Το 2021, το παρατηρητήριο επόμενης γενιάς της NASA, το Διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST), θα φτάσει στο διάστημα. Μόλις λειτουργήσει, αυτή η ναυαρχίδα αποστολής θα πάρει όπου άλλα διαστημικά τηλεσκόπια - όπως Χαμπλ, Κέπλερ, και Σπίτζερ - έφυγε. Αυτό σημαίνει ότι εκτός από τη διερεύνηση ορισμένων από τα μεγαλύτερα κοσμικά μυστήρια, θα αναζητήσει επίσης δυνητικά κατοικήσιμα εξωπλανήτες και θα προσπαθήσει να χαρακτηρίσει την ατμόσφαιρά τους.
Αυτό είναι μέρος αυτού που ξεχωρίζει το JWST από τους προκατόχους του. Μεταξύ της υψηλής ευαισθησίας και των δυνατοτήτων απεικόνισης υπέρυθρης ακτινοβολίας, θα μπορεί να συλλέγει δεδομένα για ατμόσφαιρες εξωπλανήτη όπως ποτέ άλλοτε. Ωστόσο, όπως έδειξε πρόσφατα μια μελέτη που υποστηρίζεται από τη NASA, πλανήτες που έχουν πυκνή ατμόσφαιρα μπορεί επίσης να έχουν εκτεταμένη κάλυψη νέφους, κάτι που θα μπορούσε να περιπλέξει τις προσπάθειες συγκέντρωσης ορισμένων από τα πιο σημαντικά δεδομένα όλων.
Εδώ και χρόνια, οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν τη Φωτομετρία Διαμετακόμισης (γνωστή και ως Μέθοδος Διαμετακόμισης) για να εντοπίσουν εξωπλανήτες παρακολουθώντας μακρινά αστέρια για πτώσεις στη φωτεινότητα. Αυτή η μέθοδος έχει αποδειχθεί επίσης χρήσιμη στον προσδιορισμό της ατμοσφαιρικής σύνθεσης ορισμένων πλανητών. Καθώς αυτά τα σώματα περνούν μπροστά από τα αστέρια τους, το φως περνά μέσα από την ατμόσφαιρά τους, τα φάσματα των οποίων στη συνέχεια αναλύονται για να δουν ποια χημικά στοιχεία υπάρχουν.
Μέχρι στιγμής, αυτή η μέθοδος ήταν χρήσιμη όταν παρατηρούμε τεράστιους πλανήτες (γίγαντες φυσικού αερίου και «Super Jupiters») που περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο τους σε μεγάλες αποστάσεις. Ωστόσο, παρατηρώντας μικρότερους, βραχώδεις πλανήτες (δηλαδή "σαν τη Γη") που βρίσκονται σε τροχιά πιο κοντά στους ήλιους τους - που θα τους έβαζαν στην κατοικήσιμη ζώνη του αστεριού - ήταν πέρα από τις δυνατότητες των διαστημικών τηλεσκοπίων.
Γι 'αυτό το λόγο, η αστρονομική κοινότητα ανυπομονούσε την ημέρα που θα ήταν διαθέσιμα τηλεσκόπια επόμενης γενιάς όπως το JWST. Εξετάζοντας τα φάσματα του φωτός που περνούν από την ατμόσφαιρα ενός βραχώδους πλανήτη (μια μέθοδο γνωστή ως φασματοσκοπία μετάδοσης), οι επιστήμονες θα μπορούν να αναζητήσουν τους ενδεικτικούς δείκτες του αερίου οξυγόνου, του διοξειδίου του άνθρακα, του μεθανίου και άλλων σημείων που σχετίζονται με τη ζωή (γνωστός και ως «βιογραφίες») ").
