Leta 2021 je Nasina naslednja generacija opazovalnica James Webb vesoljski teleskop (JWST), se bo odpravil v vesolje. Ko bo operativna misija, bo vodilna misija poiskala tam, kjer so podobni drugim vesoljskim teleskopom Hubble, Kepler, in Spitzer - izklopljeno. To pomeni, da bo poleg raziskovanja nekaterih največjih kozmičnih skrivnosti iskala tudi potencialno bivalne eksoplanete in poskušala opisati njihovo ozračje.
To je del tistega, kar JWST loči od predhodnikov. Med visoko zmogljivostjo in infrardečimi slikami bo lahko zbral podatke o eksoplanetnih atmosferah kot še nikoli doslej. Vendar pa je, kot je nedavno pokazala NASA-ina raziskava, planeti z gosto atmosfero lahko tudi obsežno oblačno pokrivalo, kar bi lahko zapletlo poskuse zbiranja nekaterih najpomembnejših podatkov vseh.
Že leta astronomi uporabljajo tranzitno fotometrijo (aka. Metoda tranzita) za odkrivanje eksoplanetov s spremljanjem oddaljenih zvezd za potop v svetlosti. Ta metoda se je izkazala tudi kot koristna pri določanju atmosferske sestave nekaterih planetov. Ko ta telesa prehajajo pred njihovimi zvezdami, skozi njihovo atmosfero prehaja svetloba, katere spektre nato analiziramo, da vidimo, kateri kemični elementi so tam.
Doslej je bila ta metoda uporabna pri opazovanju ogromnih planetov (plinskih velikanov in "Super Jupitrov"), ki krožijo po svojih soncih na velikih razdaljah. Vendar je opazovanje manjših skalnatih planetov (tj. "Podobnih Zemlji"), ki krožijo bližje njihovim soncem - zaradi česar bi jih lahko postavili v območje bivalne zvezde - presegalo zmogljivosti vesoljskih teleskopov.
Zaradi tega se astronomska skupnost veseli dneva, ko bodo na voljo teleskopi nove generacije, kot je JWST. Z proučitvijo spektrov svetlobe, ki prehaja skozi atmosfero skalnega planeta (metoda, znana kot transmisijska spektroskopija), bodo znanstveniki lahko iskali kazalnike kazalcev kisika plina, ogljikovega dioksida, metana in drugih znakov, povezanih z življenjem (aka "biosignature" ”).
Drugi pomemben življenjski element (kot ga poznamo) je voda, zato so podpisi vodne pare v atmosferi planeta glavni cilj prihodnjih raziskav. Toda v novi študiji, ki jo je vodil Thaddeus Komacek, podoktorski sodelavec na Oddelku za geofizične znanosti na Univerzi v Chicagu, je mogoče, da bo kateri koli planet z obilno površinsko vodo v svoji atmosferi imel tudi obilne oblake (delce kondenzirajočega ledu). .
Komaček in njegovi sodelavci so zaradi te študije preučili, ali bi ovi oblaki motili poskuse zaznavanja vodne pare v atmosferi zemeljskih eksoplanetov. Zaradi številnih skalnih eksoplanetov, ki so jih v zadnjih letih odkrili znotraj bivalnih območij zvezd M (rdečega pritlikavca) - kot Proxima b -, bodo sosednja rdeča pritlikava glavni poudarek v prihodnjih raziskavah.
Kot je Komack za Space Magazine razložil po e-pošti, so planeti, urejeni s pravokotno zaklenjenostjo, ki krožijo po orbiti rdečih pritlikavih zvezd, zelo primerni za študije, ki vključujejo prenosno spektroskopijo - in to iz več razlogov:
»Tranzitni planeti, ki krožijo okoli rdečih pritlikavih zvezd, so bolj ugodni cilji kot tisti, ki krožijo okoli sonca podobnih zvezd, ker je razmerje med velikostjo planeta in velikostjo zvezde večje. Velikost signala v oddajnih lestvicah je kvadrat razmerja med velikostjo planeta in velikostjo zvezde, tako da se signal poveča na manjše zvezde kot na Zemlji.
"Drugi razlog, da so planeti, ki krožijo okoli zvezd rdečih pritlikavcev, bolj naklonjen opazovanju, je ta, da je" bivalno območje "ali tam, kjer pričakujemo, da bo na površini planeta tekoča voda, veliko bližje zvezdi ... Zaradi tega bližje orbite, bivalni kamniti planeti, ki krožijo okoli rdečih pritlikavih zvezd, bodo veliko pogosteje prehitevali svojo zvezdo, kar omogoča opazovalcem, da opravijo večkratna opazovanja.“
S tem v mislih sta Komaček in njegova ekipa skupaj uporabila dva modela za ustvarjanje sintetičnih predajnih spektrov planetov, ki so pravilno zaklenjeni okoli zvezd tipa M. Prvi je bil ExoCAM, ki ga je razvil dr. Eric Wolf iz laboratorija za atmosfero in vesoljsko fiziko na univerzi v Koloradu (LASP), sistem zemeljskega sistema Skupnosti (CESM), ki se uporablja za simulacijo podnebja Zemlje, ki je bil prilagojen za proučevanje atmosfere eksoplaneta.
