضًا حرارة أقل بكثير من شمسنا ، لذا للاستمتاع بدرجات حرارة صالحة للسكن ، يحتاج الكوكب إلى الدوران بالقرب من نجم قزم أحمر. في الواقع ، لكي تكون في المنطقة الصالحة للسكن - المنطقة المحيطة بالنجم حيث يمكن أن توجد المياه السائلة على سطح كوكب & # 8217s - يجب أن يدور الكوكب بالقرب من النجم أكثر من عطارد من الشمس. نتيجة لذلك ، سوف يعبر النجم بشكل متكرر ، مما يجعل الملاحظات المتكررة أسهل.

لكن الكوكب الذي يدور حول قزم أحمر يخضع لظروف قاسية. الأقزام الحمراء الشابة نشطة للغاية ، وتطلق مشاعل ضخمة وانفجارات بلازما. يصدر النجم أيضًا رياحًا قوية من الجسيمات المشحونة. كل هذه التأثيرات يمكن أن تجرف الغلاف الجوي للكوكب ، تاركة ورائها صخرة عارية.

قال بين "فقدان الغلاف الجوي هو التهديد الوجودي الأول لصلاحية الكواكب للسكن".

من السمات الرئيسية الأخرى للكواكب الخارجية التي تدور بالقرب من الأقزام الحمراء ، أنها أساسية في التقنية الجديدة: من المتوقع أن تكون مقفلة تدريجيًا ، مما يعني أن لها جانبًا ليليًا ونهارًا دائمًا. نتيجة لذلك ، نرى أطوارًا مختلفة للكوكب في نقاط مختلفة في مداره. عندما يعبر وجه النجم ، نرى فقط الجانب الليلي للكوكب. ولكن عندما يكون على وشك العبور خلف النجم (حدث يُعرف بالكسوف الثانوي) ، أو يخرج للتو من خلف النجم ، يمكننا أن نلاحظ جانب النهار.

إذا كان كوكب خارجي صخري يفتقر إلى الغلاف الجوي ، فسيكون جانبه حارًا جدًا ، تمامًا كما نرى مع القمر أو عطارد. ومع ذلك ، إذا كان كوكب خارجي صخري له غلاف جوي ، فمن المتوقع أن يؤدي وجود هذا الغلاف الجوي إلى خفض درجة حرارة النهار التي سيقيسها ويب. يمكن أن تفعل هذا بطريقتين. يمكن للجو السميك أن ينقل الحرارة من النهار إلى الليل عبر الرياح. لا يزال بإمكان الغلاف الجوي الرقيق استضافة السحب ، والتي تعكس جزءًا من ضوء النجوم القادم مما يؤدي إلى خفض درجة حرارة الكوكب & # 8217s بجانب النهار.

"كلما أضفت جوًا ، فإنك ستخفض درجة الحرارة في يومنا هذا. أوضح دانيال كول من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ، المؤلف الرئيسي في ورقتين من الأوراق ، أنه إذا رأينا شيئًا أكثر برودة من الصخور العارية ، فسنستنتج أنه من المحتمل أن يكون علامة على وجود الغلاف الجوي.

يعد Webb مناسبًا بشكل مثالي لإجراء هذه القياسات لأنه يحتوي على مرآة أكبر بكثير من التلسكوبات الأخرى مثل التلسكوبات الفضائية Hubble أو Spitzer التابعة لناسا و # 8217s ، مما يسمح له بجمع المزيد من الضوء ، ويمكنه استهداف الأطوال الموجية المناسبة للأشعة تحت الحمراء.

تُظهر حسابات الفريق أن Webb يجب أن يكون قادرًا على اكتشاف التوقيع الحراري لكوكب وغلاف جوي # 8217 في خسوف ثانوي أو خسوفين ثانويين - فقط بضع ساعات من وقت المراقبة. على النقيض من ذلك ، فإن اكتشاف الغلاف الجوي من خلال الملاحظات الطيفية يتطلب عادةً ثمانية أو أكثر من عمليات العبور لنفس هذه الكواكب.

كما أن التحليل الطيفي للإرسال ، الذي يدرس ضوء النجوم الذي يتم ترشيحه عبر الغلاف الجوي للكوكب ، يعاني أيضًا من التداخل الناجم عن السحب أو المخاطر ، والتي يمكن أن تحجب التواقيع الجزيئية للغلاف الجوي. في هذه الحالة ، ستكون المؤامرة الطيفية ، بدلاً من إظهار خطوط امتصاص واضحة بسبب الجزيئات ، مسطحة بشكل أساسي.

"في التحليل الطيفي للإرسال ، إذا حصلت على خط مسطح ، فلن يخبرك بأي شيء. قد يعني الخط المسطح أن الكون مليء بالكواكب الميتة التي ليس لها غلاف جوي ، أو أن الكون مليء بالكواكب التي تحتوي على مجموعة كاملة من الأجواء المتنوعة والمثيرة للاهتمام ، لكنها جميعًا تبدو متشابهة بالنسبة لنا لأنها " قالت إليزا كيمبتون من جامعة ماريلاند ، وهي مؤلفة مشاركة في ثلاث من الأوراق:

وأضافت: "الغلاف الجوي لكواكب خارج المجموعة الشمسية بدون سحب وضباب يشبه أحادي القرن - لم نرهم بعد ، وقد لا يكونون موجودين على الإطلاق".

أكد الفريق أن درجة حرارة أبرد من المتوقع ستكون دليلًا مهمًا ، لكنها لن تؤكد تمامًا وجود الغلاف الجوي. يمكن استبعاد أي شكوك متبقية حول وجود الغلاف الجوي من خلال دراسات المتابعة باستخدام طرق أخرى مثل التحليل الطيفي للإرسال.

ستتمثل القوة الحقيقية للتقنية الجديدة في تحديد جزء الكواكب الخارجية الصخرية التي يحتمل أن يكون لها غلاف جوي. تم اكتشاف ما يقرب من عشرة من الكواكب الخارجية التي تعد مرشحة جيدة لهذه الطريقة خلال العام الماضي. من المحتمل العثور على المزيد بحلول وقت تشغيل Webb.

صرح كيمبتون أن "قمر مسح الكواكب الخارجية العابرة ، أو TESS ، يعثر على أكوام من هذه الكواكب".

طريقة الكسوف الثانوية لها قيود رئيسية واحدة: إنها تعمل بشكل أفضل على الكواكب شديدة الحرارة بحيث لا يمكن وضعها في المنطقة الصالحة للسكن. ومع ذلك ، فإن تحديد ما إذا كانت هذه الكواكب الساخنة تستضيف أغلفة جوية لها آثار مهمة على كواكب المنطقة الصالحة للحياة.

قال كول: "إذا تمكنت الكواكب الساخنة من التمسك بالغلاف الجوي ، فيجب أن تكون الكواكب الأكثر برودة قادرة على ذلك على الأقل".

