2021 m. NASA naujos kartos observatorija Džeimso Webbo kosminis teleskopas (JWST), vyks į kosmosą. Pradėjus veikti, ši pavyzdinė misija vyks ten, kur kiti kosminiai teleskopai - pavyzdžiui Hablas, Keplerisir Spitzeris - likučiai. Tai reiškia, kad be tam tikrų didžiausių kosminių paslapčių tyrimo, ji taip pat ieškos potencialiai tinkamų egzoplanetų ir bandys apibūdinti jų atmosferą.
Tai yra dalis to, kas JWST išskiria iš savo pirmtakų. Tarp didelio jautrumo ir infraraudonųjų spindulių vaizdo gavimo galimybių jis kaip niekad anksčiau galės rinkti duomenis apie egzoplanetos atmosferą. Tačiau, kaip neseniai parodė NASA paremtas tyrimas, tankios atmosferos planetos taip pat gali turėti didelę debesų dangą, o tai gali apsunkinti bandymus surinkti kelis svarbiausius duomenis iš visų.
Ilgus metus astronomai naudojo tranzitinę fotometriją (dar vadinamą tranzito metodu) egzoplanetoms aptikti, stebėdami tolimų žvaigždžių ryškumą. Šis metodas taip pat pasirodė esąs naudingas nustatant kai kurių planetų atmosferinę sudėtį. Kai šie kūnai eina priešais jų žvaigždes, pro jų atmosferą praeina šviesa, kurios spektrai tada analizuojami, kad pamatytų, kokie ten cheminiai elementai.
Iki šiol šis metodas buvo naudingas stebint masyvias planetas (dujų milžinus ir „Super Jupiterius“), kurios skrieja aplink jų saulę dideliais atstumais. Tačiau stebint mažesnes, uolėtas planetas (t. Y. „Į žemę panašias“), kurios skrieja arčiau jų saulės, o tai leistų jiems patekti į žvaigždės gyvenamąją zoną, buvo daugiau nei kosminių teleskopų galimybės.
Dėl šios priežasties astronominė bendruomenė nekantriai laukė dienos, kai bus galima įsigyti tokios kartos teleskopus kaip JWST. Ištyrę šviesos, sklindančios per uolėtą planetos atmosferą, spektrus (metodas, žinomas kaip perdavimo spektroskopija), mokslininkai galės ieškoti deguonies dujų, anglies dioksido, metano ir kitų su gyvybe susijusių ženklų signalinių indikatorių (dar žinomi kaip „bios parašai“). “).
Kitas kritinis gyvenimo elementas (kaip mes jį žinome) yra vanduo, todėl planetos atmosferoje esantys vandens garų signalai yra pagrindinis ateities tyrimų tikslas. Bet naujame tyrime, kurį vedė Čikagos universiteto Geofizikos mokslų katedros doktorantas Thaddeusas Komacekas, įmanoma, kad bet kurios planetos, turinčios gausų paviršinį vandenį, atmosferoje taip pat bus gausu debesų (kondensacinio ledo dalelių). .
Šio tyrimo tikslais Komacekas ir jo kolegos ištyrė, ar šie debesys netrukdys bandymams aptikti vandens garus antžeminių egzoplanetų atmosferose. Dėl daugybės akmeninių egzoplanetų, kurios pastaraisiais metais buvo atrastos M tipo (raudonųjų nykštukinių) žvaigždžių gyvenamosiose zonose, pavyzdžiui, „Proxima b“, būsimuose tyrimuose didžiausias dėmesys bus skiriamas kaimyninėms raudonosioms nykštukėms.
Kaip elektroniniu paštu „Komack“ paaiškino „Space Magazine“, potvynio bangos, užfiksuotos raudonosiomis nykštukinėmis žvaigždėmis, yra gerai pritaikytos tyrimams, apimantiems perdavimo spektroskopiją, ir dėl daugelio priežasčių:
„Tranzitinės planetos, kurios skrieja aplink raudonas nykštukines žvaigždes, yra palankesnės nei tos, kurios skrieja aplink Saulės žvaigždes, nes planetos ir žvaigždės dydžio santykis yra didesnis. Signalo dydis perdavimo skalėje yra planetos dydžio ir žvaigždės dydžio santykio kvadratas, todėl signalas, einantis į mažesnes žvaigždes nei Žemė, žymiai padidėja.
„Kita priežastis, dėl kurios planetos, skriejančios aplink raudonas nykštukines žvaigždes, yra palankesnės stebėti, nes„ gyvenamoji zona “arba ten, kur mes tikimės, kad planetos paviršiuje bus skysto vandens, yra daug arčiau žvaigždės… Dėl šių priežasčių arčiau orbitos esančios apgyvendintos uolinės planetos, skriejančios aplink raudonasis nykštukines žvaigždes, daug dažniau perkels savo žvaigždę, o tai leidžia stebėtojams atlikti daugybę pakartotinių stebėjimų.“
Atsižvelgdamas į tai, Komacekas ir jo komanda naudojo du modelius kartu, kad sukurtų potvynio potvynio aplink M tipo žvaigždes sintetinius perdavimo spektrus. Pirmasis buvo „ExoCAM“, kurį sukūrė dr. Ericas Wolfas iš Kolorado universiteto atmosferos ir kosminės fizikos laboratorijos (LASP), Žemės klimato modeliavimui naudojamas bendruomenės žemės sistemos modelis (CESM), kuris buvo pritaikytas egzoplanetų atmosferoms tirti.
