W 2021 r. Obserwatorium NASA nowej generacji, Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), zabierze w kosmos. Po uruchomieniu ta flagowa misja odbierze miejsca, w których znajdują się inne teleskopy kosmiczne Hubble, Kepler, i Spitzer - odpuścić. Oznacza to, że oprócz badania niektórych z największych tajemnic kosmicznych, będzie także poszukiwał potencjalnie nadających się do zamieszkania egzoplanet i spróbuje scharakteryzować ich atmosferę.
Jest to część tego, co odróżnia JWST od swoich poprzedników. Oprócz wysokiej czułości i możliwości obrazowania w podczerwieni będzie w stanie gromadzić dane dotyczące atmosfery egzoplanetowej jak nigdy dotąd. Jednak, jak niedawno wykazały badania wspierane przez NASA, planety o gęstej atmosferze mogą mieć również obszerne zachmurzenie, co może komplikować próby zebrania najważniejszych danych.
Od lat astronomowie używają fotometrii tranzytowej (zwanej także metodą tranzytową) do wykrywania egzoplanet poprzez monitorowanie odległych gwiazd pod kątem spadku jasności. Ta metoda okazała się również przydatna w określaniu składu atmosferycznego niektórych planet. Gdy ciała te przechodzą przed gwiazdami, światło przepływa przez ich atmosferę, której spektrum jest następnie analizowane, aby zobaczyć, jakie są pierwiastki chemiczne.
Jak dotąd metoda ta była przydatna podczas obserwacji masywnych planet (gazowych gigantów i „super Jowisza”), którzy krążą wokół swoich słońc na duże odległości. Jednak obserwowanie mniejszych, skalistych planet (tj. „Podobnych do Ziemi”), które krążą bliżej swoich słońc - co umieściłoby je w strefie zamieszkania gwiazdy - wykraczało poza możliwości teleskopów kosmicznych.
Z tego powodu społeczność astronomiczna czekała na dzień, w którym będą dostępne teleskopy nowej generacji, takie jak JWST. Badając widma światła przechodzącego przez atmosferę skalistej planety (metoda znana jako spektroskopia transmisyjna) naukowcy będą w stanie poszukać charakterystycznych wskaźników tlenu gazowego, dwutlenku węgla, metanu i innych znaków związanych z życiem (inaczej „biosignatures” ”).
Kolejnym kluczowym elementem życia (jak wiemy) jest woda, więc sygnatury pary wodnej w atmosferze planety są głównym celem przyszłych badań. Ale w nowym badaniu prowadzonym przez Thaddeusa Komacka, doktora habilitowanego w Departamencie Nauk Geofizycznych na Uniwersytecie w Chicago, możliwe jest, że każda planeta z dużą ilością wód powierzchniowych będzie również miała obfite chmury (cząstki kondensującego się lodu) w swojej atmosferze .
Na potrzeby tego badania Komacek i jego koledzy zbadali, czy chmury te zakłócałyby próby wykrycia pary wodnej w atmosferze ziemskich egzoplanet. Ze względu na liczbę skalistych egzoplanet odkrytych w strefach zamieszkiwalnych gwiazd typu M (czerwony karzeł) w ostatnich latach - podobnie jak Proxima b - sąsiednie czerwone karły będą głównym przedmiotem przyszłych badań.
Jak Komack wyjaśnił czasopismu Space Magazine za pośrednictwem poczty elektronicznej, planety zablokowane pod względem pływów, które krążą wokół czerwonych karłów, nadają się dobrze do badań z wykorzystaniem spektroskopii transmisyjnej - i to z wielu powodów:
„Przelotowe planety krążące wokół czerwonych karłów są bardziej sprzyjającymi celami niż te krążące wokół gwiazd podobnych do Słońca, ponieważ stosunek wielkości planety do wielkości gwiazdy jest większy. Rozmiar sygnału w transmisji przeskalowany jest jako kwadrat stosunku wielkości planety do wielkości gwiazdy, dzięki czemu sygnał trafia do mniejszych gwiazd niż Ziemia.
„Innym powodem, dla którego planety krążące wokół czerwonych karłów są bardziej sprzyjające do obserwacji, jest to, że„ strefa zamieszkiwana ”lub tam, gdzie spodziewamy się obecności płynnej wody na powierzchni planety, jest znacznie bliżej gwiazdy… Z tego powodu bliżej na orbitach, nadające się do zamieszkania planety skaliste krążące wokół gwiazd czerwonego karła znacznie częściej przemierzają swoją gwiazdę, co pozwala obserwatorom na wielokrotne obserwacje.“
Mając to na uwadze, Komacek i jego zespół zastosowali dwa modele w celu wygenerowania syntetycznych widm transmisyjnych planet zablokowanych pływowo wokół gwiazd typu M. Pierwszym z nich był ExoCAM opracowany przez dr Erica Wolfa z Laboratorium Fizyki Atmosfery i Kosmosu (LASP) Uniwersytetu Kolorado, model wspólnotowego systemu ziemskiego (CESM) używany do symulacji klimatu Ziemi, który został przystosowany do badania atmosfer egzoplanetowych.