سيكون تلسكوب جيمس ويب الفضائي هو المرصد الأول لعلوم الفضاء في العالم عند إطلاقه في عام 2021. وسيحل Webb الألغاز في نظامنا الشمسي ، ويتطلع إلى ما وراء ذلك إلى عوالم بعيدة حول النجوم الأخرى ، ويسبر الهياكل الغامضة وأصول الكون و مكاننا فيه. Webb هو مشروع دولي تقوده وكالة ناسا مع شركائها ESA (وكالة الفضاء الأوروبية) ووكالة الفضاء الكندية.


هل يمكن للحياة أن تنجو من موت نجم؟ يمكن أن يكشف تلسكوب ويب عن الإجابة

ينتج الكوكب الذي يدور حول نجم صغير إشارات قوية في الغلاف الجوي عندما يمر أمامه ، أو "يعبر" نجمه المضيف ، كما هو موضح في الصورة أعلاه. تقدم الأقزام البيضاء لعلماء الفلك فرصة نادرة لتوصيف الكواكب الصخرية. الائتمان: معهد كارل ساجان

عندما تموت نجوم مثل شمسنا ، كل ما تبقى هو نواة مكشوفة - قزم أبيض. يقدم الكوكب الذي يدور حول قزم أبيض فرصة واعدة لتحديد ما إذا كانت الحياة قادرة على البقاء على قيد الحياة بعد موت نجمه ، وفقًا لباحثي جامعة كورنيل.

في دراسة نشرت في رسائل مجلة الفيزياء الفلكية، فقد أظهروا كيف يمكن لتلسكوب جيمس ويب الفضائي القادم التابع لناسا أن يجد بصمات الحياة على كواكب شبيهة بالأرض تدور حول أقزام بيضاء.

ينتج الكوكب الذي يدور حول نجم صغير إشارات قوية في الغلاف الجوي عندما يمر أمام نجمه المضيف أو "يعبر". تدفع الأقزام البيضاء هذا إلى أقصى الحدود: فهي أصغر بمئة مرة من شمسنا ، وتقريباً صغيرة مثل الأرض ، مما يمنح علماء الفلك فرصة نادرة لتوصيف الكواكب الصخرية.

وقالت ليزا كالتينيجر ، الأستاذة المشاركة في علم الفلك في كلية الآداب والعلوم ومديرة معهد كارل ساجان: "إذا كانت الكواكب الصخرية موجودة حول الأقزام البيضاء ، فيمكننا رصد علامات الحياة عليها في السنوات القليلة المقبلة".

قال المؤلف الرئيسي المشارك ريان ماكدونالد ، وهو باحث مشارك في المعهد ، إن تلسكوب جيمس ويب الفضائي ، المقرر إطلاقه في أكتوبر 2021 ، في وضع فريد للعثور على بصمات الحياة على الكواكب الخارجية الصخرية.

قال ماكدونالد: "عند مراقبة كواكب شبيهة بالأرض تدور حول أقزام بيضاء ، يستطيع تلسكوب جيمس ويب الفضائي اكتشاف الماء وثاني أكسيد الكربون في غضون ساعات". "يومين من مراقبة الوقت باستخدام هذا التلسكوب القوي سيسمح باكتشاف غازات ذات بصمة حيوية ، مثل الأوزون والميثان."

يثبت اكتشاف أول كوكب عملاق عابر يدور حول قزم أبيض (WD 1856 + 534b) ، في ورقة منفصلة - بقيادة المؤلف المشارك أندرو فاندربيرغ ، الأستاذ المساعد في جامعة ويسكونسن ، ماديسون - وجود كواكب حول الأبيض الأقزام. كالتينيجر هو مؤلف مشارك في هذه الورقة أيضًا.

هذا الكوكب عملاق غازي وبالتالي فهو غير قادر على الحفاظ على الحياة. لكن وجودها يشير إلى أن الكواكب الصخرية الأصغر ، التي يمكن أن تحافظ على الحياة ، يمكن أن توجد أيضًا في المناطق الصالحة للسكن للأقزام البيضاء.

قال ماكدونالد: "نحن نعلم الآن أن الكواكب العملاقة يمكن أن توجد حول الأقزام البيضاء ، والأدلة تمتد إلى أكثر من 100 عام تظهر أن المواد الصخرية تلوث الضوء من الأقزام البيضاء. هناك بالتأكيد صخور صغيرة في أنظمة الأقزام البيضاء". "إنها قفزة منطقية أن تتخيل كوكبًا صخريًا مثل الأرض يدور حول قزم أبيض."

قام الباحثون بدمج تقنيات التحليل الحديثة المستخدمة بشكل روتيني للكشف عن الغازات في الغلاف الجوي للكواكب الخارجية العملاقة مع تلسكوب هابل الفضائي مع الغلاف الجوي النموذجي للكواكب القزمة البيضاء من أبحاث كورنيل السابقة.

يبحث القمر الصناعي العابر لاستطلاع الكواكب الخارجية التابع لناسا عن مثل هذه الكواكب الصخرية حول الأقزام البيضاء. إذا ومتى تم العثور على أحد هذه العوالم ، طورت كالتينيجر وفريقها النماذج والأدوات لتحديد علامات الحياة في الغلاف الجوي للكوكب. يمكن أن يبدأ تلسكوب ويب هذا البحث قريبًا.

قال كالتينيجر إن الآثار المترتبة على العثور على بصمات الحياة على كوكب يدور حول قزم أبيض عميقة. معظم النجوم ، بما في ذلك شمسنا ، سينتهي بها الأمر يومًا ما كأقزام بيضاء.

"ماذا لو لم يكن موت النجم نهاية الحياة؟" قالت. "هل يمكن أن تستمر الحياة ، حتى بعد موت شمسنا؟ علامات الحياة على الكواكب التي تدور حول الأقزام البيضاء لن تُظهر فقط تماسك الحياة المذهل ، ولكن ربما أيضًا لمحة عن مستقبلنا."


تلسكوب ويب التابع لناسا لدراسة الكواكب الخارجية الصغيرة على الحافة

إلى اليسار: هذه صورة للنجم HR 8799 تم التقاطها بواسطة كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة من هابل ومطياف الأجسام المتعددة (NICMOS) في عام 1998. يحجب قناع داخل الكاميرا (كوروناجراف) معظم الضوء من النجم. استخدم علماء الفلك أيضًا برنامجًا لطرح المزيد من ضوء النجوم رقميًا. ومع ذلك ، يهيمن الضوء المتناثر من HR 8799 على الصورة ، مما يحجب أربعة كواكب خافتة اكتشفت لاحقًا من الملاحظات الأرضية. إلى اليمين: كشفت إعادة تحليل بيانات NICMOS في عام 2011 عن ثلاثة من الكواكب الخارجية ، والتي لم تكن موجودة في صور عام 1998. وسيسبر ويب Webb الغلاف الجوي للكواكب عند أطوال موجات الأشعة تحت الحمراء التي نادرًا ما يستخدمها علماء الفلك لتصوير عوالم بعيدة. الائتمان: NASA و ESA و R. Soummer (STScI)

قبل اكتشاف الكواكب حول النجوم الأخرى لأول مرة في التسعينيات ، كانت هذه العوالم الغريبة البعيدة تعيش فقط في خيال كتاب الخيال العلمي.