Ένα άλλο κρίσιμο στοιχείο για τη ζωή (όπως το γνωρίζουμε) είναι το νερό, οπότε οι υπογραφές υδρατμών στην ατμόσφαιρα ενός πλανήτη είναι πρωταρχικός στόχος για μελλοντικές έρευνες. Αλλά σε μια νέα μελέτη με επικεφαλής τον Thaddeus Komacek, μεταδιδακτορικό συνεργάτη με το Τμήμα Γεωφυσικών Επιστημών στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο, είναι πιθανό οποιοσδήποτε πλανήτης με άφθονο επιφανειακό νερό να έχει επίσης άφθονα σύννεφα (σωματίδια συμπυκνωμένου πάγου) στην ατμόσφαιρά του .
Για χάρη αυτής της μελέτης, ο Komacek και οι συνεργάτες του εξέτασαν εάν αυτά τα σύννεφα θα παρεμβαίνουν σε προσπάθειες ανίχνευσης υδρατμών στην ατμόσφαιρα των επίγειων εξωπλανητών. Λόγω του αριθμού των δύσκολων εξωπλανητών που έχουν ανακαλυφθεί εντός των κατοικήσιμων ζωνών των αστεριών τύπου Μ (κόκκινος νάνος) τα τελευταία χρόνια - όπως το Proxima b - οι γειτονικοί κόκκινοι νάνοι θα αποτελέσουν το επίκεντρο των μελλοντικών ερευνών.
Όπως εξήγησε ο Komack στο Space Magazine μέσω e-mail, πλανήτες που είναι κλειδωμένοι με παλίρροια, οι οποίοι περιστρέφονται γύρω από κόκκινα αστέρια νάνων είναι κατάλληλοι για μελέτες που περιλαμβάνουν φασματοσκοπία μετάδοσης - και για διάφορους λόγους:
«Οι διαμετακομιστικοί πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από κόκκινα αστέρια νάνων είναι πιο ευνοϊκοί στόχοι από εκείνους που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τα αστέρια που μοιάζουν με ήλιο, επειδή η αναλογία του μεγέθους του πλανήτη προς το μέγεθος του αστεριού είναι μεγαλύτερη. Το μέγεθος του σήματος σε κλίμακα μετάδοσης είναι το τετράγωνο της αναλογίας του μεγέθους του πλανήτη προς το μέγεθος του αστεριού, οπότε υπάρχει μια σημαντική ώθηση στο σήμα που πηγαίνει σε μικρότερα αστέρια από τη Γη.
«Ένας άλλος λόγος που οι πλανήτες σε τροχιά γύρω από κόκκινα αστέρια νάνων είναι πιο ευνοϊκοί να παρατηρηθούν είναι επειδή η« κατοικήσιμη ζώνη »ή όπου περιμένουμε να υπάρχει υγρό νερό στην επιφάνεια του πλανήτη, είναι πολύ πιο κοντά στο αστέρι… Εξαιτίας αυτών Οι κοντινότερες τροχιές, οι κατοικήσιμοι βραχώδεις πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από κόκκινα αστέρια νάνων, θα διέρχονται το αστέρι τους πολύ πιο συχνά, κάτι που επιτρέπει στους παρατηρητές να κάνουν πολλές επαναλαμβανόμενες παρατηρήσεις.“
Έχοντας αυτό κατά νου, ο Komacek και η ομάδα του χρησιμοποίησαν δύο μοντέλα σε συνδυασμό για τη δημιουργία φασμάτων συνθετικής μετάδοσης πλανητά κλειδωμένων πλανητών γύρω από αστέρια τύπου Μ. Το πρώτο ήταν το ExoCAM που αναπτύχθηκε από τον Dr. Eric Wolf του εργαστηρίου του Πανεπιστημίου του Κολοράντο για την Ατμοσφαιρική και τη Διαστημική Φυσική (LASP), ένα Κοινοτικό Μοντέλο Συστήματος Γης (CESM) που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση του κλίματος της Γης, το οποίο έχει προσαρμοστεί για τη μελέτη ατμοσφαιρών εξωπλανήτη.
