V roku 2021 je observatórium NASA novej generácie James Webb Space Telescope (JWST), zaberá miesto. Akonáhle bude táto operačná misia funkčná, vyzdvihne sa tam, kde majú radi iné vesmírne teleskopy Hubble, Keplera Spitzer - prestal. To znamená, že okrem skúmania niektorých najväčších kozmických tajomstiev bude hľadať aj potenciálne obývateľné exoplanety a pokúsi sa charakterizovať ich atmosféru.
Toto je časť toho, čo odlišuje JWST od svojich predchodcov. Vďaka svojej vysokej citlivosti a infračerveným zobrazovacím schopnostiam bude môcť zhromažďovať údaje o exoplanetovej atmosfére ako nikdy predtým. Ako však nedávno ukázala štúdia podporovaná NASA, planéty s hustou atmosférou môžu mať tiež rozsiahlu oblačnosť, čo by mohlo komplikovať pokusy zhromaždiť niektoré najdôležitejšie údaje zo všetkých.
Astronómovia už roky používajú tranzitnú fotometriu (tzv. Tranzitnú metódu) na detekciu exoplanet sledovaním vzdialených hviezd na pokles jasu. Táto metóda sa tiež ukázala ako užitočná pri určovaní atmosférického zloženia niektorých planét. Keď tieto telá prechádzajú pred svojimi hviezdami, svetlo prechádza ich atmosférou, ktorej spektrá sa potom analyzujú, aby sa zistilo, aké chemické prvky sú tam.
Doteraz bola táto metóda užitočná pri pozorovaní obrovských planét (plynové giganty a „super jupitery“), ktoré obiehajú okolo ich slnka na veľké vzdialenosti. Avšak pozorovanie menších, skalnatých planét (t. J. „Podobných Zemi“), ktoré obiehajú bližšie k ich slnkom - čo by ich zaradilo do obývateľnej zóny hviezdy - bolo nad možnosti vesmírnych teleskopov.
Z tohto dôvodu sa astronomická komunita teší na deň, keď budú k dispozícii ďalekohľady novej generácie, ako je JWST. Pri skúmaní spektra svetla prechádzajúceho atmosférou skalnej planéty (metóda známa ako transmisná spektroskopia) budú vedci schopní hľadať ukazovatele ukazovatele kyslíkového plynu, oxidu uhličitého, metánu a ďalších príznakov spojených so životom (tzv. „Biosignatúry“). ").
Ďalším kritickým prvkom života (ako ho poznáme) je voda, takže podpisy vodnej pary v atmosfére planéty sú hlavným cieľom budúcich prieskumov. Ale v novej štúdii vedenej Thaddeusom Komácom, postdoktorandom na Katedre geofyzikálnych vied na University of Chicago, je možné, že každá planéta s hojnou povrchovou vodou bude mať vo svojej atmosfére tiež hojné oblaky (častice kondenzujúceho ľadu). ,
Kvôli tejto štúdii Komacek a jeho kolegovia skúmali, či by tieto oblaky narušili pokusy odhaliť vodné pary v atmosfére suchozemských exoplanet. Vzhľadom na počet skalnatých exoplanet, ktoré boli objavené v obývateľných zónach hviezd typu M (červený trpaslík) v posledných rokoch, ako napríklad Proxima b, sa budú hlavné prieskumy v budúcnosti zameriavať na susedných červených trpaslíkov.
Ako Komack vysvetlil časopisu Space Magazine e-mailom, prílivovo uzamknuté planéty, ktoré obiehajú červené trpasličí hviezdy, sú vhodné na štúdie zahŕňajúce prenosovú spektroskopiu - a to z niekoľkých dôvodov:
„Prechodné planéty obiehajúce červené trpasličie hviezdy sú priaznivejšie ciele ako tie, ktoré obiehajú okolo hviezd podobných Slnku, pretože pomer veľkosti planéty k veľkosti hviezdy je väčší. Veľkosť signálu v prenose je mierka ako druhá mocnina pomeru veľkosti planéty k veľkosti hviezdy, takže dôjde k významnému zvýšeniu signálu smerujúceho k menším hviezdam ako na Zemi.
„Ďalším dôvodom, pre ktorý je pozorovanie planét obiehajúcich červených trpaslíkov priaznivejšie, je to, že„ obývateľná zóna “alebo miesto, kde očakávame, že na povrchu planéty bude tekutá voda, je oveľa bližšie k hviezdam ... Z tohto dôvodu bližšie obežné dráhy, obývateľné skalnaté planéty obiehajúce červené trpasličí hviezdy budú prechádzať ich hviezdou oveľa častejšie, čo umožňuje pozorovateľom robiť veľa opakovaných pozorovaní.“
S týmto vedomím použil Komacek a jeho tím dva modely v spojení na vytvorenie syntetických transmisných spektier prílivovo uzamknutých planét okolo hviezd typu M. Prvým bol program ExoCAM vyvinutý Dr. Ericom Wolfom z Laboratória pre vesmírnu fyziku a vesmírnu fyziku (LASP), ktorý sa používa na simuláciu zemského podnebia, ktorý bol prispôsobený na štúdium exoplanetovej atmosféry.
