Aastal 2021 oli NASA järgmise põlvkonna vaatluskeskus James Webbi kosmoseteleskoop (JWST), võtab kosmosesse. Kui see on töövalmis, saab see lipulaev missiooni, kus teised kosmoseteleskoobid - näiteks Hubble, Keplerja Spitzer - pooleli jäänud. See tähendab, et lisaks mõne suurima kosmilise müsteeriumi uurimisele otsib see ka potentsiaalselt elamiskõlblikke eksoplaneete ja püüab iseloomustada nende atmosfääri.
See on osa sellest, mis eristab JWST-d eelkäijatest. Oma ülitundlikkuse ja infrapuna pildistamise võimaluste vahel suudab see koguda andmeid eksoplaneedi atmosfääri kohta nagu kunagi varem. Kuid nagu hiljuti NASA toetatud uuring näitas, võib tiheda atmosfääriga planeetidel olla ka ulatuslik pilvekate, mis võib raskendada katseid koguda kõigi kõige olulisemaid andmeid.
Astronoomid on aastaid kasutanud transiidifotomeetriat (aka transiidimeetodit) eksoplaneetide tuvastamiseks, jälgides kaugete tähtede heleduse langust. See meetod on osutunud kasulikuks ka mõnede planeetide atmosfääri koostise määramisel. Kui need kehad lähevad mööda oma tähti, läbib nende atmosfääri valgus, mille spektrit seejärel analüüsitakse, et näha, millised keemilised elemendid seal asuvad.
Siiani on see meetod olnud kasulik massiivsete planeetide (gaasigigaanide ja “superjupiterite”) vaatlemisel, mis tiirlevad nende päikesest suurte vahemaade taga. Kuid väiksemate, kiviste planeetide (s.o „Maa-sarnaste”) vaatlemine, mis tiirlevad nende päikesele lähemal - mis paneks nad tähe asustatavasse tsooni - on kosmoseteleskoopide võimalustest kaugemale jõudnud.
Sel põhjusel on astronoomiline kogukond oodanud päeva, millal JWST-i sarnased järgmise põlvkonna teleskoobid oleksid saadaval. Uurides kivise planeedi atmosfääri läbiva valguse spektrit (meetod, mida nimetatakse ülekandespektroskoopiaks) saavad teadlased otsida hapniku gaasi, süsinikdioksiidi, metaani ja muude eluga seotud märkide märguandeid (aka. „Biosignatuurid”). ”).
Teine elu kriitiline element (nagu me seda teame) on vesi, nii et planeedi atmosfääri veeauru signatuur on tulevaste uuringute peamine eesmärk. Kuid Chicago ülikooli geofüüsikaliste teaduste osakonna järeldoktorandi Thaddeus Komaceki juhitud uues uuringus on võimalik, et ka kõigi rohke pinnaveega planeetide atmosfääris on ohtralt pilvi (kondenseeruva jää osakesi). .
Selle uuringu huvides uurisid Komacek ja tema kolleegid, kas need pilved segavad maapealsete eksoplaneetide atmosfääri veeauru tuvastamise katseid. M-tüüpi (punase kääbuse) tähtede elamisvööndites on viimastel aastatel avastatud kiviste eksoplaneetide arvu tõttu - nagu Proxima b -, et naaberpunased kääbused oleksid tulevaste uuringute põhirõhk.
Nagu Komack selgitas kosmoseajakirjale meili teel, sobivad loodete abil lukustatud planeedid, mis tiirlevad punaseid kääbustähti, hästi ülekandespektroskoopiaga seotud uuringute jaoks - ja seda mitmel põhjusel:
“Punaseid kääbustähti tiirlevad transiitplaneedid on soodsamad sihtmärgid kui Päikese taolisi tähti tiirlevad, kuna planeedi ja tähe suuruse suhe on suurem. Signaali suurus ülekandeskaalades on planeedi suuruse ja tähe suuruse suhte ruut, seega on signaal märkimisväärselt suurenenud kui Maad väiksematesse tähtedesse.
„Veel üks põhjus, miks punaseid kääbustähti tiirlevaid planeete on soodsam vaadelda, on see, et“ asustatav tsoon ”ehk koht, kus meie planeedi pinnal on oodata vedelat vett, on tähele palju lähemal… Nende tõttu lähemal orbiidil, punaste kääbustähtedega tiirlevad asustatavad kivised planeedid läbivad oma tähe palju sagedamini, mis võimaldab vaatlejatel teha palju korduvaid vaatlusi.“
Seda silmas pidades kasutas Komacek ja tema meeskond M-tüüpi tähtede ümber loodete kaudu lukustatud planeetide sünteetiliste ülekandespektrite genereerimiseks kahte mudelit. Esimene neist oli ExoCAM, mille töötas välja Colorado ülikooli atmosfääri- ja kosmosefüüsika laborist (LASP) pärit dr Eric Wolf - Maa kliima simuleerimiseks kasutatav kogukonna maasüsteemi mudel (CESM), mis on kohandatud eksoplaneedi atmosfääri uurimiseks.