ولكن حتى عقولهم الإبداعية لم يكن بإمكانهم تصور مجموعة متنوعة من العوالم التي اكتشفها علماء الفلك. العديد من هذه العوالم ، التي تسمى الكواكب الخارجية ، تختلف اختلافًا كبيرًا عن عائلة الكواكب في نظامنا الشمسي. وهي تتراوح بين "كواكب المشتري الساخنة" التي تعانق النجوم إلى الكواكب الصخرية الضخمة التي يطلق عليها اسم "الأرض الفائقة". يبدو أن كوننا أغرب من الخيال.

إن رؤية هذه العوالم البعيدة ليس بالأمر السهل لأنها تضيع في وهج نجومها المضيفة. إن محاولة اكتشافها تشبه الإجهاد لرؤية يراعة تحوم بجوار منارة المنارة اللامعة.

لهذا السبب حدد علماء الفلك معظم الكواكب الخارجية التي يزيد عددها عن 4000 والتي تم العثور عليها حتى الآن باستخدام تقنيات غير مباشرة ، مثل التذبذب الطفيف للنجم أو تعتيمه غير المتوقع أثناء مرور كوكب أمامه ، مما يحجب بعض ضوء النجوم.

ومع ذلك ، تعمل هذه التقنيات بشكل أفضل مع الكواكب التي تدور بالقرب من نجومها ، حيث يمكن لعلماء الفلك اكتشاف التغيرات على مدار أسابيع أو حتى أيام عندما يكمل الكوكب مداره في مسار السباق. لكن العثور على الكواكب التي تعتمد على النجوم فقط لا يوفر لعلماء الفلك صورة شاملة لجميع العوالم الممكنة في أنظمة النجوم.

يوضح هذا التخطيط مواقع الكواكب الخارجية الأربعة التي تدور بعيدًا عن النجم القريب HR 8799. تظهر المدارات مستطيلة بسبب ميل طفيف لمستوى المدارات بالنسبة إلى خط رؤيتنا. إن حجم نظام الكواكب HR 8799 يمكن مقارنته بنظامنا الشمسي ، كما يتضح من مدار نبتون ، كما هو موضح على نطاق واسع. الائتمان: NASA و ESA و R. Soummer (STScI)

هناك تقنية أخرى يستخدمها الباحثون في البحث عن الكواكب الخارجية ، وهي كواكب تدور حول نجوم أخرى ، وهي تقنية تركز على الكواكب البعيدة عن وهج النجم المسبب للعمى. اكتشف العلماء كواكب خارجية شابة شديدة الحرارة لدرجة أنها تتوهج في ضوء الأشعة تحت الحمراء باستخدام تقنيات تصوير متخصصة تحجب الوهج عن النجم. بهذه الطريقة ، يمكن رؤية ودراسة بعض الكواكب الخارجية مباشرة.

سيساعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي القادم من ناسا علماء الفلك على استكشاف هذه الحدود الجديدة الجريئة. ويب ، مثل بعض التلسكوبات الأرضية ، مزود بأنظمة بصرية خاصة تسمى كوروناجرافس ، والتي تستخدم أقنعة مصممة لحجب أكبر قدر ممكن من ضوء النجوم لدراسة الكواكب الخارجية الباهتة واكتشاف عوالم جديدة.

هدفان في وقت مبكر من مهمة ويب هما أنظمة الكواكب 51 Eridani و HR 8799. من بين بضع عشرات من الكواكب التي تم تصويرها بشكل مباشر ، يخطط علماء الفلك لاستخدام Webb لتحليل الأنظمة الأقرب إلى الأرض بالتفصيل والتي تحتوي على كواكب على أوسع فواصل من الكواكب. النجوم. هذا يعني أنها تبدو بعيدة بما فيه الكفاية عن وهج النجم ليتم ملاحظتها مباشرة. يقع نظام HR 8799 على بعد 133 سنة ضوئية و 51 Eridani على بعد 96 سنة ضوئية من الأرض.

أهداف الكواكب Webb

يجمع برنامجان للرصد في وقت مبكر من مهمة ويب بين القدرات الطيفية لمطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRSpec) وتصوير كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRCam) وجهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) لدراسة الكواكب العملاقة الأربعة في نظام HR 8799. في برنامج ثالث ، سيستخدم الباحثون NIRCam لتحليل الكوكب العملاق في 51 Eridani.

التقطت هذه الصورة الاستكشافية لكوكب خارج المجموعة الشمسية بحجم كوكب المشتري يدور حول النجم القريب 51 Eridani في ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة في عام 2014 بواسطة Gemini Planet Imager. يتم إخفاء النجم المركزي اللامع خلف قناع في وسط الصورة لتمكين اكتشاف كوكب خارج المجموعة الشمسية ، والذي هو أكثر خفوتًا بمليون مرة من 51 Eridani. يقع كوكب خارج المجموعة الشمسية على أطراف نظام الكواكب على بعد 11 مليار ميل من نجمه. وسيسبر ويب Webb الغلاف الجوي للكوكب في موجات الأشعة تحت الحمراء التي نادرًا ما يستخدمها علماء الفلك لتصوير عوالم بعيدة. الائتمان: مرصد الجوزاء الدولي / NOIRLab / NSF / AURA ، ج. رامو (جامعة مونتريال) ، و C. Marois (المجلس الوطني للبحوث في كندا هيرزبرج

يبلغ حجم كل من الكواكب الأربعة العملاقة في نظام HR 8799 حوالي 10 من كتل المشتري. إنهم يدورون على بعد أكثر من 14 مليار ميل من نجم أكبر بقليل من الشمس. الكوكب العملاق في 51 Eridani هو ضعف كتلة المشتري ويدور على بعد حوالي 11 مليار ميل من نجم شبيه بالشمس. كلا نظامي الكواكب لهما مدارات موجهة وجهاً لوجه نحو الأرض. يمنح هذا الاتجاه علماء الفلك فرصة فريدة للحصول على نظرة شاملة لأسفل أعلى الأنظمة ، مثل النظر إلى الحلقات متحدة المركز على هدف الرماية.

تختلف العديد من الكواكب الخارجية الموجودة في المدارات الخارجية لنجومها اختلافًا كبيرًا عن كواكب نظامنا الشمسي. معظم الكواكب الخارجية المكتشفة في هذه المنطقة الخارجية ، بما في ذلك تلك الموجودة في HR 8799 ، يتراوح حجمها بين خمسة وعشرة كتل من كوكب المشتري ، مما يجعلها أكبر الكواكب التي تم اكتشافها حتى الآن.

هذه الكواكب الخارجية الخارجية صغيرة نسبيًا ، حيث يتراوح عمرها من عشرات الملايين إلى مئات الملايين من السنين - وهي أصغر بكثير من 4.5 مليار سنة في نظامنا الشمسي. لذلك لا يزالون يتوهجون بالحرارة من تكوينهم. صور هذه الكواكب الخارجية هي في الأساس صور أطفال ، تكشف عن الكواكب في شبابها.

