Webb Space Telescope om details te geven van twee intrigerende “superaarde planeten” in de Melkweg

Astronomen gaan een Webb-spectrometer met hoge resolutie trainen op twee interessante rotsachtige exoplaneten.

Stel je voor dat de aarde veel dichter bij de zon zou staan. Zo dichtbij dat een heel jaar maar een paar uur zou duren. Zo dichtbij dat de zwaartekracht het ene halfrond heeft opgesloten in verzengend daglicht en het andere in eeuwige duisternis. Zo dichtbij dat de oceanen wegkoken, de rotsen beginnen te smelten en lava naar beneden regent.

Hoewel zoiets in ons zonnestelsel niet voorkomt, zijn dergelijke planeten – rotsachtig, ongeveer zo groot als de aarde, extreem heet en dicht bij hun sterren – niet ongewoon in ons zonnestelsel.[{” attribute=””>Milky Way galaxy.

What are the surfaces and atmospheres of these planets really like? NASA’s James Webb Space Telescope is about to provide some answers.

Illustration showing what exoplanet LHS 3844 b could look like, based on current understanding of the planet.
LHS 3844 b is a rocky planet with a diameter 1.3 times that of Earth orbiting 0.006 astronomical units from its cool red dwarf star. The planet is hot, with dayside temperatures calculated to be greater than 1,000 degrees Fahrenheit (greater than about 525 degrees Celsius). Observations of the planet’s thermal emission spectrum using Webb’s Mid-Infrared Instrument (MIRI) will provide more evidence to help determine what the surface is made of. Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Geology from 50 Light-Years: Webb Gets Ready to Study Rocky Worlds

With its mirror segments beautifully aligned and its scientific instruments undergoing calibration, NASA’s James Webb Space Telescope (Webb) is just weeks away from full operation. Soon after the first observations are revealed this summer, Webb’s in-depth science will begin.

Included in the investigations planned for the first year are studies of two hot exoplanets classified as “super-Earths” for their size and rocky composition: the lava-covered 55 Cancri e and the airless LHS 3844 b. Scientists will train Webb’s high-precision spectrographs on these planets with a view to understanding the geologic diversity of planets across the galaxy, as well as the evolution of rocky planets like Earth.

Super-Hot Super-Earth 55 Cancri e

55 Cancri e orbits less than 1.5 million miles from its Sun-like star (one twenty-fifth of the distance between Mercury and the Sun), completing one circuit in less than 18 hours. With surface temperatures far above the melting point of typical rock-forming minerals, the day side of the planet is thought to be covered in oceans of lava.

Illustration comparing rocky exoplanets LHS 3844 b and 55 Cancri e to Earth and Neptune. Both 55 Cancri e and LHS 3844 b are between Earth and Neptune in terms of size and mass, but they are more similar to Earth in terms of composition.
The planets are arranged from left to right in order of increasing radius.
Image of Earth from the Deep Space Climate Observatory: Earth is a warm, rocky planet with a solid surface, water oceans, and a dynamic atmosphere.
Illustration of LHS 3844 b: LHS 3844 b is a hot, rocky exoplanet with a solid, rocky surface. The planet is too hot for oceans to exist and does not appear to have any significant atmosphere.
Illustration of 55 Cancri e: 55 Cancri e is a rocky exoplanet whose dayside temperature is high enough for the surface to be molten. The planet may or may not have an atmosphere.
Image of Neptune from Voyager 2: Neptune is a cold ice giant with a thick, dense atmosphere.
The illustration shows the planets to scale in terms of radius, but not location in space or distance from their stars. While Earth and Neptune orbit the Sun, LHS 3844 b orbits a small, cool red dwarf star about 49 light-years from Earth, and 55 Cancri e orbits a Sun-like star roughly 41 light-years away. Both are extremely close to their stars, completing one orbit in less than a single Earth day.
Credit: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI)

Planets that orbit this close to their star are assumed to be tidally locked, with one side facing the star at all times. As a result, the hottest spot on the planet should be the one that faces the star most directly, and the amount of heat coming from the day side should not change much over time.

But this doesn’t seem to be the case. Observations of 55 Cancri e from NASA’s Spitzer Space Telescope suggest that the hottest region is offset from the part that faces the star most directly, while the total amount of heat detected from the day side does vary.

Does 55 Cancri e Have a Thick Atmosphere?

One explanation for these observations is that the planet has a dynamic atmosphere that moves heat around. “55 Cancri e could have a thick atmosphere dominated by oxygen or nitrogen,” explained Renyu Hu of NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California, who leads a team that will use Webb’s Near-Infrared Camera (NIRCam) and Mid-Infrared Instrument (MIRI) to capture the thermal emission spectrum of the day side of the planet. “If it has an atmosphere, [Webb] Het heeft de gevoeligheid en het golflengtebereik om zijn componenten te detecteren en te identificeren.”

Of regent het ’s avonds lava op de 55 Cancri E?