Naudodamiesi „ExoCAM“ modeliu, jie imitavo uolėtų planetų, besisukančių aplink raudonas nykštukines žvaigždes, klimatą. Antra, jie pasitelkė planetos spektro generatorių, kurį sukūrė NASA Goddardo kosminių skrydžių centras, kad imituotų perdavimo spektrą, kurį JWST aptiktų iš jų modeliuojamos planetos. Kaip tai paaiškino Komacek:
Šie „ExoCAM“ modeliavimai apskaičiavo trijų matmenų temperatūros pasiskirstymą, vandens garų maišymo santykį ir skysto bei ledinio vandens debesų daleles. Mes nustatėme, kad planetos, aplink kurias skrieja raudonos nykštukinės žvaigždės, yra daug debesiškesnės už Žemę. Taip yra todėl, kad visą dieną jų klimatas yra panašus į Žemės atogrąžų klimatą, todėl vandens garai lengvai patenka į žemą slėgį, kur gali susikondensuoti ir sudaryti debesis, dengiančius didžiąją dalį planetos dienos.
„PSG davė duomenis apie tariamą planetos dydį perduodant kaip bangos ilgio funkciją kartu su neapibrėžtumu. Pažvelgę į tai, kaip signalo dydis pasikeitė atsižvelgiant į bangos ilgį, mes sugebėjome nustatyti vandens garų savybių dydį ir palyginti juos su neapibrėžtumo lygiu. “
Tarp šių dviejų modelių komanda sugebėjo modeliuoti planetas su debesų danga ir be jos, ir ką JWST sugebės aptikti. Pirmųjų atveju jie nustatė, kad vandens garai egzoplanetos atmosferoje beveik neabejotinai bus aptinkami. Jie taip pat nustatė, kad tai gali būti padaryta žemės dydžio egzoplanetoms, kurių tranzitas yra tik dešimt ar mažiau.
„Kai mes įtraukėme debesų poveikį, tranzitų, kuriuos JWST reikėjo atlikti, kad būtų galima aptikti vandens garus, skaičius padidėjo nuo dešimties iki šimto“, - sakė A. Komacek. „Yra natūralus apribojimas, kiek JWST gali atlikti tranzitai tam tikroje planetoje, nes JWST nominalaus misijos laikas yra 5 metai, o perdavimo stebėjimą galima atlikti tik tada, kai planeta praeina tarp mūsų ir savo žvaigždės priimančiosios.“
Jie taip pat nustatė, kad debesų dangos poveikis buvo ypač stiprus lėčiau besisukančioms planetoms aplink raudonas nykštukas. Iš esmės planetos, kurių orbitalinis periodas yra ilgesnis nei maždaug 12 dienų, savo dienos pusėse sukeltų daugiau debesų. „Mes nustatėme, kad planetoms, kurios skrieja aplink tokią žvaigždę kaip TRAPPIST-1 (pats žinomiausias taikinys), JWST negalės stebėti pakankamai tranzito, kad galėtų aptikti vandens garus“, - sakė A. Komacek.
Šie rezultatai yra panašūs į tai, ką pastebėjo kiti tyrėjai, pridūrė jis. Praėjusiais metais NASA Goddardo tyrėjų vadovaujamas tyrimas parodė, kaip debesų danga vandens garus taps neaptinkama TRAPPIST-1 planetų atmosferose. Anksčiau šį mėnesį kitas NASA Goddardo remiamas tyrimas parodė, kaip debesys sumažins vandens garų amplitudę iki taško, kad JWST pašalins juos kaip foninį triukšmą.
Bet prieš galvodami, kad tai visos blogos naujienos, šiame tyrime pateikiami keli patarimai, kaip pašalinti šiuos apribojimus. Pavyzdžiui, jei veiksnys yra veiksnys, JWST misija gali būti pratęsta, kad mokslininkai turėtų daugiau laiko rinkti duomenis. Jau dabar NASA tikisi, kad kosminis teleskopas bus eksploatuojamas dešimt metų, todėl misijos pratęsimas jau yra galimybė.
Tuo pačiu metu sumažėjęs signalo ir triukšmo slenkstis aptikimui galėtų leisti iš spektro pasiimti daugiau signalų (nors tai reikštų ir daugiau klaidingų teigiamų rezultatų). Be to, Komacekas ir jo kolegos buvo įsitikinę, kad šie rezultatai taikomi tik toms funkcijoms, kurios egzoplanetose yra žemiau debesų denio:
„Kadangi vandens garai dažniausiai yra įstrigę žemiau vandens debesies lygio, dėl stiprios debesų aprėpties planetose, skriejančiose aplink raudonas nykštukines žvaigždes, tampa nepaprastai sudėtinga nustatyti vandens ypatybes. Svarbu tai, kad tikimasi, jog JWST vis tiek sugebės apriboti svarbiausių atmosferos sudedamųjų dalių, tokių kaip anglies dioksidas ir metanas, buvimą tik keliolikoje tranzitų “.
Šie rezultatai dar kartą patvirtinami ankstesniais tyrimais. Praėjusiais metais Vašingtono universiteto atliktame tyrime buvo aptiktas TRAPPIST-1 planetų aptinkamumas ir charakteristikos ir nustatyta, kad debesys greičiausiai neturės reikšmingos įtakos deguonies ir ozono požymių aptikimui - tai du pagrindiniai biosignacijos, susijusios su buvimas gyvenime.
Taigi tikrai JWST gali būti sunku aptikti vandens garus egzoplanetų atmosferose, bent jau ten, kur reikalinga tanki debesų danga. Dėl kitų biologinių parašų JWST neturėtų kilti problemų juos išrauti, nėra debesų ar nėra debesų. Tikimasi, kad puikių dalykų sulauks Webbas, iki šiol galingiausias ir moderniausias NASA kosminis teleskopas. Ir viskas prasidės kitais metais!