سوف يسبر Webb الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ، وهو مدى طول موجي نادراً ما استخدمه علماء الفلك من قبل لتصوير عوالم بعيدة. من الصعب ملاحظة "نافذة" الأشعة تحت الحمراء هذه من الأرض بسبب الانبعاث الحراري والامتصاص في الغلاف الجوي للأرض.

قال كلاوس هوداب من جامعة هاواي في هيلو ، الباحث الرئيسي في ملاحظات NIRSpec لنظام HR 8799: "النقطة القوية لـ Webb هي الضوء غير المحظور القادم عبر الفضاء في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة". "الغلاف الجوي للأرض صعب جدًا للعمل من خلاله. جزيئات الامتصاص الرئيسية في غلافنا الجوي تمنعنا من رؤية ميزات مثيرة للاهتمام في الكواكب."

منتصف الأشعة تحت الحمراء "هي المنطقة التي سيقدم فيها ويب حقًا مساهمات أساسية لفهم ماهية الجزيئات المعينة ، وما هي خصائص الغلاف الجوي التي نأمل أن نجدها والتي لا نحصل عليها حقًا من الأشعة تحت الحمراء الأقصر القريبة. قال تشارلز بيشمان من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا في باسادينا ، كاليفورنيا ، الباحث الرئيسي في ملاحظات NIRCam و MIRI لنظام HR 8799: "أطوال موجية". "سنبني على ما فعلته المراصد الأرضية ، لكن الهدف هو التوسع في ذلك بطريقة ستكون مستحيلة بدون ويب".

أحد الأهداف الرئيسية للباحثين في كلا النظامين هو استخدام Webb للمساعدة في تحديد كيفية تشكل الكواكب الخارجية. هل تم إنشاؤها من خلال تراكم المواد في القرص المحيط بالنجم ، والمخصب بالعناصر الثقيلة مثل الكربون ، تمامًا كما فعل المشتري على الأرجح؟ أم أنها تشكلت من انهيار سحابة الهيدروجين ، مثل النجم ، وأصبحت أصغر تحت تأثير الجاذبية التي لا هوادة فيها؟

يمكن أن يوفر مكياج الغلاف الجوي أدلة على ولادة كوكب. قال بيشمان: "أحد الأشياء التي نرغب في فهمها هو نسبة العناصر التي ساهمت في تكوين هذه الكواكب". "على وجه الخصوص ، يخبرك الكربون مقابل الأكسجين بالكثير عن مصدر الغاز الذي شكل الكوكب. هل أتى من قرص تراكم الكثير من العناصر الثقيلة أم أنه أتى من وسط بين نجمي؟ نسمي نسبة الكربون إلى الأكسجين التي تدل تمامًا على آليات التكوين ".

للإجابة على هذه الأسئلة ، سيستخدم الباحثون Webb لبحث أعمق في الغلاف الجوي للكواكب الخارجية. على سبيل المثال ، ستقوم NIRCam بقياس بصمات الأصابع في الغلاف الجوي لعناصر مثل الميثان. كما سينظر في ميزات السحابة ودرجات حرارة هذه الكواكب. قال مارشال بيرين من معهد علوم تلسكوب الفضاء في بالتيمور ، ماريلاند ، المحقق الرئيسي في ملاحظات NIRCam لـ 51 Eridani b: "لدينا بالفعل الكثير من المعلومات حول الأطوال الموجية للأشعة تحت الحمراء القريبة من المنشآت الأرضية". "لكن البيانات من ويب ستكون أكثر دقة وحساسية بكثير. سيكون لدينا مجموعة كاملة من الأطوال الموجية ، بما في ذلك ملء الفجوات حيث لا يمكنك الحصول على تلك الأطوال الموجية من الأرض."

سيستخدم علماء الفلك أيضًا Webb وحساسيته الرائعة للبحث عن كواكب أقل ضخامة بعيدًا عن نجمهم. وقال بيرين: "من الملاحظات الأرضية ، نعلم أن هذه الكواكب الضخمة نادرة نسبيًا". "لكننا نعلم أيضًا أنه بالنسبة للأجزاء الداخلية من الأنظمة ، فإن الكواكب ذات الكتلة الأقل أكثر شيوعًا بشكل كبير من الكواكب ذات الكتلة الأكبر. لذا فإن السؤال هو ، هل ينطبق هذا أيضًا على هذه الفواصل الإضافية؟" وأضاف بيتشمان: "إن عملية ويب في البيئة الباردة للفضاء تسمح بالبحث عن كواكب أصغر وأكثر خفوتًا ، يستحيل اكتشافها من الأرض".

الهدف الآخر هو فهم كيفية إنشاء أنظمة الكواكب التي لا تعد ولا تحصى والتي تم اكتشافها حتى الآن.

قال بيرين: "أعتقد أن ما نجده هو أن هناك تنوعًا هائلاً في أنظمة الطاقة الشمسية". "لديك أنظمة حيث توجد كواكب المشتري الساخنة هذه في مدارات قريبة جدًا. لديك أنظمة لا توجد بها. لديك أنظمة حيث لديك كوكب كتلته 10 جوبيتر وتلك التي لا يوجد فيها شيء أكبر من العديد من الكواكب الأرضية .نريد في النهاية أن نفهم كيف يعتمد تنوع تكوين نظام الكواكب على بيئة النجم ، وكتلة النجم ، وجميع أنواع الأشياء الأخرى ، وفي النهاية من خلال هذه الدراسات على مستوى السكان ، نأمل أن نضع نظامنا الشمسي في سياق الكلام."

تعد ملاحظات NIRSpec الطيفية لـ HR 8799 وملاحظات NIRCam لـ 51 Eridani جزءًا من برامج Guaranteed Time Observations التي سيتم إجراؤها بعد وقت قصير من إطلاق Webb في وقت لاحق من هذا العام. تعد ملاحظات NIRCam و MIRI الخاصة بالموارد البشرية 8799 بمثابة تعاون بين فريقي أجهزة وهي أيضًا جزء من برنامج Guaranteed Time Observations.


عنوان صندوق البحث

قبل اكتشاف الكواكب حول النجوم الأخرى لأول مرة في التسعينيات ، كانت هذه العوالم الغريبة البعيدة تعيش فقط في خيال كتاب الخيال العلمي.

ولكن حتى عقولهم الإبداعية لم يكن بإمكانهم تصور مجموعة متنوعة من العوالم التي اكتشفها علماء الفلك. العديد من هذه العوالم ، التي تسمى الكواكب الخارجية ، تختلف اختلافًا كبيرًا عن مجموعة الكواكب في نظامنا الشمسي. وهي تتراوح بين "كواكب المشتري الساخنة" التي تعانق النجوم إلى الكواكب الصخرية الضخمة التي يطلق عليها اسم "الأرض الفائقة". يبدو أن كوننا أغرب من الخيال.

ليس من السهل رؤية هذه العوالم البعيدة لأنها تضيع في وهج نجوم مضيفيهم. إن محاولة اكتشافها تشبه الإجهاد لرؤية يراعة تحوم بجوار منارة مضيئة في المنارة.

لهذا السبب حدد علماء الفلك معظم الكواكب الخارجية التي يزيد عددها عن 4000 والتي تم العثور عليها حتى الآن باستخدام تقنيات غير مباشرة ، مثل التذبذب الطفيف للنجم أو تعتيمه غير المتوقع أثناء مرور كوكب أمامه ، مما يحجب بعض ضوء النجوم.