Korzystając z modelu ExoCAM, symulowali klimat skalistych planet krążących wokół czerwonych karłów. Po drugie, zastosowali generator planetarnego widma opracowany przez Goddard Space Flight Center NASA do symulacji widma transmisyjnego wykrywanego przez JWST z ich symulowanej planety. Jak wyjaśnił Komacek:
„Te symulacje ExoCAM obliczyły trójwymiarowe rozkłady temperatury, proporcji mieszania pary wodnej oraz cząstek chmurnych cieczy i lodu i wody. Odkryliśmy, że planety krążące wokół czerwonych karłów są znacznie bardziej zachmurzone niż Ziemia. Dzieje się tak, ponieważ ich cały dzień ma klimat podobny do tropików Ziemi, a zatem para wodna łatwo unosi się do niskiego ciśnienia, gdzie może się skraplać i tworzyć chmury, które pokrywają większą część dnia na planecie…
„PSG dało wyniki dla pozornego rozmiaru planety w transmisji w funkcji długości fali wraz z niepewnością. Analizując zmiany wielkości sygnału wraz z długością fali, byliśmy w stanie określić wielkość cech pary wodnej i porównać je z poziomem niepewności. ”
Między tymi dwoma modelami zespół był w stanie symulować planety z zachmurzeniem i bez zachmurzenia, a tym samym JWST byłby w stanie wykryć. W przypadku tych pierwszych odkryli, że para wodna w atmosferze egzoplanety prawie na pewno będzie wykrywalna. Odkryli również, że można to zrobić dla egzoplanet wielkości Ziemi w zaledwie 10 tranzytach lub mniej.
„Gdy uwzględniliśmy wpływ chmur, liczba przejść, które JWST musiał obserwować, aby wykryć parę wodną, wzrosła dziesięciokrotnie do stu”, powiedział Komacek. „Istnieje naturalna granica liczby tranzytów, które JWST może obserwować dla danej planety, ponieważ JWST ma ustalony nominalny czas życia misji wynoszący 5 lat, a obserwację transmisji można podjąć tylko wtedy, gdy planeta przechodzi między nami a gwiazdą macierzystą”.
Odkryli również, że wpływ zachmurzenia był szczególnie silny w przypadku planet wolniej wirujących wokół czerwonych karłów. Zasadniczo planety, które mają okresy orbitalne dłuższe niż około 12 dni, doświadczyłyby więcej formowania się chmur w swoich dniach. „Odkryliśmy, że w przypadku planet krążących wokół gwiazdy takiej jak TRAPPIST-1 (najkorzystniejszy znany cel) JWST nie byłby w stanie zaobserwować wystarczającej liczby przejść, aby wykryć parę wodną” - powiedział Komacek.
Dodał, że wyniki te są podobne do tych, które zauważyli inni badacze. W ubiegłym roku badanie prowadzone przez naukowców z NASA Goddard wykazało, w jaki sposób pokrywa chmurowa sprawiłaby, że para wodna byłaby niewykrywalna w atmosferach planet TRAPPIST-1. Na początku tego miesiąca inne badanie wspierane przez NASA Goddard wykazało, w jaki sposób chmury obniżą amplitudę pary wodnej do tego stopnia, że JWST wyeliminuje je jako szum tła.
Ale zanim zaczniemy myśleć, że to wszystko złe wieści, niniejsze badanie zawiera pewne sugestie dotyczące sposobu przezwyciężenia tych ograniczeń. Na przykład, jeśli czynnikiem jest czas misji, misję JWST można przedłużyć, aby naukowcy mieli więcej czasu na zebranie danych. Już teraz NASA ma nadzieję, że teleskop kosmiczny będzie działał przez dziesięć lat, więc rozszerzenie misji jest już możliwe.
Jednocześnie obniżony próg wykrywania sygnału do szumu może pozwolić na wykrycie większej liczby sygnałów z widm (choć oznaczałoby to również więcej fałszywych trafień). Ponadto Komacek i jego koledzy z pewnością zauważyli, że te wyniki dotyczą tylko funkcji znajdujących się poniżej pokładu chmur na egzoplanetach:
„Ponieważ para wodna jest w większości uwięziona poniżej poziomu chmur wodnych, silne pokrycie chmur na planetach krążących wokół czerwonych karłów sprawia, że wykrycie cech wody jest niezwykle trudne. Co ważne, oczekuje się, że JWST nadal będzie w stanie ograniczyć obecność kluczowych składników atmosferycznych, takich jak dwutlenek węgla i metan, w zaledwie kilkunastu tranzytach. ”
Ponownie wyniki te są poparte wcześniejszymi badaniami. W zeszłym roku w badaniu z University of Washington zbadano wykrywalność i charakterystykę planet TRAPPIST-1 i stwierdzono, że chmury prawdopodobnie nie będą miały znaczącego wpływu na wykrywalność cech tlenu i ozonu - dwóch kluczowych biosignatur związanych z obecność życia.
Tak naprawdę, JWST może mieć trudności z wykryciem pary wodnej w atmosferze egzoplanetowej, przynajmniej w przypadku gęstej chmury. W przypadku innych biosignatur JWST nie powinien mieć problemów z ich odszukaniem, chmurami lub chmurami. Od Webba, najpotężniejszego i najbardziej zaawansowanego teleskopu kosmicznego NASA, oczekuje się wielkich rzeczy. A wszystko zacznie się w przyszłym roku!
