Il telescopio spaziale James Webb verrà lanciato alla fine del 2018 e sarà pronto a rispondere a domande fondamentali sull'inizio dell'universo, la nascita di stelle e galassie, e l'origine della vita. Credito:NASA/Desiree Stove
Il modo migliore per studiare le atmosfere di mondi lontani con il James Webb Space Telescope, il lancio è previsto per la fine del 2018 combinerà due dei suoi strumenti a infrarossi, secondo un team di astronomi.
"Volevamo sapere quale combinazione di modalità di osservazione (di Webb) consente di ottenere il massimo contenuto di informazioni al minimo costo, "dice Natasha Batalha, studente laureato in astronomia e astrofisica e astrobiologia, Penn State, e scienziato a capo di questo progetto.
"Il contenuto delle informazioni è la quantità totale di informazioni che possiamo ottenere dallo spettro atmosferico di un pianeta, dalla temperatura e dalla composizione del gas, come l'acqua e l'anidride carbonica, alle pressioni atmosferiche."
Batalha e Michael Line, professore assistente, Scuola di Scienze della Terra e dello Spazio, Università statale dell'Arizona, ha sviluppato un modello matematico per prevedere la quantità di informazioni che diversi strumenti Webb potrebbero estrarre sull'atmosfera di un esopianeta.
Il loro modello prevede che l'uso di una combinazione di due strumenti a infrarossi, il Near Infrared Imager e lo Slitless Spectrograph (NIRISS) e la modalità G395 sul Near Infrared Spectrograph (NIRSpec), fornirà il più alto contenuto di informazioni sull'atmosfera di un esopianeta.
NIRISS è una fotocamera e uno spettrografo versatile che osserverà lunghezze d'onda infrarosse simili a quelle coperte dal telescopio Hubble. NIRIS, secondo Batalha e Line, dovrebbe essere combinato con la modalità G395 su NIRSpec, che osserverà i bersagli a lunghezze d'onda infrarosse più lunghe alla massima risoluzione di Webb.
Tre caratteristiche principali influenzano la quantità di informazioni che uno strumento può estrarre:risoluzione, massima luminosità osservabile, e gamma di lunghezze d'onda. Questi combinati determinano la frazione osservabile totale del contenuto informativo dello spettro atmosferico di un pianeta.
Sia NIRISS che NIRSpec osserveranno lunghezze d'onda del vicino infrarosso, la regione dello spettro elettromagnetico in cui le stelle che orbitano intorno agli esopianeti brillano di più. NIRISS è pronta a misurare una forte firma dell'acqua e NIRSpec può fare lo stesso per il metano e l'anidride carbonica, tre composti chimici che forniscono una notevole quantità di informazioni su un'atmosfera.
L'atmosfera di un pianeta assorbe lunghezze d'onda specifiche della luce della stella che rivelano la composizione chimica dell'atmosfera. Credito:NASA, ESA, e A. Feild (STScI)
Batalha e Line hanno testato ciascuno dei dieci probabili metodi di osservazione da solo e in ogni possibile combinazione con gli altri metodi per determinare quale avrebbe massimizzato il contenuto totale delle informazioni.
Hanno recuperato le informazioni da una serie di pianeti simulati con temperature e composizioni che coprono la gamma delle atmosfere di esopianeti osservate in precedenza. Confrontando il contenuto di informazioni recuperabili nell'atmosfera di ciascun pianeta, Batalha e Line hanno scoperto che questa combinazione di modalità NIRISS e NIRSpec fornisce la maggior parte delle informazioni indipendentemente dalla temperatura o dalla composizione dell'esopianeta. I ricercatori hanno pubblicato questi risultati in Il Giornale Astronomico .
"Non conosceremo in anticipo la temperatura di un pianeta, " dice Batalha. "Se hai intenzione di fare uno scatto nell'osservazione al buio, hai le maggiori possibilità di ottenere le informazioni che desideri con questa combinazione di strumenti."
Quando un esopianeta si incrocia tra la sua stella ospite e i telescopi della Terra, parte della luce della stella passa attraverso l'atmosfera dell'esopianeta. L'eso-atmosfera lascia la sua impronta digitale nella luce della stella - lo spettro di trasmissione del pianeta - da cui gli astronomi possono conoscere la temperatura dell'eso-atmosfera, composizione chimica e struttura. L'analisi del contenuto delle informazioni dei ricercatori si concentra sulle informazioni recuperabili dallo spettro di trasmissione di un pianeta.
Mentre Webb non verrà lanciato fino alla fine del 2018, ma gli astronomi stanno già pianificando la prima serie di osservazioni che vorrebbero dal telescopio.
"Se possiamo elaborare una strategia ora, "dice Batalha, "Quando arriva il primo ciclo di proposte formali, possiamo assicurarci di scegliere le modalità migliori per proposte più grandi e di non sprecare tempo prezioso per l'osservazione. In questo modo tutti iniziano su un campo di gioco uniforme con la scienza".
Mentre evidenziano due modalità NIRISS e NIRSpec come la migliore combinazione per osservare la maggior parte delle eso-atmosfere, Batalha e Line spiegano che le altre modalità saranno comunque utili per osservare diverse caratteristiche delle eso-atmosfere che gli astronomi non hanno testato, come nuvole, foschia e atmosfere abbastanza calde da emettere luce propria.
"Nel futuro, " Batalha dice, "Ci sarà una spinta per caratterizzare la prima Terra 2.0. Se non lo inchiodiamo ora e padroneggiamo l'arte di caratterizzare le eso-atmosfere, non caratterizzeremo mai accuratamente la Terra 2.0."