ومع ذلك ، تعمل هذه التقنيات بشكل أفضل مع الكواكب التي تدور بالقرب من نجومها ، حيث يمكن لعلماء الفلك اكتشاف التغيرات على مدار أسابيع أو حتى أيام عندما يكمل الكوكب مداره في مسار السباق. لكن العثور على الكواكب التي تعتمد على النجوم فقط لا يوفر لعلماء الفلك صورة شاملة لجميع العوالم الممكنة في أنظمة النجوم.

هناك تقنية أخرى يستخدمها الباحثون في البحث عن الكواكب الخارجية ، وهي كواكب تدور حول نجوم أخرى ، وهي تقنية تركز على الكواكب البعيدة عن وهج النجم المسبب للعمى. اكتشف العلماء ، باستخدام تقنيات التصوير المتخصصة التي تحجب الوهج عن النجم ، كواكب خارجية صغيرة شديدة الحرارة لدرجة أنها تتوهج في ضوء الأشعة تحت الحمراء. بهذه الطريقة ، يمكن رؤية ودراسة بعض الكواكب الخارجية مباشرة.

سيساعد تلسكوب جيمس ويب الفضائي القادم التابع لوكالة ناسا علماء الفلك على استكشاف هذه الحدود الجديدة الجريئة. ويب ، مثل بعض التلسكوبات الأرضية ، مزود بأنظمة بصرية خاصة تسمى كوروناجرافس ، والتي تستخدم أقنعة مصممة لحجب أكبر قدر ممكن من ضوء النجوم لدراسة الكواكب الخارجية الباهتة واكتشاف عوالم جديدة.

هدفان في وقت مبكر من مهمة ويب هما أنظمة الكواكب 51 Eridani و HR 8799. من بين بضع عشرات من الكواكب التي تم تصويرها بشكل مباشر ، يخطط علماء الفلك لاستخدام Webb لتحليل الأنظمة الأقرب إلى الأرض بالتفصيل والتي تحتوي على كواكب على أوسع فواصل من الكواكب. النجوم. هذا يعني أنها تبدو بعيدة بما يكفي عن وهج النجم ليتم ملاحظتها مباشرة. يقع نظام HR 8799 على بعد 133 سنة ضوئية و 51 Eridani على بعد 96 سنة ضوئية من الأرض.

أهداف الكواكب Webb

يجمع برنامجان للرصد في وقت مبكر من مهمة ويب بين القدرات الطيفية لمطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRSpec) وتصوير كاميرا الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIRCam) وجهاز الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (MIRI) لدراسة الكواكب العملاقة الأربعة في نظام HR 8799. في برنامج ثالث ، سيستخدم الباحثون NIRCam لتحليل الكوكب العملاق في 51 Eridani.

يبلغ حجم كل من الكواكب الأربعة العملاقة في نظام HR 8799 حوالي 10 من كتل المشتري. إنهم يدورون على بعد أكثر من 14 مليار ميل من نجم أكبر بقليل من الشمس. الكوكب العملاق في 51 Eridani هو ضعف كتلة المشتري ويدور على بعد حوالي 11 مليار ميل من نجم شبيه بالشمس. كلا نظامي الكواكب لهما مدارات موجهة وجهاً لوجه نحو الأرض. يمنح هذا الاتجاه علماء الفلك فرصة فريدة للحصول على نظرة شاملة لأسفل أعلى الأنظمة ، مثل النظر إلى الحلقات متحدة المركز على هدف الرماية.

تختلف العديد من الكواكب الخارجية الموجودة في المدارات الخارجية لنجومها اختلافًا كبيرًا عن كواكب نظامنا الشمسي. معظم الكواكب الخارجية المكتشفة في هذه المنطقة الخارجية ، بما في ذلك تلك الموجودة في HR 8799 ، تتراوح كتلتها بين 5 و 10 من كوكب المشتري ، مما يجعلها أكبر الكواكب التي تم اكتشافها حتى الآن.

These outer exoplanets are relatively young, from tens of millions to hundreds of millions of years old—much younger than our solar system’s 4.5 billion years. So they’re still glowing with heat from their formation. The images of these exoplanets are essentially baby pictures, revealing planets in their youth.

Webb will probe into the mid-infrared, a wavelength range astronomers have rarely used before to image distant worlds. This infrared “window” is difficult to observe from the ground because of thermal emission from—and absorption in—Earth’s atmosphere.

“Webb’s strong point is the uninhibited light coming through space in the mid-infrared range,” said Klaus Hodapp of the University of Hawaii in Hilo, lead investigator of the NIRSpec observations of the HR 8799 system. “Earth’s atmosphere is pretty difficult to work through. The major absorption molecules in our own atmosphere prevent us from seeing interesting features in planets.”

The mid-infrared “is the region where Webb really will make seminal contributions to understanding what are the particular molecules, what are the properties of the atmosphere that we hope to find which we don’t really get just from the shorter, near-infrared wavelengths,” said Charles Beichman of NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California, lead investigator of the NIRCam and MIRI observations of the HR 8799 system. “We’ll build on what the ground-based observatories have done, but the goal is to expand on that in a way that would be impossible without Webb.”

How Do Planets Form?

One of the researchers’ main goals in both systems is to use Webb to help determine how the exoplanets formed. Were they created through a buildup of material in the disk surrounding the star, enriched in heavy elements such as carbon, just as Jupiter probably did? Or, did they form from the collapse of a hydrogen cloud, like a star, and become smaller under the relentless pull of gravity?

Atmospheric makeup can provide clues to a planet’s birth. “One of the things we’d like to understand is the ratio of the elements that have gone into the formation of these planets,” Beichman said. “In particular, carbon versus oxygen tells you quite a lot about where the gas that formed the planet comes from. Did it come from a disk that accreted a lot of the heavier elements or did it come from the interstellar medium? So it’s what we call the carbon-to-oxygen ratio that is quite indicative of formation mechanisms.”

To answer these questions, the researchers will use Webb to probe deeper into the exoplanets’ atmospheres. NIRCam, for example, will measure the atmospheric fingerprints of elements like methane. It also will look at cloud features and the temperatures of these planets. “We already have a lot of information at these near-infrared wavelengths from ground-based facilities,” said Marshall Perrin of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, lead investigator of NIRCam observations of 51 Eridani b. “But the data from Webb will be much more precise, much more sensitive. We’ll have a more complete set of wavelengths, including filling in gaps where you can’t get those wavelengths from the ground.”

The astronomers will also use Webb and its superb sensitivity to hunt for less-massive planets far from their star. “From ground-based observations, we know that these massive planets are relatively rare,” Perrin said. “But we also know that for the inner parts of systems, lower-mass planets are dramatically more common than larger-mass planets. So the question is, does it also hold true for these further separations out?” Beichman added, “Webb’s operation in the cold environment of space allows a search for fainter, smaller planets, impossible to detect from the ground.”

Another goal is understanding how the myriad planetary systems discovered so far were created.