Pomocou modelu ExoCAM simulovali klímu skalnatých planét obiehajúcich okolo červených trpaslíkov. Po druhé, použili generátor planétového spektra vyvinutý spoločnosťou Goddard Space Flight Center NASA na simuláciu prenosového spektra, ktoré by JWST detekoval z ich simulovanej planéty. Ako to vysvetlil Komacek:
„Tieto simulácie ExoCAM vypočítali trojrozmerné rozdelenie teploty, pomeru zmiešavania vodnej pary a častíc mraku kvapalnej a ľadovej vody. Zistili sme, že planéty obiehajúce červené trpasličí hviezdy sú oveľa zakalenejšie ako Zem. Je to tak preto, že celý ich deň má klímu podobnú trópom Zeme, a tak sa vodná para ľahko stráca pri nízkych tlakoch, kde môže kondenzovať a tvoriť oblaky, ktoré pokrývajú väčšinu dňa planéty ...
„PSG poskytla výsledky pre zdanlivú veľkosť planéty v prenose ako funkciu vlnovej dĺžky spolu s neistotou. Pri pohľade na to, ako sa veľkosť signálu zmenila s vlnovou dĺžkou, sme dokázali určiť veľkosť prvkov vodnej pary a porovnať ich s úrovňou neistoty. “
Medzi týmito dvoma modelmi bol tím schopný simulovať planéty s oblačnosťou a bez oblačnosti a čo by JWST mohol následne zistiť. V prípade prvého z nich zistili, že vodná para v atmosfére exoplanety bude takmer určite zistiteľná. Zistili tiež, že by sa to dalo urobiť pre exoplanety veľkosti Zeme iba v desiatich tranzitoch alebo menej.
"Keď sme zahrnuli účinky mrakov, počet tranzitov, ktoré JWST potreboval na zistenie vodnej pary, vzrástol desaťkrát až sto," uviedol Komacek. "Existuje prirodzený limit, koľko tranzitov môže JWST pozorovať pre danú planétu, pretože JWST má stanovenú nominálnu životnosť misie 5 rokov a pozorovanie prenosu je možné uskutočniť iba vtedy, keď planéta prechádza medzi nami a jej hostiteľskou hviezdou."
Zistili tiež, že vplyv oblačnosti bol obzvlášť silný pri pomaly rotujúcich planétach okolo červených trpaslíkov. V podstate by planéty, ktoré majú orbitálne obdobia dlhšie ako asi 12 dní, mali počas svojich dní viac zakalenia. "Zistili sme, že v prípade planét obiehajúcich okolo hviezdy, ako je TRAPPIST-1 (najpriaznivejší známy cieľ), by JWST nemohla pozorovať dostatok tranzitov na detekciu vodnej pary," uviedol Komacek.
Tieto výsledky sú podobné tým, ktoré zaznamenali iní vedci. Minulý rok štúdia vedcov z NASA Goddard ukázala, ako by oblačná pokrývka spôsobila nezistiteľnosť vodnej pary v atmosfére planét TRAPPIST-1. Začiatkom tohto mesiaca ďalšia štúdia podporovaná Goddardom NASA ukázala, ako mraky znížia amplitúdu vodnej pary do tej miery, že by ich JWST odstránil ako šum v pozadí.
Predtým, ako si začneme myslieť, že je to všetko zlá správa, táto štúdia prináša niekoľko návrhov, ako by bolo možné tieto obmedzenia prekonať. Napríklad, ak je faktorom misia čas, môže sa misia JWST predĺžiť, aby vedci mali viac času na zhromažďovanie údajov. NASA už dúfa, že vesmírny teleskop bude v prevádzke desať rokov, takže predĺženie misie je už možné.
Súčasne by znížená prahová hodnota signálu na šum na detekciu mohla umožniť, aby sa zo spektier vybralo viac signálov (aj keď by to znamenalo aj viac falošných pozitív). Okrem toho si Komacek a jeho kolegovia iste všimli, že tieto výsledky sa vzťahujú iba na prvky, ktoré sa nachádzajú na exoplanetách pod oblakovou palubou:
„Pretože vodná para je väčšinou zachytená pod hladinou vodného mraku, silné zakrytie mrakov na planétach obiehajúcich okolo červených trpasličích hviezd robí detekciu vodných prvkov neuveriteľne náročnou. Je dôležité, že sa očakáva, že JWST bude stále schopný obmedziť prítomnosť kľúčových atmosférických zložiek, ako je oxid uhličitý a metán, iba za tucet tranzitov. “
Tieto výsledky opäť potvrdzuje predchádzajúci výskum. Minulý rok štúdia z University of Washington preskúmala detekovateľnosť a vlastnosti planét TRAPPIST-1 a zistila, že oblaky pravdepodobne nebudú mať významný vplyv na detekovateľnosť kyslíkových a ozónových prvkov - dve kľúčové biologické podpisy, ktoré sú spojené s prítomnosť života.
Skutočne, JWST môže mať problémy s detekciou vodnej pary iba v exoplanetovej atmosfére, aspoň pokiaľ ide o hustú oblačnosť. V prípade iných biologických podpisov by JWST nemal mať problémy s ich vyčnievaním, mrakmi alebo mrakmi. Očakáva sa, že skvelé veci pochádzajú z Webb, najmocnejšieho a sofistikovaného vesmírneho teleskopu NASA. A všetko sa začne budúci rok!