Χρησιμοποιώντας το μοντέλο ExoCAM, προσομοίωσαν το κλίμα των βραχώδων πλανητών σε τροχιά γύρω από κόκκινα αστέρια νάνων. Δεύτερον, χρησιμοποίησαν το Planetary Spectrum Generator που αναπτύχθηκε από το Goddard Space Flight Center της NASA για να προσομοιώσει το φάσμα μετάδοσης που το JWST θα ανιχνεύσει από τον προσομοιωμένο πλανήτη τους. Όπως το εξήγησε ο Komacek:
«Αυτές οι προσομοιώσεις ExoCAM υπολόγισαν τις τρισδιάστατες κατανομές θερμοκρασίας, αναλογία ανάμειξης υδρατμών, και σωματίδια νέφους υγρού και παγόνερου. Διαπιστώσαμε ότι οι πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από κόκκινα αστέρια νάνων είναι πολύ πιο νεφελώδες από τη Γη. Αυτό συμβαίνει επειδή ολόκληρη η ημέρα τους έχει κλίμα παρόμοιο με τις τροπικές περιοχές της Γης και έτσι οι υδρατμοί μεταφέρονται εύκολα σε χαμηλές πιέσεις όπου μπορούν να συμπυκνωθούν και να σχηματίσουν σύννεφα που καλύπτουν μεγάλο μέρος της ημέρας του πλανήτη…
«Το PSG έδωσε αποτελέσματα για το φαινόμενο μέγεθος του πλανήτη σε μετάδοση ως συνάρτηση του μήκους κύματος, μαζί με την αβεβαιότητα. Εξετάζοντας πώς άλλαξε το μέγεθος του σήματος με το μήκος κύματος, μπορέσαμε να προσδιορίσουμε το μέγεθος των χαρακτηριστικών υδρατμών και να τα συγκρίνουμε με το επίπεδο αβεβαιότητας. "
Μεταξύ αυτών των δύο μοντέλων, η ομάδα μπόρεσε να προσομοιώσει πλανήτες με και χωρίς κάλυψη σύννεφων και τι θα μπορούσε να ανιχνεύσει το JWST ως αποτέλεσμα. Στην περίπτωση του πρώτου, διαπίστωσαν ότι οι υδρατμοί στην ατμόσφαιρα του εξωπλανήτη θα ήταν σχεδόν σίγουρα ανιχνεύσιμοι. Διαπίστωσαν επίσης ότι αυτό θα μπορούσε να γίνει για εξωπλανήτες μεγέθους Γης σε μόλις δέκα διαμετακόμιση ή λιγότερο.
«[W] όταν συμπεριλάβαμε τα εφέ των νεφών, ο αριθμός των διαμετακομίσεων που χρειάστηκε να παρατηρήσει η JWST για την ανίχνευση των υδρατμών αυξήθηκε κατά έναν παράγοντα από δέκα έως εκατό», δήλωσε ο Komacek. "Υπάρχει ένα φυσικό όριο για το πόσες διαμετακομίσεις μπορεί να παρατηρήσει η JWST για έναν δεδομένο πλανήτη, επειδή η JWST έχει μια καθορισμένη ονομαστική διάρκεια ζωής 5 ετών και η παρατήρηση μετάδοσης μπορεί να ληφθεί μόνο όταν ο πλανήτης περνάει ανάμεσα σε εμάς και το αστέρι του ξενιστή του."
Διαπίστωσαν επίσης ότι η επίδραση της κάλυψης σύννεφων ήταν ιδιαίτερα ισχυρή με πιο αργούς περιστρεφόμενους πλανήτες γύρω από κόκκινους νάνους. Βασικά, οι πλανήτες που έχουν περιμετρικές περιόδους μεγαλύτερες από περίπου 12 ημέρες θα αντιμετώπιζαν περισσότερο σχηματισμό νέφους στις μέρες τους. «Βρήκαμε ότι για πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από ένα αστέρι όπως το TRAPPIST-1 (ο πιο ευνοϊκός στόχος που είναι γνωστός), ο JWST δεν θα μπορούσε να παρατηρήσει αρκετές διελεύσεις για την ανίχνευση υδρατμών», δήλωσε ο Komacek.