ExoCAMi mudelit kasutades simuleerisid nad punaste kääbustähtede ümber tiirlevate kiviste planeetide kliimat. Teiseks kasutasid nad NASA Goddardi kosmoselennukeskuse väljatöötatud planeedispektri generaatorit, et simuleerida ülekandespektrit, mida JWST tuvastaks nende jäljendatud planeedilt. Nagu Komacek seda selgitas:
Need ExoCAMi simulatsioonid arvutasid temperatuuri, veeauru segunemise suhte ning vedeliku ja jäävee pilveosakeste kolmemõõtmelised jaotused. Leidsime, et punaseid kääbustähti tiirlevad planeedid on palju pilvisemad kui Maa. Selle põhjuseks on asjaolu, et nende kogu päevapiirkonnas on Maa troopikaga sarnane kliima ja nii saab veeaur kergesti hõljuda madala rõhuga, kus see võib kondenseeruda ja moodustada pilvi, mis katab suure osa planeedi päevaküljest.
„PSG andis ülekantud planeedi näiva suuruse ja lainepikkuse funktsiooni tulemused koos määramatusega. Vaadates, kuidas signaali suurus muutus lainepikkusega, saime kindlaks teha veeauru omaduste suuruse ja võrrelda neid mõõtemääramatuse tasemega. ”
Nende kahe mudeli vahel suutis meeskond simuleerida pilvekattega ja ilma pilveta planeete ning seda, mida JWST selle tulemusel suudaks tuvastada. Esimeste puhul leidsid nad, et eksoplaneedi atmosfääris on veeaur peaaegu kindlasti tuvastatav. Samuti leidsid nad, et seda saab teha Maa-suuruste eksoplaneetide korral, mille transiit on kõigest kümme või vähem.
"Kui me hõlmasime pilvede mõju, suurenes veeauru tuvastamiseks vajalike JWST transiitide arv kümne kuni saja võrra," ütles Komacek. "Sellel planeedil, mida JWST saab teatud planeedil jälgida, on loomulik piir, kuna JWST-i nominaalne missiooni kestus on 5 aastat ja ülekande vaatlust saab teha ainult siis, kui planeet möödub meie ja tema vastuvõtva tähe vahel."
Samuti leidsid nad, et pilvekatte mõju oli eriti tugev punaste kääbuste ümber aeglasemalt pöörlevate planeetidega. Põhimõtteliselt kogevad planeedid, mille orbitaalperiood on pikem kui umbes 12 päeva, oma päevakülgedel rohkem pilvi. "Leidsime, et selliste tähtede ümber tiirlevatel planeetidel, mis on nagu TRAPPIST-1 (kõige soodsam teadaolev sihtmärk), ei suuda JWST jälgida piisavalt veetranspordi veeauru tuvastamiseks," ütles Komacek.
Need tulemused on sarnased sellega, mida teised teadlased on märkinud, lisas ta. Eelmisel aastal näitas NASA Goddardi teadlaste juhitud uuring, kuidas pilvekate muudab veeauru TRAPPIST-1 planeetide atmosfääris märkamatuks. Selle kuu alguses näitas teine NASA Goddardi toetatud uuring, kuidas pilved langetavad veeauru amplituudi nii kaugele, et JWST kõrvaldab need taustmürana.
Kuid enne kui mõtleme, et see on kõik halvad uudised, pakub see uuring mõned soovitused nendest piirangutest ületamiseks. Näiteks kui teguriks on tegutsemisaeg, saab JWST-missiooni pikendada, nii et teadlastel oleks rohkem aega andmete kogumiseks. Juba loodab NASA, et kosmoseteleskoop töötab kümme aastat, seega on missiooni laiendamine juba võimalus.
Samal ajal võiks madalam signaali-müra tuvastamise lävi võimaldada spektritest välja tuua rohkem signaale (kuigi see tähendaks ka rohkem valepositiivseid tulemusi). Lisaks tõid Komacek ja tema kolleegid kindlalt meelde, et need tulemused kehtivad ainult eksoplaneetide pilveteki all asuvate funktsioonide kohta:
„Kuna veeaur on enamasti lõksus allpool veepilve taset, teeb punaste kääbustähtede orbiidil tiirlevate planeetide tugev pilvekatmine veefunktsioonide tuvastamise uskumatult keerukaks. Oluline on see, et eeldatakse, et JWST suudab ikkagi vaid kümmekond transiiti piirata selliste atmosfääri oluliste koostisosade nagu süsinikdioksiid ja metaan olemasolu. "
Neid tulemusi toetavad ka varasemad uuringud. Eelmisel aastal uuriti Washingtoni ülikooli uuringus TRAPPIST-1 planeetide tuvastatavust ja omadusi ning leiti, et tõenäoliselt ei mõjuta pilved märkimisväärselt hapniku ja osooni omaduste tuvastatavust - kaks peamist biosignatuuri, mis on seotud elu olemasolu.
Nii et tõesti, võib JWST-l olla raskusi veeauru tuvastamisega eksoplaneedi atmosfääris, vähemalt tiheda pilvekatte osas. Muude biosignatuuride korral ei tohiks JWST-l olla probleeme nende nuusutamisega, pilvede või pilvede puudumisega. NASA kõige võimsamast ja keerukaimast kosmoseteleskoobist Webbilt oodatakse suuri asju. Ja see kõik algab järgmisel aastal!