S pomočjo modela ExoCAM so simulirali ozračje skalnih planetov, ki krožijo okoli rdečih pritlikavih zvezd. Drugič, zaposlili so generator planetarnega spektra, ki ga je razvil Nasin center za vesoljske polete Goddard za simulacijo prenosnega spektra, ki bi ga JWST zaznal iz njihovega simuliranega planeta. Kot je pojasnil Komaček:
„Te simulacije ExoCAM so izračunale tridimenzionalno porazdelitev temperature, razmerja mešanja vodne pare in delcev oblaka tekoče in ledene vode. Ugotovili smo, da so planeti, ki krožijo po zvezdah rdečih pritlikavcev, precej bolj zaprti kot Zemlja. To je zato, ker ima celodnevno podnebje podobno podnebju Zemlje, zato se vodna para zlahka spusti na nizke tlake, kjer se lahko kondenzira in tvori oblake, ki pokrivajo večji del dneva planeta ...
"PSG je dal rezultate za navidezno velikost planeta pri prenosu kot funkcijo valovne dolžine, skupaj z negotovostjo. Če pogledamo, kako se velikost signala spreminja z valovno dolžino, smo lahko določili velikost vodne pare in jih primerjali s stopnjo negotovosti. "
Med tema dvema modeloma je skupina lahko simulirala planete z in brez oblačnega pokrova, in kaj bo JWST lahko zaznal kot rezultat. V primeru prvega so ugotovili, da bi bilo skoraj mogoče zaznati vodno paro v ozračju eksoplaneta. Ugotovili so tudi, da bi to lahko naredili za eksoplanete velikosti Zemlje v samo desetih tranzitih ali manj.
"[W] kokoši smo vključili vplive oblakov, število prehodnih JWST, potrebnih za opazovanje vodne pare, se je povečalo za deset do sto," je dejal Komaček. "Obstaja naravna omejitev, koliko tranzitov lahko JWST opazuje na določenem planetu, ker ima JWST določeno nazivno življenjsko dobo 5 let, opazovanje prenosa pa je mogoče opraviti le, ko planet prehaja med nami in njegovo gostiteljsko zvezdo."
Ugotovili so tudi, da je bil vpliv oblačnega pokrova še posebej močan pri počasneje vrtečih se planetih okoli rdečih palčkov. V bistvu bi planeti, ki imajo orbitalna obdobja daljša od približno 12 dni, več oblakov na svojih dnevnih robovih. "Ugotovili smo, da JWST za planete, ki obkrožajo zvezdo, kot je TRAPPIST-1 (najbolj ugodna tarča, ki jo poznamo), ne bi mogel opazovati dovolj tranzitov, da bi zaznal vodno paro," je dejal Komacek.
Ti rezultati so podobni tistim, ki so jih opazili drugi raziskovalci, je dodal. Lani je raziskava, ki so jo vodili raziskovalci iz NASA Goddard, pokazala, kako bi oblačni pokrov v vodnih hlapih naredil vodno paro, ki jo ni mogoče zaznati v atmosferi planetov TRAPPIST-1. V začetku tega meseca je druga Nasina podprta študija Goddard pokazala, kako bodo oblaki znižali amplitudo vodne pare do te mere, da jih bo JWST odpravil kot hrup v ozadju.
Preden pa pomislimo, da so vse slabe novice, ta študija predstavlja nekaj predlogov, kako bi te omejitve premagali. Na primer, če je čas misije dejavnik, se lahko misija JWST podaljša, tako da bodo znanstveniki imeli več časa za zbiranje podatkov. NASA že upa, da bo vesoljski teleskop deloval deset let, zato je podaljševanje misije že možnost.
Hkrati bi lahko znižani prag signal-šum za zaznavanje omogočil, da se iz spektra pobere več signalov (čeprav bi to pomenilo tudi več napačnih pozitivnih rezultatov). Poleg tega sta Komaček in njegovi sodelavci zagotovo opozorila, da ti rezultati veljajo samo za funkcije, ki so pod krovom oblaka na eksoplanetih:
"Ker je vodna para večinoma ujeta pod gladino vodnega oblaka, je zaradi močne pokritosti oblakov na planetih, ki obkrožajo rdeče pritlikave zvezde, izjemno težko zaznati vodne lastnosti. Pomembno je tudi, da bo JWST še vedno lahko omejeval prisotnost ključnih atmosferskih sestavin, kot sta ogljikov dioksid in metan, le v desetih prehodih.
Te rezultate še enkrat podpirajo prejšnje raziskave. Lani je raziskava z univerze v Washingtonu preučila zaznavnost in značilnosti planetov TRAPPIST-1 in ugotovila, da oblaki verjetno ne bodo imeli pomembnega vpliva na zaznavnost kisika in ozonskih lastnosti - dve ključni biosignati, ki sta povezani z prisotnost življenja.
Resnično, JWST bi lahko imel težave le pri zaznavanju vodne pare v atmosferi zunanjih planetov, vsaj kar zadeva gosto oblačno odejo. Za druge biosignature JWST ne bi smel imeti težav, če bi jih izdihnil, oblaki ali brez oblakov. Velike stvari naj bi prišle iz Webba, Nasinega najzmogljivejšega in najbolj izpopolnjenega vesoljskega teleskopa doslej. In vse se bo začelo prihodnje leto!