“I think what we are finding is that there is a huge diversity in solar systems,” Perrin said. “You have systems where you have these hot Jupiter planets in very close orbits. You have systems where you don’t. You have systems where you have a 10-Jupiter-mass planet and ones in which you have nothing more massive than several Earths. We ultimately want to understand how the diversity of planetary system formation depends on the environment of the star, the mass of the star, all sorts of other things and eventually through these population-level studies, we hope to place our own solar system in context.”

The NIRSpec spectroscopic observations of HR 8799 and the NIRCam observations of 51 Eridani are part of the Guaranteed Time Observations programs that will be conducted shortly after Webb’s launch later this year. The NIRCam and MIRI observations of HR 8799 is a collaboration of two instrument teams and is also part of the Guaranteed Time Observations program.

The James Webb Space Telescope will be the world's premier space science observatory when it launches in 2021. Webb will solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the mysterious structures and origins of our universe and our place in it. Webb is an international program led by NASA with its partners, ESA (European Space Agency) and the Canadian Space Agency.

Donna Weaver
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland

Christine Pulliam
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland


James Webb Will Look for Signs of Life on Planets Orbiting Dead Stars

Can the galaxy’s dead stars help us in our search for life? A group of researchers from Cornell University thinks so. They say that watching exoplanets transit in front of white dwarfs can tell us a lot about those planets.

It might even reveal signs of life.

A new study presents this idea in The Astrophysical Journal Letters. The research is titled “The White Dwarf Opportunity: Robust Detections of Molecules in Earth-like Exoplanet Atmospheres with the James Webb Space Telescope.” The lead and corresponding author is Lisa Kaltenegger, associate professor of astronomy in the College of Arts and Sciences at Cornell. Kaltenegger is also the director of the Carl Sagan Institute.

“If rocky planets exist around white dwarfs, we could spot signs of life on them in the next few years,” said Kaltenegger in a press release.

One of the goals of the James Webb Space Telescope (JWST) is to characterize exoplanet atmospheres using spectroscopy. The JWST has the power to do that with very distant planets. While other facilities can do spectroscopy, the JWST has the added benefit of doing it in the infrared. In infrared light, molecules in a planet’s atmosphere have the largest number of features in their spectra, making them easier to identify.

“What if the death of the star is not the end for life?”

Lisa Kaltenegger, Lead Author, Professor, Cornell University

But this study takes the JWST and its atmosphere-observing powers in a different direction. While exoplanet research and the search for life normally focuses on planets transiting small M-dwarfs, the authors say there might be a better way. They point out that finding white dwarfs with planets transiting in front of them is a way to advance the search for life. That’s partly because detecting potential biosignatures would be easier.

The James Webb Space Telescope, with its iconic segmented mirror, sits inside a cleanroom at NASA’s Johnson Space Center in Houston. This newest study is just one more reson we can’t wait for this telescope to get to work. Credit: NASA/JSC

Detecting biosignatures around M-dwarfs is challenging. The powerful light output from the large stars makes it harder to see what’s going on in their vicinity. And M-dwars are known for the high level of sunspot and flaring activity. All that activity could impair spectroscopic searches for biomarkers. In their paper, the authors explain that “Earth-like planets around cool small M dwarfs, such as TRAPPIST-1, are promising targets for characterization with the upcoming Extremely Large Telescopes (ELTs) and JWST. However, there remain outstanding challenges in interpreting transmission spectra of M-dwarf terrestrial planets, notably contamination from unocculted starspots.”

But white dwarfs are different. They’ve run out of nuclear fuel and have shrank down to only a remnant core. They still provide enough light for spectroscopic investigation of their exoplanet atmospheres, but they don’t overwhelm the signal with their own luminosity. And since they’re no longer actively burning nuclear fuel, solitary white dwarfs don’t flare, so they don’t impair spectroscopic results. (They can flare if they’re in a binary relationship).

The authors say that by focusing on white dwarfs, the JWST should be able to identify water and carbon dioxide—both substances correlated with living processes—in as little as a couple of hours.

“When observing Earth-like planets orbiting white dwarfs, the James Webb Space Telescope can detect water and carbon dioxide within a matter of hours,” MacDonald said. “Two days of observing time with this powerful telescope would allow the discovery of biosignature gases, such as ozone and methane.”

This figure from the study shows simulated JWST detections of biomarkers in the atmosphere of an Earth-like planet orbiting a white dwarf. Image Credit: Kaltenegger et al, 2020.

A few discoveries led to this potential new method of searching for signs of life.

White dwarfs go through a lot of changes as they leave the main sequence. Their progenitor star sheds its outer layers in a series of violent convulsions that should spell doom for any planets orbiting them. In its red giant phase, the star expands to envelop any planetary bodies that are too close. This will happen to our own Sun in several billion years. The Sun will envelop and destroy Mercury, Venus, maybe even Earth.

But sometimes planets might survive the process.

After several billions years, yellow suns (like ours) become Red Giants, expanding to several hundred times their normal size. Then they’ll eventually become white dwarfs. Credit: Wendy Kenigsburg

The authors explain in their paper that “The origin and survival of close-in planets orbiting WDs have seen active theoretical study. Once a main-sequence star evolves into a WD, stable planetary systems can undergo violent dynamical instabilities, exciting planets into high-eccentricity, low-pericenter orbits. These orbits can rapidly circularize due to tidal dissipation, leading in some circumstances to the survival of planets in close-in orbits.”

When astronomers discovered planets orbiting a white dwarf, things went from theoretical to practical a very significant development.

At first, astronomers studying white dwarfs saw evidence of rocky debris near the dead stars. The debris was orbiting in debris disks, or even closer to the star, or right in the star’s atmosphere. Scientists interpreted that as evidence of planets destroyed as the star became a white dwarf.

Artist impression of a disk of material around a white dwarf star. Image credit: Gemini Observatory

In September 2019, astronomers discovered a giant planet candidate orbiting a white dwarf. This was evidence that large planets can survive their star’s transition to white dwarf. They may survive via migration. And around the same time, in November 2019, scientists discovered a planet that’s orbiting a red giant, having survived that star’s transition to its red giant phase.

Astronomers have found a white dwarf star which appears to be surrounded by a truncated disc of gas. The disc was probably created from a gas planet being torn apart by its gravity. Image Credit: NASA

In December 2019, a team of astronomers discovered a Neptune-sized planet orbiting a white dwarf much smaller than itself. They couldn’t see the planet itself, just the atmosphere of the planet as the white dwarf stripped it away. The planet was likely doomed, but it proved that white dwarfs can still host exoplanets. And though this one was a gas giant, and unlikely to host any life, it shows that rocky planets may survive around white dwarfs, too.

That’s where this work comes in.

“We know now that giant planets can exist around white dwarfs, and evidence stretches back over 100 years showing rocky material polluting light from white dwarfs. There are certainly small rocks in white dwarf systems,” MacDonald said. “It’s a logical leap to imagine a rocky planet like the Earth orbiting a white dwarf.”