Een andere interessante mogelijkheid is echter dat de 55 Cancri e niet is vergrendeld met een rand. Als alternatief kan het net als Mercurius zijn, drie keer per twee banen ronddraaiend (wat bekend staat als een 3:2-resonantie). Als gevolg hiervan zal de planeet een dag- en nachtcyclus hebben.

“Dit kan verklaren waarom het warmere deel van de planeet aan het draaien is”, legt Alexis Brandecker uit, een onderzoeker van de Universiteit van Stockholm die een ander team leidt dat de planeet bestudeert. “Net als op aarde zal het even duren voordat het oppervlak is opgewarmd. De heetste tijd van de dag is ’s middags, niet ’s middags.”

Het warmtepotentieel emissiespectrum van de superaarde hete exoplaneet LHS 3844 b, zoals gemeten door Webb’s Mid-Infrared Instrument. Het thermische emissiespectrum toont de hoeveelheid licht van verschillende infrarode golflengten (kleuren) die door de planeet worden uitgestraald. Onderzoekers gebruiken computermodellen om te voorspellen hoe het warmte-emissiespectrum van een planeet eruit zal zien onder bepaalde omstandigheden, zoals of er al dan niet een atmosfeer is en waaruit het oppervlak van de planeet is gemaakt.
Deze specifieke simulatie gaat ervan uit dat LHS 3844 b geen atmosfeer heeft en dat de dagzijde bedekt is met donkere stollingsgesteenten. (Basalt is het meest voorkomende stollingsgesteente in ons zonnestelsel en vormt vulkanische eilanden zoals Hawaï en het grootste deel van de oceaanbodem van de aarde, evenals grote delen van het oppervlak van de maan en Mars.)
Ter vergelijking: de grijze lijn vertegenwoordigt een typisch spectrum van basaltstenen op basis van laboratoriummetingen. De roze lijn is het spectrum van graniet, het meest voorkomende stollingsgesteente op de continenten van de aarde. Deze twee soorten gesteenten hebben heel verschillende spectra omdat ze zijn gemaakt van verschillende mineralen die verschillende hoeveelheden licht van verschillende golflengten absorberen en uitstralen.
Nadat Webb de planeet heeft gezien, zullen de onderzoekers de werkelijke modelspectra van verschillende soorten gesteente zoals deze vergelijken om te zien waar het oppervlak van de planeet van is gemaakt.
Bron: NASA, ESA, CSA, Dani Player (STScI), Laura Kreidberg (MPI-A), Renyu Hu (NASA-JPL)

Het team van Brandeker is van plan deze hypothese te testen met behulp van NIRCam om de warmte te meten die wordt uitgestraald door de verlichte kant van 55 Cancri e via vier verschillende banen. Als een planeet een 3:2-echo zou hebben, zouden ze elk halfrond twee keer waarnemen en zouden ze elk verschil tussen de twee halfronden moeten kunnen detecteren.

In dit scenario zou het oppervlak gedurende de dag opwarmen, smelten en zelfs verdampen, waardoor een extreem dunne atmosfeer ontstaat die Webb kon detecteren. ‘S Avonds koelt de stoom af en condenseert om lavadruppels te vormen die terug naar de oppervlakte zullen regenen en weer vast worden als de avond valt.

Iets koeler Super Earth LHS 3844 b

Terwijl 55 Cancri e inzicht zal geven in de vreemde geologie van een met lava bedekte wereld, LHS 3844 B Biedt een unieke mogelijkheid om harde rotsen te analyseren op[{” attribute=””>exoplanet surface.

Like 55 Cancri e, LHS 3844 b orbits extremely close to its star, completing one revolution in 11 hours. However, because its star is relatively small and cool, the planet is not hot enough for the surface to be molten. Additionally, Spitzer observations indicate that the planet is very unlikely to have a substantial atmosphere.

What Is the Surface of LHS 3844 b Made of?

While we won’t be able to image the surface of LHS 3844 b directly with Webb, the lack of an obscuring atmosphere makes it possible to study the surface with spectroscopy.

“It turns out that different types of rock have different spectra,” explained Laura Kreidberg at the Max Planck Institute for Astronomy. “You can see with your eyes that granite is lighter in color than basalt. There are similar differences in the infrared light that rocks give off.”

Kreidberg’s team will use MIRI to capture the thermal emission spectrum of the day side of LHS 3844 b, and then compare it to spectra of known rocks, like basalt and granite, to determine its composition. If the planet is volcanically active, the spectrum could also reveal the presence of trace amounts of volcanic gases.

The importance of these observations goes far beyond just two of the more than 5,000 confirmed exoplanets in the galaxy. “They will give us fantastic new perspectives on Earth-like planets in general, helping us learn what the early Earth might have been like when it was hot like these planets are today,” said Kreidberg.

These observations of 55 Cancri e and LHS 3844 b will be conducted as part of Webb’s Cycle 1 General Observers program. General Observers programs were competitively selected using a dual-anonymous review system, the same system used to allocate time on Hubble.

The James Webb Space Telescope is the world’s premier space science observatory. 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.