A melhor maneira de estudar as atmosferas de mundos distantes com o Telescópio Espacial James Webb, programado para lançamento no final de 2018, combinará dois de seus instrumentos infravermelhos, de acordo com uma equipe de astrônomos.

"Queríamos saber qual combinação de modos de observação (de Webb) fornece a você o conteúdo máximo de informação com o custo mínimo, “diz Natasha Batalha, estudante de graduação em astronomia e astrofísica e astrobiologia, Estado de Penn, e cientista líder neste projeto.

"O conteúdo da informação é a quantidade total de informações que podemos obter do espectro atmosférico de um planeta, da temperatura e composição do gás - como água e dióxido de carbono - às pressões atmosféricas. "

Batalha e Michael Line, professor assistente, Escola de Ciências da Terra e do Espaço, Arizona State University, desenvolveu um modelo matemático para prever a quantidade de informações que diferentes instrumentos Webb poderiam extrair sobre a atmosfera de um exoplaneta.

Seu modelo prevê que o uso de uma combinação de dois instrumentos infravermelhos - o Near Infrared Imager e o Slitless Spectrograph (NIRISS) e o modo G395 no Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) - fornecerá o maior conteúdo de informação sobre a atmosfera de um exoplaneta.

O NIRISS é uma câmera e espectrógrafo versátil que observará comprimentos de onda infravermelhos semelhantes aos que o telescópio Hubble cobre. NIRISS, de acordo com Batalha e Line, deve ser combinado com o modo G395 no NIRSpec, que observará alvos em comprimentos de onda infravermelhos mais longos na resolução mais alta de Webb.

Três características principais afetam a quantidade de informações que um instrumento pode extrair - resolução, brilho máximo observável, e faixa de comprimento de onda. Esses combinados determinam a fração total observável do conteúdo de informação do espectro atmosférico de um planeta.

Tanto o NIRISS quanto o NIRSpec observarão comprimentos de onda do infravermelho próximo, a região do espectro eletromagnético em que as estrelas que orbitam os exoplanetas brilham mais intensamente. O NIRISS está preparado para medir uma forte assinatura de água e o NIRSpec pode fazer o mesmo com o metano e o dióxido de carbono, três compostos químicos que fornecem uma quantidade substancial de informações sobre a atmosfera.

Batalha e Line testaram cada um dos dez métodos de observação prováveis ​​individualmente e em todas as combinações possíveis com os outros métodos para determinar qual iria maximizar o conteúdo total da informação.

Eles recuperaram as informações de um conjunto de planetas simulados com temperaturas e composições que cobrem a gama de atmosferas de exoplanetas previamente observadas. Ao comparar o conteúdo de informação recuperável na atmosfera de cada planeta, Batalha e Line descobriram que esta combinação dos modos NIRISS e NIRSpec fornece a maior parte das informações, independentemente da temperatura ou composição do exoplaneta. Os pesquisadores publicaram esses resultados em The Astronomical Journal .

"Não saberemos a temperatura de um planeta com antecedência, "diz Batalha." Se vais fazer um tiro no escuro, observa, você tem a maior chance de obter as informações que deseja com esta combinação de instrumentos. "

À medida que um exoplaneta cruza entre sua estrela hospedeira e os telescópios da Terra, parte da luz da estrela passa pela atmosfera do exoplaneta. A exoatmosfera deixa sua impressão digital na luz da estrela - o espectro de transmissão do planeta - a partir da qual os astrônomos podem aprender sobre a temperatura da exoatmosfera, composição química e estrutura. A análise do conteúdo das informações dos pesquisadores concentra-se nas informações recuperáveis ​​do espectro de transmissão de um planeta.

Embora Webb não seja lançado até o final de 2018, mas os astrônomos já estão planejando o primeiro conjunto de observações que gostariam do telescópio.

"Se pudermos traçar estratégias agora, "diz Batalha, "no momento em que o primeiro ciclo de propostas formais chegar, podemos garantir que estamos escolhendo os melhores modos para propostas maiores e não perder um tempo valioso de observação. Dessa forma, todos começam em igualdade de condições com a ciência."

Enquanto eles destacam dois modos NIRISS e NIRSpec como a melhor combinação para observar a maioria das exo-atmosferas, Batalha e Line explicam que os outros modos ainda serão úteis para observar diferentes características de exo-atmosferas que os astrônomos não testaram, como nuvens, neblina e ambientes quentes o suficiente para emitir sua própria luz.

"No futuro, “Batalha diz, "haverá um impulso para caracterizar o primeiro Earth 2.0. Se não definirmos isso agora e dominarmos a arte de caracterizar exo-atmosferas, nunca iremos caracterizar com precisão a Terra 2.0. "