Artist’s rendition of a white dwarf from the surface of an orbiting exoplanet. Image Credit: Madden/Cornell University

NASA’s TESS spacecraft is the premiere planet-hunting spacecraft of the day. Part of its search involves hunting for rocky planets around white dwarfs. White dwarfs are small, and their planets should have short transition times, just like WD 1856+534, the giant planet candidate found in September 2019. That one took only about two minutes to transit, and planets with shorter transit times are more likely to be spotted.

Usually, an exoplanet is dwarfed by its star, and all that light blinds us to the sight of the planet. But with white dwarfs, that’s not the case. The authors explain in their paper that “Transiting planets orbiting smaller stars are generally easier to characterize, due to their increased planet-to-star size ratio.” The rapid repetition of transits makes it easier to identify biomarkers spectroscopically.

As the authors write in their paper, “Rocky planets in the WD habitable zone therefore represent a promising opportunity to characterize terrestrial planet atmospheres and explore the possibility of a second genesis on these worlds.”

If, or when, TESS finds rocky planets orbiting a white dwarf, Kaltenegger and her colleagues will be ready. They took established Hubble Space Telescope methods of identifying gases in exoplanet atmospheres and have combined them with modelled atmospheres of white dwarf planets from other research. So once the JWST is operational, the groundwork for understanding exoplanet atmospheres spectroscopically is already in place.

An artists’s illustration of TESS, the Transiting Exoplanet Survey Satellite. Image Credit: NASA

What if we did find life on a planet orbiting a white dwarf? The implications are stunning. Since most stars in the Milky Way, including our own, will end their lives as white dwarfs, the proposition is astounding. In fact, astrophysicists think that over 97% of the stars in our galaxy will become white dwarfs. Could life have survived on planets that survived their stars’ transition? Or, even more exciting, could life have re-emerged?

“What if the death of the star is not the end for life?” she said. “Could life go on, even once our sun has died? Signs of life on planets orbiting white dwarfs would not only show the incredible tenacity of life, but perhaps also a glimpse into our future.”


CSI: Aliens--Astronomers Prep to Detect Cryptic Exoplanet Biosignals

Carl Sagan described Earth as viewed from space as a pale blue dot, and our first direct images of light-years distant planets will be just as minuscule. When new mega-telescopes capture their first pictures of exoplanets, we will at best see half pixels of grayish blur. Even so, investigators eager to learn whether any exoplanets harbor life might be able to find hints in those first fuzzy images. First, however, they will need to know what biosignatures would look like in data coming from worlds very different from our own.

Many teams are now focusing on finding answers. The latest entrant is Cornell&rsquos Institute for Pale Blue Dots, officially launching on May 9 (and also just renamed the Carl Sagan Institute). The institute has been working to create a database of "fingerprints" for life that could be discerned in the light reaching telescopes from exoplanets.

That is because much of the early information about distant planets will come in the form of an electromagnetic spectrum: the wavelengths a planet radiates, either directly or via light from its star shining through its atmosphere. This spectrum can reveal the chemicals in the exoplanet&rsquos atmosphere and, sometimes, on its surface. Earth, for example, would look green from all the photosynthesizing plants (plus blue from water, with a hint of pearly clouds) and would offer other signs of life as well. Our spectrum would reveal the presence of water vapor&mdasha strong hint that the planet is amenable to life&mdashas well as abundant oxygen and methane. That latter combination over time would indicate oxygen was being renewed somehow, because methane degrades oxygen and yet the oxygen does not disappear. Such a process would be an indication of life, which is one of the most likely sources of renewed oxygen in large quantities. Similar signatures on other planets&mdashindicative of oxygen, methane, water and maybe even the green of photosynthesizing plants&mdashwould suggest they were amenable to carbon-based life like that found on Earth.

Of course, an exoplanet's spectrum could be very different from our own, making signs of life harder to parse. If the atmosphere is full of hydrocarbons, like the surface of Saturn&rsquos largest moon Titan, it would be hard to make out anything closer to the surface through the haze. Similarly, dense cloud cover, like on Venus, would reflect light back and obscure the other gases below. Or vigorous geologic activity venting gas might obscure smaller amounts of other gases being created. And so researchers are simulating what a planet&rsquos spectrum would look like in such cases&mdashand many other scenarios, from a dust-covered dune world to one covered with water or circling a very dim star. &ldquoIn a way, it&rsquos a CSI for exoplanets,&rdquo Lisa Kaltenegger, an astronomer and head of the new institute, says about the burgeoning database of those simulations. Much like forensic investigators identify who committed a crime from signs like fingerprints and DNA, exoplanet researchers will be able to compare that database of spectra with real measurements from planets, working backward to see what kind of body generates that spectrum. Kaltenegger notes that she does not want to miss signs of life just because they occur on a planet bigger, smaller, hotter, colder, younger or older than Earth and the other planets in our solar system.

The most intricate atmospheric simulations available were built for Earth and incorporate details specific to its atmosphere and geography. Although they are good for weather forecasting and precise analysis researchers don&rsquot have enough details about other planets to build something so complicated for them. Instead, Kaltenegger&rsquos group is focusing on simpler, &ldquoone-dimensional&rdquo simulations that model the whole climate and atmosphere uniformly, as if you only had one glimpse of the whole thing. A one-dimensional model can incorporate and explore the effect of all the different types of gases, planetary structures, types of stars and life you could imagine, but treats a planet&rsquos atmosphere as one uniform mixture it is not tracking clouds moving over the surface but rather averaging all the water vapor in the air at once. And it is well suited to help astronomers understand the very first planetary images they will see, which will be a single point anyway.

As telescopes become more sophisticated, astronomers will gather more detailed information about an exoplanet&rsquos properties than can be gleaned from the best instruments we have now or are currently building. Telescopes that can image the planet directly, with reflected light from its star, will fill in missing details about rotation, geography and seasons. Such information can help to reveal what features life would need to survive on a given world. A tidally locked world, with one side always facing its sun, for instance, would have very different conditions than its averaged environment might suggest&mdashbitterly cold on one side and fiercely hot on the other&mdashand be hospitable to different types of organisms than those that might be found on a uniformly temperate planet.

And simulation, as it gets more detailed, can reveal the unexpected: When Dimitar Sasselov, an astronomer at Harvard&ndashSmithsonian Center for Astrophysics, helped model a planet covered entirely in water, he discovered a totally unknown form of &ldquowarm ice&rdquo at the bottom of that vast ocean where the pressure pushes the water at the ocean floor into a dense solid form, and waves might move continuously across the surface, never breaking. This scenario allows scientists to consider what features life would need to arise and persist under those conditions, even biology alien to anything we know now.

Simulation can also unmask signatures that seem to represent life but could be created by nonbiological processes. Victoria Meadows, principal investigator at the University of Washington's Virtual Planet Laboratory, says that trying to predict the signatures that might fool them has led to many of her group&rsquos discoveries. For instance, the lab recently released a paper on four separate ways oxygen could be generated without life being involved. Knowing those, they can work out measurements that telescopes will have to take to discount those alternate causes. They can also pinpoint which spectral fingerprints would be most telling of potential life.