Αυτά τα αποτελέσματα είναι παρόμοια με αυτά που έχουν παρατηρήσει άλλοι ερευνητές, πρόσθεσε. Πέρυσι, μια μελέτη με επικεφαλής ερευνητές της NASA Goddard έδειξε πώς η κάλυψη του νέφους θα καθιστούσε τους υδρατμούς μη ανιχνεύσιμους στις ατμόσφαιρες των πλανητών TRAPPIST-1. Νωρίτερα αυτό το μήνα, μια άλλη μελέτη που υποστηρίζεται από τη NASA Goddard έδειξε πώς τα σύννεφα θα μειώσουν το πλάτος των υδρατμών στο σημείο που το JWST θα τα εξάλειπε ως θόρυβο περιβάλλοντος.
Αλλά προτού σκεφτούμε ότι είναι όλα άσχημα νέα, αυτή η μελέτη παρουσιάζει μερικές προτάσεις για το πώς θα μπορούσαν να ξεπεραστούν αυτοί οι περιορισμοί. Για παράδειγμα, εάν ο χρόνος αποστολής είναι ένας παράγοντας, η αποστολή JWST μπορεί να επεκταθεί, ώστε οι επιστήμονες να έχουν περισσότερο χρόνο για να συλλέξουν δεδομένα. Ήδη, η NASA ελπίζει να λειτουργήσει το διαστημικό τηλεσκόπιο για δέκα χρόνια, οπότε η επέκταση της αποστολής είναι ήδη πιθανή.
Ταυτόχρονα, ένα χαμηλωμένο όριο σήματος προς θόρυβο για ανίχνευση θα μπορούσε να επιτρέψει την έξοδο περισσότερων σημάτων από τα φάσματα (αν και αυτό θα σήμαινε και περισσότερα ψευδώς θετικά). Επιπλέον, ο Komacek και οι συνάδελφοί του ήταν σίγουροι ότι επεσήμαναν ότι αυτά τα αποτελέσματα ισχύουν μόνο για λειτουργίες που βρίσκονται κάτω από το κατάστρωμα cloud σε εξωπλανήτες:
«Επειδή οι υδρατμοί παγιδεύονται ως επί το πλείστον κάτω από τη στάθμη του νεφρού, η ισχυρή κάλυψη των νεφών σε πλανήτες σε τροχιά γύρω από κόκκινα αστέρια νάνων καθιστά εξαιρετικά δύσκολη την ανίχνευση χαρακτηριστικών νερού. Είναι σημαντικό, αναμένεται ότι το JWST θα εξακολουθεί να είναι σε θέση να περιορίσει την παρουσία βασικών ατμοσφαιρικών συστατικών όπως το διοξείδιο του άνθρακα και το μεθάνιο σε μόλις δώδεκα διελεύσεις.
Για άλλη μια φορά, αυτά τα αποτελέσματα υποστηρίζονται από προηγούμενη έρευνα. Πέρυσι, μια μελέτη από το Πανεπιστήμιο της Ουάσινγκτον εξέτασε την ανιχνευσιμότητα και τα χαρακτηριστικά των πλανητών TRAPPIST-1 και διαπίστωσε ότι τα σύννεφα δεν είναι πιθανό να έχουν σημαντική επίδραση στην ανιχνευσιμότητα των χαρακτηριστικών του οξυγόνου και του όζοντος - δύο βασικές βιογραφίες που σχετίζονται με παρουσία της ζωής.
Στην πραγματικότητα, το JWST μπορεί να δυσκολεύεται να εντοπίσει μόνο υδρατμούς σε ατμόσφαιρες εξωπλανήτη, τουλάχιστον σε ό, τι αφορά το πυκνό σύννεφο. Για άλλες βιογραφίες, το JWST δεν πρέπει να έχει κανένα πρόβλημα να τα μυρίζει, να μην καλύπτει σύννεφα ή να μην περιέχει σύννεφα. Μεγάλα πράγματα αναμένεται να προέλθουν από το Webb, το πιο ισχυρό και εξελιγμένο διαστημικό τηλεσκόπιο της NASA μέχρι σήμερα. Και όλα θα ξεκινήσουν τον επόμενο χρόνο!