These simulation tools are only the first step: to identify what form life might take and what signatures those forms might provide, astronomers are partnering across disciplines and taking unfamiliar excursions into the biology lab. For instance, Kaltenegger&rsquos group has studied the spectra of 137 microorganisms, including extremophiles that thrive in Earth's most inhospitable environs. This color catalogue provides the data that advanced telescopes would see if a planet's dominant organisms were suited for very different environments so we might recognize them from afar. Sasselov&rsquos Origins of Life Initiative brings people from all disciplines to run experiments exploring the ingredients needed to create life and the steps by which it forms. In essence, they are asking: If we looked at the early Earth through a telescope, how would we recognize the life on it? They are also pondering how&mdashand what&mdashcompletely different life-forms might arise. &ldquoThere&rsquos going to be a lot of things we haven&rsquot considered but we&rsquore trying to come up with as diverse and fascinating a world as we can,&rdquo Kaltenegger says, &ldquoto make the parameter space large, to not miss signatures if we can help it.&rdquo

The Kepler space telescope revealed just how common exoplanets are by spotting the slight dimming of starlight they cause when transiting, or passing in front, of their stars. TESS, a similar mission to look for planets closer to home, will identify options bright enough to examine in more detail. When future tools, such as the James Webb Space Telescope, coming in 2018, turn their sights to exoplanets, they&rsquoll have only a limited chance to gather the details of planetary atmospheres as their stars shine through them. Future telescopes will be able to see a dot of actual surface color. By then, however, exoplanet researchers plan to be ready. They are building a vast picture of what life can be, how it might manifest itself and how to verify that it is real&mdashto know just what to look for in that tiny smudge of color.

&ldquoWe&rsquore in a world in which familiar is not necessarily what we see out there,&rdquo Sasselov says. &ldquoThat&rsquos the big problem as well as the big opportunity.&rdquo


Astronomers will probe exoplanets with Webb telescope

This month marks the third anniversary of the discovery of a remarkable system of seven planets known as TRAPPIST-1. These rocky, Earth-size worlds orbit an ultra-cool star 39 light-years from Earth 1 light-year is approximately 5.88 trillion miles.

Three of the planets are in the “habitable zone,” meaning they are at the right orbital distance to be warm enough for liquid water to exist on their surfaces. NASA’s James Webb Space Telescope will observe those worlds after its launch in 2021, with the goal of making the first detailed, near-infrared study of the atmosphere of a habitable-zone planet.

Numerous Cornell astronomy faculty will contribute to the mission. Nikole Lewis, assistant professor of astronomy and the deputy director of the Carl Sagan Institute, is the principal investigator for one of the teams investigating the TRAPPIST-1 system.

“It’s a coordinated effort because no one team could do everything we wanted to do with the TRAPPIST-1 system,” Lewis said. “The level of cooperation has been really spectacular.”

Lewis’ team will observe one of the planets, TRAPPIST-1e, in an effort to not only detect an atmosphere, but also to determine its basic composition. They expect to be able to distinguish between an atmosphere dominated by water vapor and one composed mainly of nitrogen (like Earth) or carbon dioxide (like Mars and Venus).

TRAPPIST-1e is one of the known exoplanets having the most in common with Earth its density and the amount of radiation that it receives from its star make it a great candidate for habitability. Lewis will also lead 130 hours of guaranteed time observations focused on the detailed study of exoplanet atmospheres with Webb.

Ray Jayawardhana, the Harold Tanner Dean of Arts and Sciences and professor of astronomy, and Lisa Kaltenegger, associate professor of astronomy and director of the Carl Sagan Institute, are part of a team that will dedicate 200 hours of time on the Webb telescope to characterize exoplanets, including Trappist-1d (a hot, rocky, Venus-like planet) and Trappist-1f (a cooler, Earth-size planet).

“We look forward to ‘remote sensing’ a remarkable diversity of exoplanet atmospheres, ranging from temperate terrestrial worlds in the TRAPPIST-1 system to blazing gas giants orbiting very close to their stars,” Jayawardhana said. “The Webb telescope will give us unprecedented views, especially of the smaller planets that are tougher to probe.”

Added Kaltenegger: “The combination of the data from the three TRAPPIST planets will give us unprecedented insight into how rocky planets evolve at different distances from their host star. It is the best laboratory that we could have asked for, to get insights into how extrasolar rocky planets work.”

Jonathan Lunine, David C. Duncan Professor in the Physical Sciences and chair of astronomy, is the interdisciplinary scientist for astrobiology on the Webb mission and serves on the Science Working Group, which defines the mission’s science requirements and provides scientific oversight of the project. His hours on the telescope will be mostly used to look at “hot Jupiters” – gas giant planets that are very close to their stars – and Kuiper Belt objects.

James Lloyd, professor of astronomy, developed the Aperture Masking Interferometry mode of the telescope’s Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph (NIRISS) instrument, which will be used to image planetary systems and their environments.

The Webb telescope will be the world’s premier space science observatory, able to solve mysteries in our solar system, look beyond to distant worlds around other stars, and probe the enigmatic structures and origins of our universe. Webb is an international program led by NASA, with partners the European Space Agency and the Canadian Space Agency.


Of light and life

Scanning this light for atmospheric molecules could reveal all kinds of secrets about the planets in the TRAPPIST-1 system, including possibly the building blocks of life.

"By spreading out that light like a rainbow, we can look for signatures of molecules and atoms in the atmosphere, including oxygen, methane and water vapor, all potential signatures of life," says Burgasser. "JWST can also be used to measure the reflection of starlight off of the planets when they pass behind the star. This is called a 'secondary eclipse.' This would potentially allow us to study the surfaces of the planets."

Once assembled, the James Webb Space Telescope will span the size of a tennis court

While it will be a big player in exoplanet research in the coming decades, the JWST is just one of a number of tools scientists will use to search these worlds for signs of life. The Giant Magellan Telescope, for example, will feature an aperture 15 times that of JWST and will start scanning the night sky from Chile's Atacama Desert sometime in the mid-2020s. With these, plus other larger telescopes and yet-to-be developed technologies entering the fray, how much will we learn about the TRAPPIST-1 system without ever actually going there?

"Quite a lot," says Burgasser. "In addition to the atmosphere and surface measurements, we have some earlier measurements of mass, but with higher precision instruments and larger telescopes, we could improve those measurements and get a firm measure of the planets' average density, which in turn would tell us if they are mostly rocky, like Earth, or a mixture of rock and ice, like Jupiter's moon Ganymede. There is a chance one or more of these planets have moons, which may show up in more detailed transit measurements."

And as Burgasser explains, the things discovered in the TRAPPIST-1 system might be just as vital in answering key questions as the things that are not.

"We are also looking for evidence that the planets may be losing their atmospheres due to magnetic winds coming from the star, an important consideration to determine whether water is retained on their surfaces," he says. "And of course the big question is life itself, did it arise on any of these planets? Are they even hospitable to life? All of the measurements above are important ingredients to answering these truly big questions."

The video below (provided by the European Southern Observatory) offers a few early and interesting facts about these newly discovered worlds.


شاهد الفيديو: James Webb Space Telescope - تليسكوب جيمس ويب والثورة القادمة في علم الكونيات (شهر اكتوبر 2021).